CN103965240A - 一种单烷基次膦酸和非对称二烷基次膦酸的合成方法 - Google Patents

Abstract

一种单烷基次膦酸和非对称二烷基次膦酸的合成方法属于有机磷化合物合成技术领域。单烷基次膦酸的合成是利用烯烃与过量的次膦酸/次磷酸钠进行自由基加成反应而制得。将所得单烷基次膦酸与过量的另一种烯烃再次进行自由基加成反应，制得非对称二烷基次膦酸。本发明的方法对单烷基次膦酸和非对称二烷基次膦酸的合成均具有普适性，且操作简便，反应条件温和，易于实施，副反应少，产物纯化简单，适合规模化大生产。

Description

一种单烷基次膦酸和非对称二烷基次膦酸的合成方法

技术领域

本发明属于有机磷化合物的制备领域，具体涉及一种单烷基次膦酸和以单烷基次膦酸制备非对称二烷基次膦酸的合成方法。

背景技术

二烷基次膦酸在矿物浮选、阻燃剂及湿法冶金领域具有重要的作用。非对称二烷基次膦酸可以通过分别调节两个烷基链的结构对其电子效应和空间结构进行更精细的调控。

关于非对称二烷基次膦酸的合成方法专利中已有报道，如US4,321,213报道了(2,4,4’-三甲基戊基)(环己基)次膦酸的合成方法，CA2,550,557报道了(2,4,4’-三甲基戊基)(2,2’,4,4’-四甲基丁基)次膦酸的合成方法。均采用PH₃为磷源，在一定温度和高压下与二异丁烯发生自由基加成反应先合成单取代的磷化氢(R₁PH₂)，再与另一种烯烃继续发生自由基加成反应合成非对称双取代的磷化氢(R₁R₂PH)，继而经双氧水氧化得到非对称二烷基次膦酸(R₁R₂POOH,R₁≠R₂)。采用PH₃为磷源有很多不足，如PH₃毒性较大；反应条件苛刻，需要高压；反应难以控制，在单取代磷化氢的合成过程中难免生成(R₁)₂PH和(R₁)₃P副产物，在非对称双取代磷化氢的合成过程中也难免生成R₁(R₂)₂P副产物，这些副产物很难去除；在用H₂O₂氧化R₁R₂PH合成R₁R₂POOH过程中，温度要求比较严格，高温会使部分烷基脱去。因此，难以获得高纯度非对称二烷基次膦酸化合物，限制了其研究和推广应用。

我们(CN102690286A)曾报道了一种以次膦酸/次膦酸钠为磷源，合成高纯度不对称二烷基次膦酸的方法，该方法利用大位阻烯烃的空间位阻效应，使其与次膦酸发生自由基加成反应时，由于空间位阻的制约，反应终止于单烷基次膦酸；单烷基次膦酸再与一种小位阻烯烃继续发生反应，生成不对称二烷基次膦酸。在合成单烷基次膦酸的反应中，大位阻烯烃是过量的（大位阻烯烃与次磷酸钠的摩尔比大于1），过量的大位阻烯烃起溶剂作用。然而，该合成方法具有一定的局限性，不适于合成两个烷基链空间位阻都较小的非对称二烷基次膦酸的合成。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有普适性的单烷基次膦酸和以单烷基次膦酸制备非对称二烷基次膦酸的合成方法。该方法先使烯烃与过量的磷源次膦酸钠或次膦酸（即烯烃与磷源的摩尔比>1）发生自由基加成反应，由于磷源过量、烯烃不足，产物将以单烷基次膦酸为主产物，双取代的对称二烷基次膦酸为副产物；利用大位阻的金刚烷胺与单烷基次膦酸反应的选择性反应，除去对称二烷基次膦酸副产物。单烷基次膦酸与另一种烯烃继续发生自由基加成反应，即可生成非对称二烷基次膦酸；为了提高单烷基次膦酸的转化率，烯烃是过量的（烯烃与单烷基次膦酸摩尔比大于1），过量烯烃起溶剂作用。该方法操作简便，反应条件温和，易于实施，副反应少，产率高，产物纯化简单。

一种单烷基次膦酸的合成方法，所述的单烷基次膦酸结构式如通式（I）

其中，R’为碳原子数在4-20之间的烷基或环烷基。

其特征在于，合成及纯化方法分别如下述步骤（I）和步骤（II）所示：

（I）将磷源次磷酸钠或次磷酸、酸A、烯烃A、引发剂、溶剂按比例置入反应烧瓶中或装有搅拌、可加热的密闭反应釜中，于40-200℃反应1-100小时；其中磷源次磷酸钠或次磷酸与烯烃A的摩尔比介于1～10，酸A和磷源次磷酸钠或次磷酸的摩尔比介于1.2～3，引发剂总量和磷源次磷酸钠或次磷酸的摩尔比为0.05～5；

（II）将上述所得产物用有机溶剂稀释，用碱溶液萃取至水相pH>7，水相经酸液酸化、有机溶剂萃取得到富含单烷基次膦酸的有机相，经饱和盐水洗涤，干燥剂干燥，过滤，再经减压蒸馏或是用旋转蒸发仪旋蒸，得到单烷基次膦酸粗产物；或直接用碱溶液萃取至水相pH>7，水相经酸液酸化，形成富含单烷基次膦酸有机相，经饱和食盐水洗涤，干燥剂干燥，再经减压蒸馏或是用旋转蒸发仪旋蒸，得到单烷基次膦酸粗产物；

单烷基次膦酸粗产物中的双取代副产物采用金刚烷胺法除去，具体步骤如下：将金刚烷胺用有机溶剂稀释，加入单烷基次膦酸溶液中，产生金刚烷胺·单烷基次膦酸盐沉淀，过滤，用有机溶剂洗涤；将滤饼加入到强酸溶液中，搅拌反应，又释放出单烷基次膦酸；用有机溶剂萃取，饱和食盐水洗涤，无水硫酸镁干燥，过滤，再经减压蒸馏或是用旋转蒸发仪旋蒸，得到纯化后的单烷基次膦酸。

一种非对称二烷基次膦酸的合成方法，所述的非对称二烷基次膦酸结构式如通式（II）

其中，R’和R”为碳原子数在4-20之间的烷基或环烷基，且R’≠R”

其特征在于，所述的非对称二烷基次膦酸是由所述的单烷基次膦酸与烯烃B经自由基加成反应制得，具体合成及纯化方法如下述步骤（I）和步骤（II）所示：

（I）将单烷基次膦酸、酸A、烯烃B和引发剂按比例置入装有搅拌、可加热的密闭反应釜中，于40-200℃反应1-200小时；其中烯烃B和单烷基次膦酸的摩尔比介于1～10，酸A和单烷基次膦酸的摩尔比为1～10，引发剂总量和单烷基次膦酸的摩尔比为0.05～10；

（II）将上述步骤所得非对称二烷基次膦酸产物用有机溶剂稀释，稀释后加入NaOH溶液得到非对称二烷基次膦酸产物的钠盐。所得非对称二烷基次膦酸产物的钠盐若不溶于水，则用有机溶剂萃取，含非对称二烷基次膦酸钠盐的有机相经酸化、饱和盐水洗涤，干燥剂干燥，过滤，再经减压蒸馏或旋转蒸发除去未反应的烯烃，得到非对称二烷基次膦酸粗产物；所得非对称二烷基次膦酸产物的钠盐若溶于水，则用有机溶剂洗涤含非对称二烷基次膦酸钠盐的水相，然后酸化得到非对称二烷基次膦酸，经有机溶剂萃取，有机相经饱和食盐水洗涤，干燥剂干燥，过滤，得到非对称二烷基次膦酸粗产物。

非对称二烷基次膦酸粗产物中若含有未反应完全的单烷基次膦酸，利用其与金刚烷胺反应生成不溶于有机溶剂的金刚烷胺·单烷基次膦酸盐除去。进一步经钴盐或铜盐纯化，可得高纯度非对称二烷基次膦酸。

上述单烷基次膦酸的合成方法中，所述的烯烃A为包含4-20个碳原子的α-烯烃、β-烯烃、γ-烯烃或环烯烃。

上述单烷基次膦酸的合成方法中，所述的溶剂为环己烷、石油醚、正己烷、正辛烷、异辛烷、四氢呋喃、1,4-二氧六环、苯、甲苯中的一种或一种以上。

上述非对称二烷基次膦酸的合成方法中，所述的烯烃B为包含4-20个碳原子的α-烯烃、β-烯烃、γ-烯烃或环烯烃。

上述单烷基次膦酸和非对称二烷基次膦酸的合成方法中，所述的酸A为盐酸、硫酸、磷酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、新戊酸、己酸、2-乙基己酸、草酸、丙二酸、丁二酸中的一种或一种以上。

上述单烷基次膦酸和非对称二烷基次膦酸的合成方法中，所述的引发剂为叔丁基过氧化氢、异丙苯过氧化氢、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯、过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、过氧化叔戊酸叔丁酯、过氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二乙基己酯、过氧化二碳酸二环己酯、过氧化二碳酸二苯氧乙酯、偶氮二异丁腈中的一种或一种以上。

上述单烷基次膦酸和非对称二烷基次膦酸的合成方法中，所述的有机溶剂为石油醚、戊烷、己烷、庚烷、环己烷、三氯甲烷、乙醚、异丙醚、丁醚、苯甲醚、苯、甲苯、二甲苯、异丙苯、二异丁基酮、4-庚酮、2-壬酮中的一种或一种以上。

上述单烷基次膦酸和非对称二烷基次膦酸的合成方法中，所述的碱溶液为氢氧化锂溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中一种或一种以上；所述的酸溶液为硫酸溶液、盐酸溶液、硝酸溶液、氢溴酸溶液中的一种或一种以上。

上述单烷基次膦酸和非对称二烷基次膦酸的合成方法中，所述的饱和盐水为氯化钠饱和水溶液、硫酸钠饱和水溶液、氯化钾饱和水溶液、硫酸钾饱和水溶液、氯化锂饱和水溶液或硫酸锂饱和水溶液。

上述单烷基次膦酸和非对称二烷基次膦酸的合成方法中，所述的干燥剂为无水硫酸钠或无水硫酸镁。

附图说明

图1单烷基次膦酸及非对称二烷基次膦酸合成路线图

具体实施方式

以下结合实施例进一步说明本发明的方法。

实施例1单正辛基次膦酸

称取次磷酸钠26.40g(0.3mol)、冰醋酸14.42g、1-辛烯11.22g(0.1mol)、过氧化二叔丁基(DTBP)0.73g，四氢呋喃25.02g于带100mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中，并加入磁子，将反应釜密封，置于带搅拌器的小型管式炉中，开动搅拌器于135℃反应8h。降至室温，将产物转移至150mL单口烧瓶中，用旋转蒸发仪除去四氢呋喃及未反应的烯烃。将产物用100ml无水乙醚溶解并转移至250ml分液漏斗中，用4%NaOH（质量浓度，以下百分比除特别说明外均为质量百分比浓度）洗涤数次，至水相pH>10，合并水相。水相用10%H₂SO₄酸化至pH<3，然后用乙醚萃取3次(50mL×3)，合并乙醚相，用饱和食盐水洗涤3次(30mL×3)，继而用无水硫酸镁干燥，过滤，用旋转蒸发仪除去乙醚，得粗产物16.12g，产率90.6%。

称取金刚烷胺盐酸盐8.44g(0.045mol)，磁力搅拌下加入饱和NaOH溶液40mL，产生白色沉淀。加入100mL乙醚，继续搅拌30min，倒入分液漏斗中分出水相，乙醚相用饱和食盐水洗涤2次。将乙醚相转移至250mL单口烧瓶中，于磁力搅拌下加入8g上述正辛基次膦酸粗产物乙醚溶液，产生白色沉淀。过滤，滤饼用无水乙醚洗涤数次，然后将滤饼真空烘干，得金刚烷胺正辛基次膦酸盐12.84g。于搅拌下将金刚烷胺正辛基次膦酸盐加入到100mL1mol/L HCl中，搅拌30min，用100ml乙酸乙酯萃取。乙酸乙酯相用1mol/L HCl洗涤2次，饱和食盐水洗涤3次，后用无水硫酸镁干燥，过滤，用旋转蒸发仪除去溶剂，得到纯化后的单烷基次膦酸4.82g。³¹P NMR(243MHz，CDCl₃)δ:38.33(d，J=539.44Hz);¹H NMR(600MHz，CDCl₃)δ:0.88(t，J=7.2Hz，3H)，1.25-1.32(m，8H)，1.36-1.42(m，2H)，1.55-1.63(m，2H)，1.72-1.78(m，2H)，7.09(d，J=539.76Hz，1H)，10.93(s，1H);MS-ESI m/z:[M+1]⁺179.3，[2M+1]⁺357.2，[3M+1]⁺535.2，[4M+23]⁺735.5.

实例2(2,3-二甲基丁基)次膦酸的合成及纯化

合成及纯化方法与单正辛基次膦酸类似，合成条件为：烯烃变为2,3-二甲基丁烯，DTBP为引发剂，四氢呋喃为溶剂，反应温度120℃，反应时间8h，次磷酸钠与烯烃的摩尔比为3:1，产率81.4%。³¹P NMR(243MHz，CDCl₃)δ:38.04(d，J=526.27Hz);¹H NMR(600MHz，CDCl₃)δ:0.84-0.89(m，6H)，0.9987(d，J=6.90Hz，3H)，1.53-1.61(m，1H)，1.61-1.68(m，1H)，1.77-1.83(m，1H)，1.85-1.93(m，1H)，7.17(d，J=539.70Hz，1H)，11.40(s，1H);¹³C NMR(151MHz，CDCl₃)δ:16.89(d，J=4.33Hz)，18.08，19.26，32.77，33.31(d，J=13.00Hz)，33.80(d，J=95.42Hz);MS-ESI m/z:[M+1]⁺151.3，[2M+1]⁺301.2，[4M+23]⁺623.5.

实施例3(正辛基)(2,4,4’-三甲基戊基)次膦酸的合成

称取纯化后的正辛基次膦酸6.6g(0.037mol)、冰醋酸4.2g、二异丁烯10.36g(0.093mol)、DTBP0.3g于带50mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中，并加入磁子，将反应釜密封，置于带搅拌器的小型管式炉中，开动搅拌器于135℃反应8h；降至室温，补加DTBP0.3g，再于135℃反应8h；如此反复，共反应24h。将产物用100ml无水乙醚溶解稀释并转移至250ml分液漏斗中，用4%NaOH洗涤数次，继而用10%H₂SO₄酸化至pH<3，弃去水相，再用饱和食盐水洗涤3次(30mL×3)，无水硫酸镁干燥，过滤，用旋转蒸发仪除去乙醚，得粗产物6.38g，产率59.3%。粗产物中的单烷基次膦酸经金刚烷胺法除去，而后经铜盐纯化。³¹P NMR(243MHz，CDCl₃)δ:60.42(s);¹H NMR(600MHz，CDCl₃)δ:0.86-0.93(m，12H)，1.10-1.40(m，15H)，1.51-1.79(m，6H)，2.02-2.10(m，1H)，10.03(s，1H);MS-ESI m/z:[M+1]⁺291.4，[2M+1]⁺581.6.

实施例4(正辛基)(环己基)次膦酸的合成

单正辛基次膦酸与等摩尔的环己烯反应生成(正辛基)(环己基)次膦酸，合成及纯化方法类似于(正辛基)(2,4,4’-三甲基戊基)次膦酸,反应温度为120℃，反应时间8h，其余条件相同。³¹P NMR(243MHz，CDCl₃)δ:61.61(s);MS-ESI m/z:[M+1]⁺261.1，[2M+1]⁺521.3，[3M+1]⁺781.5，[3M+23]⁺803.6.

实施例5(2,3-二甲基丁基)(2,4,4’-三甲基戊基)次膦酸的合成

单(2,3-二甲基丁基)次膦酸与二异丁烯（二异丁烯与单(2,3-二甲基丁基)次膦酸的摩尔比等于10）反应生成(2,3-二甲基丁基)(2,4,4’-三甲基戊基)次膦酸，合成条件及纯化方法与(正辛基)(环己基)次膦酸相同。³¹P NMR(243MHz，CDCl₃)δ:61.40(s);¹H NMR(600MHz，CDCl₃)δ:0.80-0.86(m，6H)，0.91(s，9H)，0.98-1.02(m，3H)，1.09-1.14(m，3H)，1.14-1.20(m，1H)，1.31-1.37(m，1H)，1.39-1.48(m，1H)，1.50-1.59(m，1H)，1.60-1.77(m，3H)，1.84-1.93(m，1H)，2.02-2.11(m，1H);MS-ESI m/z:[M+1]⁺263.2，[2M+1]⁺525.4.。

Claims (10)

1.一种单烷基次膦酸的合成方法，所述的单烷基次膦酸结构式如通式（I）

其中，R’为碳原子数在4-20之间的烷基或环烷基；

其特征在于，合成及纯化方法分别如下述步骤（I）和步骤（II）所示：

（I）将磷源次磷酸钠或次磷酸、酸A、烯烃A、引发剂、溶剂按比例置入反应烧瓶中或装有搅拌、可加热的密闭反应釜中，于40-200℃反应1-100小时；其中磷源次磷酸钠或次磷酸与烯烃A的摩尔比介于1～10，酸A和磷源次磷酸钠或次磷酸的摩尔比介于1.2～3，引发剂总量和磷源次磷酸钠或次磷酸的摩尔比为0.05～5；

（II）将上述所得产物用有机溶剂稀释，用碱溶液萃取至水相pH>7，水相经酸液酸化、有机溶剂萃取得到富含单烷基次膦酸的有机相，经饱和盐水洗涤，干燥剂干燥，过滤，再经减压蒸馏或是用旋转蒸发仪旋蒸，得到单烷基次膦酸粗产物；或直接用碱溶液萃取至水相pH>7，水相经酸液酸化，形成富含单烷基次膦酸有机相，经饱和食盐水洗涤，干燥剂干燥，再经减压蒸馏或是用旋转蒸发仪旋蒸，得到单烷基次膦酸粗产物；

单烷基次膦酸粗产物中的双取代副产物采用金刚烷胺法除去，具体步骤如下：将金刚烷胺用有机溶剂稀释，加入单烷基次膦酸溶液中，产生金刚烷胺·单烷基次膦酸盐沉淀，过滤，用有机溶剂洗涤；将滤饼加入到强酸溶液中，搅拌反应，又释放出单烷基次膦酸；用有机溶剂萃取，饱和食盐水洗涤，无水硫酸镁干燥，过滤，再经减压蒸馏或是用旋转蒸发仪旋蒸，得到纯化后的单烷基次膦酸。

2.应用权利要求1所述的方法合成的单烷基次膦酸来制备一种非对称二烷基次膦酸的合成方法，所述的非对称二烷基次膦酸结构式如通式（II）

其中，R’和R”为碳原子数在4-20之间的烷基或环烷基，且R’≠R”；

其特征在于，所述的非对称二烷基次膦酸是由所述的单烷基次膦酸与烯烃B经自由基加成反应制得，具体合成及纯化方法如下述步骤（I）和步骤（II）所示：

（I）将单烷基次膦酸、酸A、烯烃B和引发剂按比例置入装有搅拌、可加热的密闭反应釜中，于40-200℃反应1-200小时；其中烯烃B和单烷基次膦酸的摩尔比介于1～10，酸A和单烷基次膦酸的摩尔比为1～10，引发剂总量和单烷基次膦酸的摩尔比为0.05～10；

（II）将上述步骤所得非对称二烷基次膦酸产物用有机溶剂稀释，稀释后加入NaOH溶液得到非对称二烷基次膦酸产物的钠盐；所得非对称二烷基次膦酸产物的钠盐若不溶于水，则用有机溶剂萃取，含非对称二烷基次膦酸钠盐的有机相经酸化、饱和盐水洗涤，干燥剂干燥，过滤，再经减压蒸馏或旋转蒸发除去未反应的烯烃，得到非对称二烷基次膦酸粗产物；所得非对称二烷基次膦酸产物的钠盐若溶于水，则用有机溶剂洗涤含非对称二烷基次膦酸钠盐的水相，然后酸化得到非对称二烷基次膦酸，经有机溶剂萃取，有机相经饱和食盐水洗涤，干燥剂干燥，过滤，得到非对称二烷基次膦酸粗产物。

非对称二烷基次膦酸粗产物中若含有未反应完全的单烷基次膦酸，利用其与金刚烷胺反应生成不溶于有机溶剂的金刚烷胺·单烷基次膦酸盐除去。

3.根据权利要求1或2所述的合成方法，其特征在于，所述的酸A为盐酸、硫酸、磷酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、新戊酸、己酸、2-乙基己酸、草酸、丙二酸、丁二酸中的一种或一种以上。

4.根据权利要求1所述的一种单烷基次膦酸的合成方法，其特征在于，所述的烯烃A为包含4-20个碳原子的α-烯烃、β-烯烃、γ-烯烃或环烯烃。

5.根据权利要求1或2所述的合成方法，其特征在于，所述的引发剂为叔丁基过氧化氢、异丙苯过氧化氢、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯、过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、过氧化叔戊酸叔丁酯、过氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二乙基己酯、过氧化二碳酸二环己酯、过氧化二碳酸二苯氧乙酯、偶氮二异丁腈中的一种或一种以上。

6.根据权利要求1所述的一种单烷基次膦酸的合成方法，其特征在于，所述的溶剂为环己烷、石油醚、正己烷、正辛烷、异辛烷、四氢呋喃、1,4-二氧六环、苯、甲苯中的一种或一种以上。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的有机溶剂为石油醚、戊烷、己烷、庚烷、环己烷、三氯甲烷、乙醚、异丙醚、丁醚、苯甲醚、苯、甲苯、二甲苯、异丙苯、二异丁基酮、4-庚酮、2-壬酮中的一种或一种以上。

8.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述的碱溶液为氢氧化锂溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中一种或一种以上；所述的强酸溶液为硫酸溶液、盐酸溶液、硝酸溶液、氢溴酸溶液中的一种或一种以上。

9.根据权利要求1或2所述的合成方法，其特征在于，所述的饱和盐水为氯化钠饱和水溶液、硫酸钠饱和水溶液、氯化钾饱和水溶液、硫酸钾饱和水溶液、氯化锂饱和水溶液或硫酸锂饱和水溶液；所述的干燥剂为无水硫酸钠或无水硫酸镁。

10.根据权利要求2所述的一种非对称二烷基次膦酸的合成方法，其特征在于，所述的烯烃B为包含4-20个碳原子的α-烯烃、β-烯烃、γ-烯烃或环烯烃。