CN108727427A - 一种简洁的草铵膦合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种简洁的草铵膦合成方法，目的在于解决现有方法合成草铵膦时，需要采用剧毒氰化钠的问题。与现有方法采用甲基亚磷酸二乙酯制备草铵膦不同，采用本发明能够有效避免采用剧毒化学品，解决氰化钠应用的问题。其不仅能减少剧毒化学品的使用，简化操作步骤，减少设备投入，降低三废量，符合清洁生产要求，更加环保。同时，采用本发明，不仅能合成消旋体草铵膦，还能合成光学纯手性草铵膦，具有显著的进步意义。本发明的工艺衔接有序，无固体物料的使用，操作简便，工艺流程简单，能够实现自动化生产，大大降低工人的劳动强度，提高生产效率，具有较好的应用前景，值得大规模推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及化工领域，尤其是合成领域，具体为一种简洁的草铵膦合成方法。本发明提供一种除草剂草铵膦的合成方法，其不仅能用于消旋体草铵膦的合成，还能用于光学纯L-草铵膦的合成，具有重要的意义。
背景技术
草铵膦(glufosinate-ammonium)于上个世纪80年代由Hoechest公司开发生产，其化学名称为4-[羟基(甲基)膦酰基]-DL-高丙氨酸，又称草铵膦铵盐，为磷酸类除草剂。近年来，随着国内草铵膦的开发白热化，出现了多种合成线路。
Hoechst在US6359162B1专利中提出，以甲基亚磷酸二乙酯和丙烯醛反应得到缩醛产物，再经氰代、氨化反应，得到α-氨基腈类化合物，然后水解，得到草铵膦。其工艺合成路线如下：甲基亚磷酸二乙酯和丙烯醛反应生成缩醛，然后与氰化钠、氨水等反应生成氨基丁腈，最后经过水解、氨化、分离得到草铵膦。该工艺路线涉及剧毒氰化钠的使用，并且只能得到草铵膦消旋体。
国内一些厂家以甲基亚膦酸二乙酯与1,2-二溴乙烷或1,2-二氯乙烷做Arbusov膦化得到中间体乙氧基甲基膦酸2-卤代乙酯，并以此中间体对DEAM(乙酰氨基丙二酸二乙酯)烷基化，再水解脱羧，得到草铵膦。
上述制备方法中，合成草铵膦的中间体均为甲基亚磷酸二乙酯，而甲基亚磷酸二乙酯的合成目前文献报道的主要有格氏法和甲基二氯化磷法。其中，在格氏反应合成甲基亚磷酸二乙酯时，烷基卤化镁忌水，安全性能低，收率不高，规模化生产难度大。而采用甲基二氯化磷法合成甲基亚磷酸二乙酯时，甲基二氯化磷的合成难度大，难以长期保存，且甲基二氯化磷合成甲基亚磷酸二乙酯需要特种设备，设备投入成本高。
为此，迫切需要一种新的物质/或方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对现有方法合成草铵膦时，需要采用剧毒氰化钠的问题，提供一种简洁的草铵膦合成方法。与现有方法采用甲基亚磷酸二乙酯制备草铵膦不同，采用本发明能够有效避免采用剧毒化学品，解决氰化钠应用的问题。本发明能有效减少剧毒化学品的使用，简化操作步骤，减少设备投入，降低三废量，符合清洁生产要求，更加环保。同时，采用本发明，不仅能合成消旋体草铵膦，还能合成光学纯手性草铵膦，具有显著的进步意义。本发明的工艺衔接有序，无固体物料的使用，操作简便，工艺流程简单，能够实现自动化生产，大大降低工人的劳动强度，提高生产效率，具有较好的应用前景，值得大规模推广和应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种简洁的草铵膦合成方法，包括如下步骤：以甲基二氯化膦、2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸为原料进行反应，得到中间体2-R基甲酰氨基-4-(甲基膦酰氯)丁酰氯，并将该中间体依次进行水解、氨化，即得草铵膦；
所述甲基二氯化膦、2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸按如下反应式(Ⅰ)或反应式(Ⅱ)进行反应：
其中，R为氢、C1～C6的烷基、烷氧基或苯基。
作为优选，R为氢、甲基或C1～C3的烷氧基。
所述甲基二氯化膦与2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的反应温度为-20～120℃。
所述甲基二氯化膦与2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的反应温度为70～90℃。
所述甲基二氯化膦与2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸反应的摩尔比为(1-1.5):1。
进一步，所述甲基二氯化膦与2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸反应的摩尔比为(1-1.05):1。
以2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的无水惰性溶液与甲基二氯化膦进行反应，得到中间体2-R基甲酰氨基-4-(甲基膦酰氯)丁酰氯；
其中，2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的无水惰性溶液的制备方法如下：将2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸溶解于惰性溶剂中，即可；且2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的无水惰性溶剂中的溶质在-10～10℃内处于完全溶解状态，并使得所得中间体处于溶解状态。
所述惰性溶剂为取代芳香烃、烷烃类溶剂、醚类溶剂、酯类溶剂、非烯烃类卤代烷烃中的一种或多种。
所述惰性溶剂为甲苯、二甲苯、石油醚、甲基环己烷、环己烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、甲基环戊基醚、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、乙酸丁酯、乙酸仲丁酯、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯丙烷中的一种或多种。
以甲基二氯化膦、2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸为原料，将甲基二氯化膦滴加入2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸中进行反应，或将2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸滴加入甲基二氯化膦中进行反应，或将甲基二氯化膦与2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸按配比加入到反应器中进行反应，得到中间体2-R基甲酰氨基-4-(甲基膦酰氯)丁酰氯。
现有方法在合成草铵膦时，需要采用剧毒氰化钠，针对该问题，本发明提供一种简洁的草铵膦合成方法，其创新点在于提供了一种新的草铵膦中间体双酰氯的合成方法。本发明无需采用剧毒化学品，解决氰化钠应用的问题。同时，本发明还能有效减少设备投入，降低三废量，符合清洁生产的要求，更加环保。
另外，申请人研究发现，现有路线仅能用于合成消旋体草铵膦，而采用本发明，除能够合成消旋体草铵膦外，还能合成光学纯手性草铵膦，具有显著的进步意义。
该方法包括如下步骤：以甲基二氯化膦、2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸为原料进行反应，得到取代物2-R基甲酰氨基-4-(甲基膦酰氯)丁酰氯，并将该取代物依次进行水解、氨化、分离，即得草铵膦。其中，2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸分子式中氨基为消旋体或者S-构型的酰基保护下的丁烯酸。
本发明为简洁的草铵膦合成方法，使用经过酰基保护的氨基丁烯酸(或者酰基保护的S-构型氨基丁烯酸)与甲基二氯化膦直接反应，得关键中间体双酰氯，具体反应式如下式(Ⅰ)或式(Ⅱ)所示：
其中，R为-H、C1～C6的烷基、烷氧基或苯基。
作为优选，R为烷基，优选是-H，或者甲基(-CH3)；R基也可以是烷氧基，优选C1～C3。
经测定，采用本发明制备的2-R基甲酰氨基-4-(甲基膦酰氯)丁酰氯可以为消旋体，也可以为光学纯手性物质(如S构型)。更具体的，2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的结构可以为光学纯结构(又称手性结构)，如S构型或者R构型的取代酰基保护了的氨基丁烯酸，其中S构型的酰基保护了的氨基丁烯酸对应的最终产物为L-草铵膦。
在反应时，甲基二氯化膦与2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的加料顺序，既可以是甲基二氯化膦滴加到2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的溶液中，也可以是2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的溶液滴加到甲基二氯化膦中；或者将两者按照比例通过加料泵等速度加入到管式反应器之中。其中，两者的反应温度为-20-120℃，优选为70-90℃；甲基二氯化膦与2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的物质的量比为(1-1.5)：1。其中，管式反应器通过夹套式换热，以确保反应温度在控制范围内；管式反应器也可通过浸泡式恒温换热。
进一步，以2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的无水惰性溶液与甲基二氯化膦进行反应；其中，2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的无水惰性溶液的配置方法如下：2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸溶解于惰性溶剂中，配制成一定浓度，确保溶质在-10℃～10℃范围内处于完全溶解状态，并确保反应完毕后，所得产物处于溶解状态。上述的惰性溶剂包含如甲苯、二甲苯等取代芳香烃；如石油醚、甲基环己烷、环己烷等烷烃类溶剂；如乙酸乙酯、乙酸异丙酯、乙酸丁酯、乙酸仲丁酯等酯类溶剂；如二氯甲烷、二氯乙烷、三氯丙烷等非烯烃类卤代烷烃。进一步，上述惰性溶剂不属于质子性溶剂或者烯烃类溶剂；其中，卤代烷烃类、醚类和酯类溶剂是良好溶剂，优选卤代烷烃类溶剂。
综上所述，本发明采用以甲基二氯化膦和酰基保护的氨基丁烯酸(或者酰基保护的S-构型氨基丁烯酸)为原料，直接反应，得到草铵膦的重要中间体，再经过水解和氨化后，经过纯化分离，得到除草剂原药L-草铵膦或者消旋体草铵膦。本发明改变了现有的工艺技术——采用甲基亚磷酸二乙酯制备草铵膦的工艺，减少了剧毒化学品的使用，减少了设备投入，降低了三废量，符合清洁生产要求，更加环保。同时，本发明中不再使用和制备危险性极高的甲基亚膦酸二乙酯(易燃易爆)，也不再使用毒性极高的氰化钠与丙烯醛，也不再使用醋酐、醋酸等辅料，无需投入大型的特种设备，能耗更低，三废更少，操作更加简便可控，这样一种制造成本更低、更加安全环保的简洁的草铵膦合成路线，具有极其重要的意义。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1)本发明以甲基二氯化膦、2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸为原料，进行取代反应，得到相应的产物酰基保护氨基双酰氯，该产物进一步与水和氨气反应制得草铵膦，改变了现有的采用甲基亚磷酸二乙酯制备草铵膦的工艺，降低了三废量，更加清洁环保，步骤简化，不再使用大型的特种设备，设备和人工投入减少，生产成本有效降低；
2)本发明能有效避免高毒高风险物料的使用，避免了高风险、不稳定中间体及工业化过程中的危险性，安全可控度高，有利于保证工厂的正常生产，更加符合安全生产的需要；
3)本发明制备草铵膦的操作简便，更加可控，进一步避免了工业化过程中的危险性，生产成本较现有方法也更低；
4)本发明的工艺衔接有序，无固体物料的使用，操作简便，工艺流程简单，能实现草铵膦的自动化生产，大大降低工人的劳动强度，提高生产效率，具有较好的应用前景。
5)本发明除能简洁合成消旋体草铵膦外，还能合成光学活性的草铵膦，相对于现有技术具有显著的进步。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
将90.67kg(686.5mol)的N-乙酰基-2-氨基丁烯酸(绝对含量为97％)溶解于200升甲基四氢呋喃中，得到第一溶液；再将第一溶液滴加到甲基二氯化膦81.9kg(98％，精馏所得)中，温度控制在70～90℃以内，滴加完毕后，将反应液在85～90℃保温反应1小时，取样检测，证明已经反应完毕，得到第二反应液；趁热将所得第二反应液放入另外一个1000升反应釜，控制温度在0～30℃范围内，搅拌条件下，缓慢滴加水38.2公斤，滴加完毕后，再加入60公斤水，再升温至回流反应3～4小时，检测酰胺已经水解完毕，再缓慢加入30％的氢氧化钠365公斤，得到第三反应液；将第三反应液转入另外一个1000升的分相釜，反应液降温至室温，冷却分相，上层有机相干燥后循环套用，下层水相转入另外一个1000升反应釜，并向其中通入氨气23.3公斤，控制反应温度在30℃左右，通入完毕，反应液转入蒸馏釜，蒸馏完毕，产物用甲醇重结晶除盐，干燥，得到草铵膦121公斤，绝对含量97％，收率86.7％。
实施例2
将90.67kg(686.5mol)的(2S)-N-乙酰基-2-氨基丁烯酸(绝对含量为97％)溶解于200升甲基四氢呋喃中，得到第一溶液；再将第一溶液滴加到甲基二氯化膦81.9kg(98％，精馏所得)中，温度控制在70～90℃以内，滴加完毕后，将反应液在85～90℃保温反应1小时，取样检测，证明已经反应完毕，得到第二反应液；趁热将所得第二反应液放入另外一个1000升反应釜，控制温度在0～30℃范围内，搅拌条件下，缓慢滴加水38.2公斤，滴加完毕后，再加入60公斤水，再升温至回流反应3～4小时，检测酰胺已经水解完毕，缓慢加入30％的氢氧化钠365公斤，得到第三反应液；将第三反应液转入另外一个1000升的分相釜，反应液降温至室温，冷却分相，上层有机相干燥后循环套用，下层水相转入另外一个1000升反应釜，并向其中通入氨气23.3公斤，控制反应温度在30℃左右，通入完毕，反应液转入蒸馏釜，蒸馏完毕，产物用甲醇重结晶除盐，干燥，得到L-草铵膦123公斤，绝对含量97％，ee％为99.2％；收率88.13％。
实施例3
将90.67kg(686.5mol)的N-乙酰基-2-氨基丁烯酸(绝对含量为97％)溶解于200升甲基四氢呋喃中，得到第一溶液；再将第一溶液滴加到甲基二氯化膦90kg(98％，精馏所得)中，温度控制在65～80℃以内，滴加完毕后，将反应液在75～80℃保温反应1小时，取样检测，证明已经反应完毕，得到第二反应液；趁热将所得第二反应液放入另外一个1000升反应釜，控制温度在0～10℃范围内，搅拌条件下，缓慢滴加水38.2公斤，滴加完毕后，再加入60公斤水，再升温至回流反应3小时左右，检测酰胺已经水解完毕，降温至常温(20～30℃)，控温在20℃～30℃，缓慢滴加30％的氢氧化钠364公斤，得到第三反应液；将第三反应液转入另外一个1000升的分相釜，反应液降温至室温，冷却分相，上层有机相水洗后再分相，水相合并，有机相干燥后循环套用。所得下层水相转入另外一个1000升反应釜，通入氨气23.3公斤，控制反应温度在30℃左右，通入完毕，反应液转入蒸馏釜，蒸馏完毕，产物用甲醇重结晶除盐，干燥得到L-草铵膦133公斤，绝对含量97.1％，ee％为99.1％；收率95.9％。
实施例4
将90.68kg(686.5mol)的N-乙酰基-2-氨基丁烯酸(绝对含量为97％)溶解于200升醋酸异丙酯中，得到第一溶液；再将第一溶液滴加到甲基二氯化膦81.92kg(98％，精馏所得)中，温度控制在70～80℃以内，滴加完毕后，将反应液在80℃保温反应1小时，取样检测，证明已经反应完毕，得到第二反应液；趁热将所得第二反应液放入另外一个1000升反应釜，控制温度在0～30℃范围内，搅拌条件下，缓慢滴加水38.0公斤，滴加完毕后，再快速加入60公斤水，再升温至80℃反应3～4小时，检测酰胺已经水解完毕，缓慢加入30％的氢氧化钠366公斤，得到第三反应液；将第三反应液转入另外一个1000升的分相釜，反应液降温至室温，冷却分相，上层有机相干燥后循环套用，下层水相转入另外一个1000升反应釜，通入氨气23.3公斤，控制反应温度在30℃左右，通入完毕，反应液转入蒸馏釜，蒸馏完毕，产物用甲醇重结晶除盐，干燥得到草铵膦116公斤，绝对含量96.5％，收率83.1％。
实施例5
将13.80g(0.0687mol)的3-烯-2-(N-叔丁氧羰基氨基)丁酸(绝对含量为97.2％)与20毫升二氯乙烷溶解完全，装入恒压漏斗；氮气保护下，将20毫升的二氯乙烷加入到8.19g甲基二氯化膦(98％，精馏所得)加入到100毫升的反应瓶中，控制反应温度在75～80℃，恒压漏斗滴加混合液，30分钟内滴加完毕，80℃保温反应1.5小时，取样检测，证明已经反应完毕，得到第二反应液；将所得第二反应液降温至0～30℃范围内，搅拌条件下，缓慢滴加水3.8克，滴加完毕后，再快速加入6.0克水，再在20～30℃保温反应1小时，不再有气泡冒出时，检测酰胺已经水解完毕，缓慢加入30％的氢氧化钠36.6克，得到第三反应液。将第三反应液进行分相，分离出下层有机相，回收二氯乙烷溶；上层水相转入另外一个100毫升烧瓶中，通入氨气3.0克(过量)左右，控制反应温度在30℃左右，通入完毕，反应液转入蒸馏釜，蒸馏完毕，产物用甲醇重结晶除盐，干燥得到草铵膦12.23克，绝对含量96.5％，收率87.6％。
实施例6
向100毫升反应瓶中加入40毫升甲基环己烷，再加入13.81g(0.0687mol)的3-烯-2-(N-叔丁氧羰基氨基)丁酸(绝对含量为97.2％)，温度控制在70～80℃以内，再向其中滴加甲基二氯化膦8.19g(98％，精馏所得)，滴加完毕后，逐渐升温至回流，并保温反应6小时，取样检测，证明已经反应完毕，得到第二反应液；将所得第二反应液降温至0～30℃范围内，搅拌条件下，缓慢滴加水3.8克，滴加完毕后，再快速加入6.0克水，再在20～30℃保温反应1小时，不再有气泡冒出时，检测酰胺已经水解完毕，缓慢加入30％的氢氧化钠36.6克，得到第三反应液。将第三反应液进行分相，上层有机相弃去；下层水相转入另外一个100毫升烧瓶中，通入氨气3.0克(过量)左右，控制反应温度在30℃左右，通入完毕，反应液转入蒸馏釜，蒸馏完毕，产物用甲醇重结晶除盐，干燥得到草铵膦12.3克，绝对含量96.5％，收率88.7％。
实施例7
将200升甲苯和90.67kg(686.5mol)的N-乙酰基-2-氨基丁烯酸(绝对含量为97％)加到反应釜中；升温至90℃，温度控制在80～90℃以内，将甲基二氯化膦81.9kg(98％，精馏所得)逐渐滴加进入反应釜中，滴加完毕后，将反应液在85～90℃保温反应1小时，再升温至回流反应1小时，取样检测，证明已经反应完毕，得到第二反应液；趁热将所得第二反应液放入另外一个1000升反应釜，控制温度在0～30℃范围内，搅拌条件下，缓慢滴加水38.2公斤，滴加完毕后，再加入60公斤水，再升温至回流反应3～4小时，检测酰胺已经水解完毕，再缓慢加入30％的氢氧化钠365公斤，得到第三反应液；将第三反应液转入另外一个1000升的分相釜，反应液降温至室温，冷却分相，上层有机相干燥后循环套用，下层水相转入另外一个1000升反应釜，并向其中通入氨气23.3公斤，控制反应温度在30℃左右，通入完毕，反应液转入蒸馏釜，蒸馏完毕，产物用甲醇重结晶除盐，干燥，得到草铵膦113公斤，绝对含量97％，收率80.9％。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种简洁的草铵膦合成方法，其特征在于，包括如下步骤：以甲基二氯化膦、2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸为原料进行反应，得到中间体2-R基甲酰氨基-4-(甲基膦酰氯)丁酰氯，并将该中间体依次进行水解、氨化，即得草铵膦；
所述甲基二氯化膦、2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸按如下反应式(Ⅰ)或反应式(Ⅱ)进行反应：
其中，R为氢、C1～C6的烷基、烷氧基或苯基。
2.根据权利要求1所述简洁的草铵膦合成方法，其特征在于，R为氢、甲基或C1～C3的烷氧基。
3.根据权利要求1或2所述简洁的草铵膦合成方法，其特征在于，所述甲基二氯化膦与2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的反应温度为-20～120℃。
4.根据权利要求2所述简洁的草铵膦合成方法，其特征在于，所述甲基二氯化膦与2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的反应温度为70～90℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述简洁的草铵膦合成方法，其特征在于，所述甲基二氯化膦与2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸反应的摩尔比为(1-1.5):1。
6.根据权利要求5所述简洁的草铵膦合成方法，其特征在于，所述甲基二氯化膦与2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸反应的摩尔比为(1-1.05):1。
7.根据权利要求1-6任一项所述简洁的草铵膦合成方法，其特征在于，以2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的无水惰性溶液与甲基二氯化膦进行反应，得到中间体2-R基甲酰氨基-4-(甲基膦酰氯)丁酰氯；
其中，2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的无水惰性溶液的制备方法如下：将2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸溶解于惰性溶剂中，即可；且2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸的无水惰性溶剂中的溶质在-10～10℃内处于完全溶解状态，并使得所得中间体处于溶解状态。
8.根据权利要求7所述简洁的草铵膦合成方法，其特征在于，所述惰性溶剂为取代芳香烃、烷烃类溶剂、醚类溶剂、酯类溶剂、非烯烃类卤代烷烃中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述简洁的草铵膦合成方法，其特征在于，所述惰性溶剂为甲苯、二甲苯、石油醚、甲基环己烷、环己烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、甲基环戊基醚、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、乙酸丁酯、乙酸仲丁酯、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯丙烷中的一种或多种。
10.根据权利要求1-9任一项所述简洁的草铵膦合成方法，其特征在于，以甲基二氯化膦、2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸为原料，将甲基二氯化膦滴加入2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸中进行反应，或将2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸滴加入甲基二氯化膦中进行反应，或将甲基二氯化膦与2-R基甲酰氨基-3-烯-丁酸按配比加入到反应器中进行反应，得到中间体2-R基甲酰氨基-4-(甲基膦酰氯)丁酰氯。
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