CN111372553A - 制备含膦酰基-磷酸根的化合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备膦酰基‑磷酸根化合物的方法。所述方法涉及将包含膦酸、膦酸根或它们的混合物的第一组分与包含磷酸或磷酸根的来源的第二组分混合的第一步骤。所述混合物的所述第一组分与所述第二组分的摩尔磷比率为1∶1至1∶10。所述第二步骤涉及将所述混合物物理或化学脱水,以产生膦酰基‑磷酸根化合物。
Description
技术领域
本发明涉及制备含膦酰基-磷酸根的化合物的新型方法。更具体地,本发明公开了制备包含膦酸或膦酸根的第一组分与包含磷酸或磷酸根的来源的第二组分的混合物,并且使该混合物脱水。
背景技术
与溶液中的多价阳离子以及与含多价阳离子的表面相互作用的化学结构对于操纵这些体系是有用的。例如,多磷酸盐和焦磷酸盐已被用作衣物洗涤和盘碟制剂中的助洗剂,以控制钙并用于钻探泥浆中,以防止沉淀。它们也已被用于口腔护理行业中,以帮助控制牙垢并减小牙齿上的薄膜层的厚度,从而产生光滑的牙齿感觉。类似地,双膦酸盐和羟基-双膦酸盐由于它们与钙羟基磷灰石表面的强相互作用而成为骨质疏松药物中的活性组分,并且还用作盘碟洗涤液和锅炉体系中的晶体生长抑制剂。这些示例中的每一个均具有固有的局限性。多磷酸盐易于在所有pH下随时间推移在水溶液中降解,最终致使溶液中的正磷酸根增加。多磷酸盐本质上也为相当阴离子的,并且不溶于非极性有机体系。然而,多磷酸盐通常可安全食用,并且可在不同的食物产品中使用。相反,双膦酸盐和羟基-双膦酸盐在水中长时间稳定,并且可根据连接到双膦酸盐碳的有机基团的性质,使其在有机体系中相当可溶。然而,双膦酸盐为骨活性的,并且因此不能用于其中它们由于其强效药理学而可能被意外食用的食物或其它体系中。包含分子量不足以穿过肠壁的双膦酸盐的聚合物将可能不具有骨活性,然而可穿过肠壁的任何低分子量残余单体或低聚物使得此类聚合物的使用在潜在可食用环境中受到限制。此外,由于双膦酸盐不易分解,因此它们的活性在使用后可在环境中持续存在。
因此,仍然需要一种制备磷酸根样组合物的方法,该磷酸根样组合物与溶液中的多价阳离子以及与含多价阳离子的表面相互作用,不易降解,并且对于人类食用为安全的。
发明内容
已惊奇地发现,膦酰基-磷酸根化学基团改善了多磷酸盐和双膦酸盐的问题,同时发现在类似体系中的效用。具体地,含膦酰基-磷酸根基团的组合物、含膦酰基-磷酸根基团的单体以及含膦酰基-磷酸根基团的聚合物,无论是通过掺入含膦酰基-磷酸根基团的单体,还是通过后聚合反应改性以添加膦酰基-磷酸根基团,均可用于其中使用含多磷酸盐和双膦酸盐的结构的多种应用中。此类应用通常包括其中在溶液中和在含二价阳离子的表面上均涉及与多价阳离子的结合作用的那些应用。含膦酰基-磷酸根的结构也可用于多磷酸盐和双膦酸盐用途有限的应用中。膦酰基-磷酸根基团是有条件地稳定的,并且将仅在酸性或催化条件下释放磷酸根。因此,膦酰基-磷酸根基团比多磷酸盐更稳定,但不如双膦酸盐稳定。这使得制剂能够进入其中必须具有非有害食用效果和水稳定性的体系中。此外,连接到膦酰基-磷酸根基团的有机基团或聚合物可使得整个分子可溶于有机溶剂中,或者用于向整个分子添加附加的官能度。
本发明公开了一种制备膦酰基-磷酸根化合物的方法。该方法涉及将包含膦酸、膦酸根或它们的混合物的第一组分与包含磷酸或磷酸根的来源的第二组分混合的第一步骤。该混合物的第一组分与第二组分的摩尔磷比率为1∶1至1∶10。第二步骤涉及将混合物物理脱水以产生具有式1的结构的膦酰基-磷酸根化合物:
其中:
ε为与碳原子的连接位点;
R1选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐、胺阳离子盐和式2的结构:
其中:
δ为与式1的连接位点,
R4和R5独立地选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐和胺阳离子盐;
R2选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐、胺阳离子盐和式3的结构:
其中:
δ为与式1的连接位点,
R6和R7独立地选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐和胺阳离子盐,并且
n为1至2的整数;并且
R3选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐和胺阳离子盐。
在某个实施方案中,物理脱水通过水的蒸发来实现。在另一个实施方案中,水的蒸发在高于100℃的温度下进行。在一个实施方案中,水的蒸发在低于大气压的压力下进行。在另一个实施方案中,水的蒸发借助于吹扫气体进行。在某个实施方案中,水的蒸发在高于100℃的温度和低于大气压的压力下进行。在另一个实施方案中,水的蒸发在高于100℃的温度下、在低于大气压的压力下并借助于吹扫气体进行。
在某个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源选自由以下项组成的组:磷酸、磷酸二氢盐、磷酸一氢盐、磷酸盐、焦磷酸、焦磷酸三氢盐、焦磷酸二氢盐、焦磷酸一氢盐、焦磷酸盐、三磷酸、三磷酸四氢盐、三磷酸三氢盐、三磷酸二氢盐、三磷酸一氢盐、三磷酸盐、五氧化二磷和水的混合物,以及它们的混合物。在另一个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为磷酸。在一个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为五氧化二磷和水的混合物。在另一个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为磷酸、五氧化二磷和水。
在另选的实施方案中,本发明公开了一种制备膦酰基-磷酸根化合物的方法。该方法涉及将包含膦酸、膦酸根或它们的混合物的第一组分与包含磷酸或磷酸根的来源的第二组分混合的第一步骤。该混合物的第一组分与第二组分的摩尔磷比率为1∶1至1∶10。第二步骤涉及将混合物化学脱水以产生具有式1的结构的膦酰基-磷酸根化合物:
其中:
ε为与碳原子的连接位点;
R1选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐、胺阳离子盐和式2的结构:
其中:
δ为与式1的连接位点,
R4和R5独立地选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐和胺阳离子盐;
R2选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐、胺阳离子盐和式3的结构:
其中:
δ为与式1的连接位点,
R6和R7独立地选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐和胺阳离子盐,并且
n为1至2的整数;并且
R3选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐和胺阳离子盐。
在某个实施方案中,化学脱水通过与化学脱水剂的化学反应来实现。在另一个实施方案中,化学脱水剂为五氧化二磷。在一个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源选自由以下项组成的组:磷酸、磷酸二氢盐、磷酸一氢盐、磷酸盐、焦磷酸、焦磷酸三氢盐、焦磷酸二氢盐、焦磷酸一氢盐、焦磷酸盐、三磷酸、三磷酸四氢盐、三磷酸三氢盐、三磷酸二氢盐、三磷酸一氢盐、三磷酸盐、五氧化二磷和水的混合物,以及它们的混合物。在某个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为磷酸。在另一个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为五氧化二磷和水的混合物。在一个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为磷酸、五氧化二磷和水。在某个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为五氧化二磷和水的混合物,并且化学脱水通过使用化学脱水剂来实现,其中化学脱水剂为五氧化二磷。
在某个实施方案中,该方法还涉及用包含Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe、Sn或胺阳离子的碱性盐中和脱水混合物的步骤。在另一个实施方案中,该方法还涉及以下步骤:c)用胺阳离子中和脱水混合物,并且还使所得混合物与包含Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn的碱性盐反应,以形成金属膦酰基-磷酸盐。在另一个实施方案中,该方法还涉及以下步骤:d)从溶液中沉淀金属膦酰基-磷酸盐。
通过阅读本公开内容,本发明的这些和其它特征、方面和优点将对于本领域的技术人员变得显而易见。
具体实施方式
虽然说明书最后由权利要求书具体地指出并清楚地要求保护本发明,但据信本发明将由以下说明更好地理解本发明。
除非另外指明,否则本文所有百分数均按所述组合物的摩尔数计。
除非另外指明,否则所有比率均为摩尔比。
除非另外指明,本文提及的所有成分的百分比、比率和含量均基于该成分按摩尔计的实际量,并且不包括作为可商购获得的产品可与这些成分组合的溶剂、填料或其它物质。
如本文所用,“包含(comprising)”意指可加入不影响最终结果的其它步骤和其它成分。该术语涵盖术语“由……组成”和“基本上由……组成”。
所有引用的参考文献均全文引入本文以供参考。任何文献的引用并不是对其作为受权利要求书保护的本发明现有技术的可获得性的认可。
定义
术语“位点”或“连接位点”或“连接点”均是指在化学基团或限定的结构实体内具有开放价态的原子,该原子被指定带有符号诸如简单的短横线(-)或后接短横线或直线的小写希腊字母(例如,α-、β-等),以指示如此指定的原子经由化学键连接至独立化学基团中的另一原子。当跨化学键垂直绘制时,符号
也指示化学基团的连接点。应当注意,通常仅以这种方式识别较大化学基团的连接点,以便明确地帮助读者识别与键从其延伸的原子的连接点。第一化学基团或定义的结构实体上的连接位点或连接点经由单、双或三共价键连接到第二化学基团或定义的结构实体上的连接位点或连接点,以便满足所连接的原子的正常化合价。
当与化学基团一起使用时,术语“自由基”指示任何连接的原子基团,诸如甲基基团、羧基基团或作为较大分子的一部分的膦酰基-磷酸根基团。
当在化学基团的语境中使用时:“氢”意指-H;“羟基”意指-OH;“氧代基”意指=O;“羰基”意指-C(=O)-;“羧基”和“羧酸根”意指-C(=O)OH(也写为-COOH或-CO2H)或其去质子化形式;“氨基”意指-NH2;“羟氨基”意指-NHOH;“硝基”意指-NO2;“亚氨基”意指=NH;“氧化胺”意指N+O-,其中N与除了O之外的原子具有三个共价键;“异羟肟的”或“异羟肟酸根”意指-C(O)NHOH或其去质子化形式;在单价的语境中,“磷酸根”意指-OP(O)(OH)2或其去质子化形式;在二价的语境中,“磷酸根”意指-OP(O)(OH)O-或其去质子化形式;“膦酸根”意指C-P(O)(OH)2或其去质子化形式,其中C具有正常的四价并与除了P之外的原子具有三个共价键;“膦酰基-磷酸根”是指通过共享氧原子与至少一个磷酸根化学键合的膦酸根,诸如但不限于膦酰基-单磷酸根C-P(O)(OH)OP(O)(OH)2、膦酰基-二磷酸根C-P(O)(OP(O)(OH)2)OP(O)(OH)2、膦酰基-环二磷酸根膦酰基-焦磷酸根C-P(O)(OH)OP(O)(OH)OP(O)(OH)2和膦酰基-多磷酸根C-P(O)(OH)(OP(O)(OH))nOP(O)(OH)2,其中n为介于1和100之间的整数或其去质子化形式,其中C具有正常的四价并与除了P之外的原子具有三个共价键;“次膦酸根”意指C-P(O)(OH)(C)或其去质子化形式,其中两个C均具有正常的四价并与除了P之外的原子具有三个附加键;“硫酸根”意指-OS(O)2OH或其去质子化形式;“磺酸根”意指CS(O)2OH或其去质子化形式,其中C具有正常的四价并与除了S之外的原子具有三个附加键;“亚磺酸根”意指CS(O)OH或其去质子化形式,其中C具有正常的四价并与除了S之外的原子具有三个附加键;“巯基”意指-SH;“硫基”意指=S;“磺酰基”意指-S(O)2-;并且“亚磺酰基”意指-S(O)-。
对于以下化学基团和类别,以下括号内的下标进一步将化学基团/类别定义如下:“(Cn)”定义化学基团/类别中碳原子的确切数目(n)。“(C≤n)”定义了可在化学基团/类别中的碳原子的最大数目(n),其中所考虑的化学基团的最小数目尽可能小,例如,应当理解,化学基团“链烯基(C≤8)”或化学类别“链烯(C≤8)”中的碳原子的最小数目为2。例如,“烷氧基(C≤8)”指定具有1至8个碳原子的那些烷氧基基团。(Cn-n')定义化学基团中碳原子的最小数目(n)和最大数目(n')。类似地,烷基(C2-8)指定具有2至8个碳原子(包括2至8个碳原子)的那些烷基基团。
术语“阳离子”是指具有净正电荷的原子、分子或化学基团,包括单电荷和多电荷物质。阳离子可为单个原子诸如金属,非限制性示例包括Na+或Ca+2,单个分子,非限制性示例包括(CH3)4N+,或化学基团,非限制性示例包括-N(CH3)3 +。术语“胺阳离子”是指NR4 +形式的特定分子阳离子,其中四个取代R部分可独立地选自H和烷基,非限制性示例包括NH4 +(铵)、CH3NH-3 +(甲基铵)、CH3CH2NH3 +(乙基铵)、(CH3)2NH2 +(二甲基铵)、(CH3)3NH+(三甲基铵)和(CH3)4N+(四甲基铵)。
术语“阴离子”是指具有净负电荷的原子、分子或化学基团,包括单电荷和多电荷物质。阴离子可为单个原子,例如但不限于卤化物F-、Cl-、Br-,单个分子,非限制性示例包括CO3 -2、H2PO4 -、HPO4 -2、PO4 -3、HSO4 -、SO4 -2,或化学基团,非限制性示例包括硫酸根、磷酸根、磺酸根、膦酸根、次膦酸根、磺酸根、巯基、羧酸根、氧化胺、异羟肟酸根和羟氨基。如果移除质子得到净负电荷,则先前定义的化学基团的去质子化形式被认为是阴离子基团。在溶液中,根据Henderson-Hasselbach公式(pH=pKa+log10([A-]/[HA]);其中[HA]为未解离酸的摩尔浓度,并且[A-]为该酸的共轭碱的摩尔浓度),化学基团能够失去一个质子而变成作为pH的函数的阴离子。当溶液的pH等于官能团的pKa值时,50%的官能团将为阴离子,而剩余的50%将具有质子。通常,如果pH处于或高于官能团的pKa,则溶液中的官能团可被认为是阴离子的。
术语“盐”是指一种或多种阴离子和阳离子的电中性组合。例如,当R表示为羧酸根基团的盐-COOR时,应当理解,羧酸根(-COO-)为具有负电荷-1的阴离子,并且R为具有正电荷+1以与具有电荷-1的一个阴离子形成电中性实体的阳离子,或者R为具有正电荷+2以与均具有电荷-1的两个阴离子形成电中性实体的阳离子。
如本文所用,术语“饱和”是指如此修饰的化学化合物或基团不具有碳-碳双键并且不具有碳-碳三键,除非如下所述。就饱和化学基团的取代型式而言,可存在一个或多个碳氧双键或碳氮双键。当存在此类键时,则不排除碳-碳双键可作为酮-烯醇互变异构或亚胺/烯胺互变异构的一部分出现。
术语“脂族”在没有修饰词“取代”的情况下使用时表示如此修饰的化学化合物/基团是无环或环状的,但为非芳烃化学化合物或基团。在脂族化学化合物/基团中,碳原子可以直链、支链或非芳环(脂环烃)形式连接在一起。脂族化学化合物/基团可以为饱和的,即通过单键(烷烃/烷基)连接;也可以为不饱和的,即具有一个或多个双键(链烯/链烯基)或具有一个或多个三键(炔烃/炔基)。
术语“烷基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指以碳原子作为连接点的一价饱和脂族基团,其具有直链或支链、环、环状或无环结构,并且不具有除碳和氢之外的原子。因此,如本文所用,环烷基是烷基的子集,其中形成连接点的碳原子也是一个或多个非芳族环结构的成员,其中环烷基基团不包含除碳和氢之外的原子。如本文所用,该术语不排除连接到该环或环系的(碳数限制允许的)一个或多个烷基基团的存在。基团-CH3(Me)、-CH2CH3(Et)、-CH2CH3(n-Pr或丙基)、-CH(CH3)2(i-Pr、'Pr或异丙基)、-CH(CH2)2(环丙基)、-CH2CH2CH2CH3(n-Bu)、-CH(CH3)CH2CH3(仲丁基)、-CH2CH(CH3)2(异丁基)、-C(CH3)3(叔丁基、t-butyl、t-Bu或tBu)、-CH2C(CH3)3(新戊基)、环丁基、环戊基、环己基和环己基甲基为烷基基团的非限制性示例。术语“链烷二基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指以一个或两个饱和碳原子作为连接点的二价饱和脂族基团,其具有直链或支链、环、环状或无环结构,不具有碳-碳双键或三键,并且不具有除碳和氢之外的原子。基团-CH2-(亚甲基)、-CH2CH2-、-CH2C(CH3)2CH2-和-CH2CH2CH2-为链烷二基基团的非限制性示例。术语“烷叉基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指二价基团=CRR',其中R和R’独立地为氢、烷基,或者R和R’合在一起表示具有至少两个碳原子的链烷二基。烷叉基基团的非限制性示例包括:=CH2、=CH(CH2CH3)和=C(CH3)2。“烷烃”是指化合物H-R,其中如上对该术语的定义,R为烷基。当这些术语中的任一个与修饰词“取代”一起使用时,一个或多个氢原子已独立地被-OH、-F、-Cl、-Br、-I、-NH2、-CO2H、-CO2CH3、-CN、-SH、-OCH3、-OCH2CH3、-C(O)CH3、-NHCH3、-NHCH2CH3、-N(CH3)2、-C(O)NH2、-OC(O)CH3、-S(O)2NH2、-P(O)(OH)2、-P(O)(OH)OP(O)(OH)2、-OP(O)(OH)2、-OP(O)(OH)OP(O)(OH)2、-S(O)2(OH)或-OS(O)2(OH)取代。以下基团为取代的烷基基团的非限制性示例:-CH2OH、-CH2Cl、-CF3、-CH2CN、-CH2C(O)OH、-CH2C(O)OCH3、-CH2C(O)NH2、-CH2C(O)CH3、-CH2OCH3、-CH2OC(O)CH3、-CH2NH2、-CH2N(CH3)2、-CH2CH2Cl、-CH2P(O)(OH)2、-CH2P(O)(OH)OP(O)(OH)2、-CH2S(O)2(OH)和-CH2OS(O)2(OH)。术语“卤代烷基”为取代的烷基的子集,其中一个或多个氢原子已被卤素基团取代,并且不存在除碳、氢和卤素之外的其他原子。基团-CH2Cl为卤代烷基的非限制性示例。术语“氟代烷基”为取代的烷基的子集,其中一个或多个氢已被氟基团取代,并且不存在除碳、氢和氟之外的其他原子。基团-CH2F、-CF3和-CH2CF3为氟代烷基基团的非限制性示例。
术语“化学脱水”意指通过使水与第二化学物质反应以产生不含游离水的产物来降低一相中水的浓度。将相化学脱水的一个非限制性示例为水与羧酸酐诸如乙酸酐的反应,其中产物为两种羧酸,在这种情况下为两种乙酸。第二非限制性示例为与其中氧与磷的比率小于4的磷氧化物,诸如O∶P比率为7∶2的焦磷酸,或O∶P比率为5∶2的磷酸酐(P2O5,五氧化二磷)的反应。第三非限制性示例为脱水盐诸如MgSO4,其在与水反应时产生不含游离水的水合形式。第四非限制性示例为氧化态为零的活性金属,诸如Na金属。
术语“膦酰基烷基”为取代的烷基的子集,其中一个或多个氢已被膦酸根基团取代,并且不存在除碳、氢、磷和氧之外的其他原子。基团-CH2P(O)(OH)2和-CH2CH2P(O)(OH)2以及它们对应的去质子化形式为膦酰基烷基的非限制性示例。
术语“膦酰基(磷酸根)烷基”为取代的烷基的子集,其中一个或多个氢已被膦酰基-磷酸根基团取代,并且不存在除碳、氢、磷和氧之外的其他原子。基团-CH2P(O)(OH)OP(O)(OH)2和-CH2CH2P(O)(OH)OP(O)(OH)2以及它们对应的去质子化形式为膦酰基(磷酸根)烷基的非限制性示例。
术语“物理脱水”意指通过移除至另一相来降低一相中水的浓度。将相物理脱水的示例包括蒸发(水从液相移除至气相)、吸附(水从液相移除至固相表面)、萃取(水从液相移除至独立不混溶液相)、结晶(水从液相移除至固相)。
术语“磺酰基烷基”为取代的烷基的子集,其中一个或多个氢已被磺酸根基团取代,并且不存在除碳、氢、硫和氧之外的其他原子。基团-CH2S(O)2OH和-CH2CH2S(O)2OH以及它们对应的去质子化形式为磺酰基烷基的非限制性示例。
术语“链烯基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指具有一个碳原子作为连接点的一价不饱和脂族基团,其具有直链或支链、环、环状或无环结构、至少一个非芳族碳-碳双键,不具有碳-碳三键并且不具有除碳和氢之外的原子。链烯基基团的非限制性示例包括:-CH=CH2(乙烯基)、-C(CH3)=CH2(甲基-乙烯基)、-CH=CHCH3、-CH=CHCH2CH3、-CH2CH=CH2(烯丙基)、-CH2CH=CHCH3和-CH=CHCH=CH2。术语“链烯二基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指具有两个碳原子作为连接点的二价不饱和脂族基团,其具有直链或支链、环、环状或无环结构、至少一个非芳族碳-碳双键,不具有碳-碳三键并且不具有除碳和氢之外的原子。基团>C=CH2(亚乙烯基)、-CH=CH-、-CH=C(CH3)CH2-和-CH=CHCH2-为链烯二基基团的非限制性示例。需注意,虽然链烯二基基团为脂族,但一旦在两个末端处连接,则不排除该基团形成芳族结构的一部分。术语“链烯”或“烯烃”是同义的,并且是指具有式H-R的化合物,其中如上对该术语的定义,R为链烯基。“末端链烯”是指具有仅一个碳-碳双键的链烯,其中该键在分子的一端形成乙烯基基团。当这些术语中的任一个与修饰词“取代”一起使用时,一个或多个氢原子已独立地被-OH、-F、-Cl、-Br、-I、-NH、-NO2、-CO2H、-CO2CH3、-CN、-SH、-OCH3、-OCH2CH3、-C(O)CH3、-NHCH3、-NHCH2CH3、-N(CH3)2、-C(O)NH2、-OC(O)CH3或-S(O)2NH2取代。基团-CH=CHF、-CH=CHCl和-CH=CHBr为取代的链烯基基团的非限制性示例。
术语“炔基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指具有一个碳原子作为连接点的一价不饱和脂族基团,其具有直链或支链、环、环状或无环结构、至少一个碳-碳三键,并且不具有除碳和氢之外的原子。如本文所用,术语炔基不排除一个或多个非芳族碳-碳双键的存在。基团-C≡CH、-C≡CCH3和-CH2C≡CCH3为炔基基团的非限制性示例。“炔烃”是指化合物H-R,其中R为炔基。当这些术语中的任一个与修饰词“取代”一起使用时,一个或多个氢原子已独立地被-OH、-F、-Cl、-Br、-I、-NH2、-NO2、-CO2H、-CO2CH3、-CN、-SH、-OCH3、-OCH2CH3、-C(O)CH3、-NHCH3、-NHCH2CH3、-N(CH3)2、-C(O)NH2、-OC(O)CH3或-S(O)2NH2取代。
术语“芳基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指具有一个芳族碳原子作为连接点的一价不饱和芳族基团,所述碳原子形成一个或多个六元芳族环结构的一部分,其中环原子全部为碳,并且其中基团不包含除碳和氢之外的原子。如果存在多于一个环,则这些环可为稠合的或未稠合的。如本文所用,该术语不排除连接到第一芳族环或存在的任何另外的芳族环的(碳数限制允许的)一个或多个烷基或芳烷基基团的存在。芳基基团的非限制性示例包括苯基(-Ph)、甲基苯基、(二甲基)苯基、-C6H4CH2CH3(乙基苯基)、萘基和衍生自联苯基的一价基团。术语“芳二基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指具有两个芳族碳原子作为连接点的二价芳族基团,所述碳原子形成一个或多个六元芳族环结构的一部分,其中环原子全部为碳,并且其中一价基团不包含除碳和氢之外的原子。如本文所用,该术语不排除连接到第一芳族环或存在的任何另外的芳族环的(碳数限制允许的)一个或多个烷基、芳基或芳烷基基团的存在。如果存在多于一个环,则这些环可为稠合的或未稠合的。未稠合的环可经由(碳数限制允许的)以下中的一者或多者连接:共价键、链烷二基或链烯二基基团。芳二基基团的非限制性示例包括:
“芳烃”是指化合物H-R,其中如上对该术语的定义,R为芳基。苯和甲苯为芳烃的非限制性示例。当这些术语中的任一个与修饰词“取代”一起使用时,一个或多个氢原子已独立地被-OH、-F、-Cl、-Br、-I、-NH2、-NO2、-CO2H、-CO2CH3、-CN、-SH、-OCH3、-OCH2CH3、-C(O)CH3、-NHCH3、-NHCH2CH3、-N(CH3)2、-C(O)NH2、-OC(O)CH3或-S(O)2NH2取代。
术语“酰基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指基团-C(O)R,其中如上文对那些术语的定义,R为氢、烷基、芳基、芳烷基或杂芳基。基团-CHO(甲酰基)、-C(O)CH3(乙酰基,Ac)、-C(O)CH2CH3、-C(O)CH2CH2CH3、-C(O)CH(CH3)2、-C(O)CH(CH2)2、-C(O)C6H5、-C(O)C6H4CH3、-C(O)CH2C6H5、-C(O)(咪唑基)为酰基基团的非限制性示例。以类似的方式定义“硫代酰基”,不同的是基团-C(O)R的氧原子已被硫原子取代成为-C(S)R。如上所定义,术语“醛”对应于烷烃,其中氢原子中的至少一个已被-CHO基团取代。当这些术语中的任一个与修饰词“取代”一起使用时,一个或多个氢原子(包括直接连接羰基或硫代羰基基团的氢原子,如果有的话)已独立地被-OH、-F、-Cl、-Br、-I、-NH2、-NO2、-CO2H、-CO2CH3、-CN、-SH、-OCH3、-OCH2CH3、-C(O)CH3、-NHCH3、-NHCH2CH3、-N(CH3)2、-C(O)NH2、-OC(O)CH3或-S(O)2NH2取代。基团-C(O)CH2CF3、-CO2H(羧基)、-CO2CH3(甲基羧基)、-CO2CH2CH3、-C(O)NH2(氨甲酰基)和-CON(CH3)2为取代的酰基基团的非限制性示例。
术语“烷氧基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指基团-OR,其中如上文对该术语的定义,R为烷基。烷氧基基团的非限制性示例包括:-OCH3(甲氧基)、-OCH2CH3(乙氧基)、-OCH2CH2CH3、-OCH(CH3)2(异丙氧基)、-O(CH3)3(叔丁氧基)、-OCH(CH2)2、-O-环戊基和-O-环己基。术语“烯氧基”、“炔氧基”、“芳氧基”、“芳烷氧基”、“杂芳氧基”、“杂环烷氧基”和“酰氧基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指定义为-OR的基团,其中R分别为烯基、炔基、芳基、芳烷基、杂芳基、杂环烷基和酰基。术语“烷氧基二基”是指二价基团-O-链烷二基-、-O-链烷二基-O-或-链烷二基-O-链烷二基-。术语“链烷二基-烷氧基”是指-链烷二基-O-烷基。链烷二基-烷氧基的非限制性示例为-CH2-CH2-O-CH2-CH3。术语“烷硫基”和“酰硫基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指基团-SR,其中R分别为烷基和酰基。术语“醇”对应于如上定义的烷烃,其中至少一个氢原子已被羟基基团取代。术语“醚”对应于如上定义的烷烃,其中至少一个氢原子已被烷氧基基团取代。当这些术语中的任一个与修饰词“取代”一起使用时,一个或多个氢原子已独立地被-OH、-F、-Cl、-Br、-I、-NH2、-NO2、-CO2H、-CO2CH3、-CN、-SH、-OCH3、-OCH2CH3、-C(O)CH3、-NHCH3、-NHCH2CH3、-N(CH3)2、-C(O)NH2、-OC(O)CH3或-S(O)2NH2取代。
术语“烷基氨基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指基团-NHR,其中如上文对该术语的定义,R为烷基。烷基氨基基团的非限制性示例包括:--NHCH3和-NHCH2CH3。术语“二烷基氨基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指基团-NRR',其中R和R'可以是相同或不同的烷基,或者R和R'可以合在一起表示链烷二基。二烷基氨基基团的非限制性示例包括:-N(CH3)2、-N(CH3)(CH2CH3)和N-吡咯烷基。术语“烷氧基氨基”、“链烯基氨基”、“炔基氨基”、“芳氨基”、“芳烷基氨基”、“杂芳氨基”、“杂环烷基氨基”和“烷基磺酰基氨基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指定义为-NHR的基团,其中R分别为烷氧基、链烯基、炔基、芳基、芳烷基、杂芳基、杂环烷基和烷基磺酰基。芳氨基基团的非限制性示例为--NHC6H5。术语“酰氨基”(酰基氨基)在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指基团-NHR,其中如上文对该术语的定义,R为酰基。酰氨基基团的非限制性示例为--NHC(O)CH3。术语“烷基亚氨基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指二价基团=NR,其中如上文对该术语的定义,R为烷基。术语“烷基氨基二基”是指二价基团-NH-链烷二基-、-NH-链烷二基-NH-或-链烷二基-NH-链烷二基-。当这些术语中的任一个与修饰词“取代”一起使用时,一个或多个氢原子已独立地被-OH、-F、-Cl、-Br、-I、-NH2、-NO2、-CO2H、-CO2CH3、-CN、-SH、-OCH3、-OCH2CH3、-C(O)CH3、-NHCH3、-NHCH2CH3、-N(CH3)2、-C(O)NH2、-OC(O)CH3或-S(O)2NH2取代。基团-NHC(O)OCH3和-NHC(O)NHCH3为取代的酰氨基基团的非限制性示例。
术语“烷基磺酰基”和“烷基亚磺酰基”在没有修饰词“取代”的情况下使用时分别是指基团-S(O)2R和-S(O)R,其中如上文对该术语的定义,R为烷基。以类似的方式定义术语“链烯基磺酰基”、“炔基磺酰基”、“芳基磺酰基”、“芳烷基磺酰基”、“杂芳基磺酰基”和“杂环烷基磺酰基”。当这些术语中的任一个与修饰词“取代”一起使用时,一个或多个氢原子已独立地被-OH、-F、-Cl、-Br、-I、-NH、-NO2、-CO2H、-CO2CH3、-CN、-SH、-OCH3、-OCH2CH3、-C(O)CH3、-NHCH3、-NHCH2CH3、-N(CH3)2、-C(O)NH2、-OC(O)CH3或-S(O)2NH2取代。
术语“烷基磷酸根”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指基团-OP(O)(OH)(OR)或其去质子化形式,其中如上文对该术语的定义,R为烷基。烷基磷酸根基团的非限制性示例包括:-OP(O)(OH)(OMe)和-OP(O)(OH)(OEt)。术语“二烷基磷酸根”在没有修饰词“取代”的情况下使用时是指基团-OP(O)(OR)(OR'),其中R和R'可以是相同或不同的烷基,或者R和R'可以合在一起表示链烷二基。二烷基磷酸根基团的非限制性示例包括:--OP(O)(OMe)2、-OP(O)(OEt)(OMe)和-OP(O)(OEt)2。当这些术语中的任一个与修饰词“取代”一起使用时,一个或多个氢原子已独立地被-OH、-F、-Cl、-Br、-I、-NH2、-NO2、-CO2H、-CO2CH3、-CN、-SH、-OCH3、-OCH2CH3、-C(O)CH3、-NHCH3、-NHCH2CH3、-N(CH3)2、-C(O)NH2、-OC(O)CH3或-S(O)2NH2取代。
连接基团是指两个其他限定基团之间的共价键,或连接两个其他限定基团的一系列共价键合的原子,其中在一系列共价键合的原子中,除了连接到两个其他限定基团的位点以外,不具有开放价态。连接基团的非限制性示例包括共价键、链烷二基、链烯二基、芳二基、烷氧基二基和烷基氨基二基。
如本文所用,“手性助剂”是指能够影响反应的立体选择性的可移除手性基团。本领域的技术人员熟悉此类化合物,并且许多此类化合物是可商购获得的。
五氧化二磷意指CAS登记号为1314-56-3且化学组成为P2O5的化学物质。五氧化二磷(Phosphorous pentoxide)也称为二磷酸五氧化物(diphosphorous pentaoxide)、五氧化二磷(diphosphorous pentoxide)、磷酸酐(phosphoric acid anhydride)、磷酐(phosphoric anhydride)、磷氧化物(phosphoric oxide)、五氧化二磷(phosphoricpentoxide)、五氧化二磷(phosphoric pentaoxide)、磷氧化物(phosphorous oxide)、五氧化二磷(phosphorus pentaxode)和五氧化二磷(phosphorous pentoxide)。
本文所用的其它缩写如下:DMSO,二甲基亚砜;DMF,二甲基甲酰胺;MeCN,乙腈;MeOH,甲醇;EtOH,乙醇;EtOAc,乙酸乙酯tBuOH,叔丁醇;iPrOH,异丙醇;cHexOH,环己醇;Ac2O,乙酸酐;AcOOH,过乙酸;HCO2Et,甲酸乙酯;THF,四氢呋喃;MTBE,甲基叔丁基醚;DME,二甲氧基乙烷;NBS,N-溴代琥珀酰亚胺;CDI,羰基二咪唑;DIEA,二异丙基乙胺;TEA,三乙胺DMAP,二甲基氨基吡啶;NaOH,氢氧化钠;AAPH,2,2'-偶氮双(2-甲基丙脒)二盐酸盐;CTA,1-辛硫醇;APS,过硫酸铵;TMP,磷酸三甲酯;VPA,乙烯基膦酸;VPP,乙烯基膦酰基-单磷酸盐;VPPP,乙烯基膦酰基-焦磷酸盐;MVPP,甲基-乙烯基膦酰基-单磷酸盐;SVS,乙烯基磺酸钠;AMPS,2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸钠;SPA,3-磺丙基丙烯酸酯的钾盐;22A2MPA2HCl,2,2'-偶氮双(2-甲基丙脒)二盐酸盐;VBPP,(4-乙烯基苄基)单膦酰基-磷酸盐;VSME,乙烯基磺酸甲酯;NaOMe,甲醇钠;NaCl,氯化钠;DMVP,二甲基乙烯基膦酸盐
国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)将“单体分子”定义为“可经历聚合从而为大分子基本结构贡献结构单元的分子”。聚合物为大分子。
IUPAC将“聚合物主链”或“主链”定义为“所有其他链(长链或短链或这两者)可视为其侧基的线性链”,需注意,“在两条或多条链可等同地视为主链的情况下,选择使得分子表示最简单的链。”根据制备主链的原料,主链可具有不同的化学组成。来自化学合成和生物合成的聚合物的常见主链包括烷烃(通常来自乙烯基或甲基乙烯基聚合或阳离子和阴离子聚合)、聚酯(来自缩聚)、聚酰胺(诸如来自涉及酰胺化反应的聚合的多肽)以及来自环氧化物开环的聚乙氧基化物。
IUPAC将“侧基”或“侧部基团”定义为“来自主链的支链,既非低聚物也非聚合物”。此类侧基不包括线性重复单元。
IUPAC将“聚合物侧链”或“侧链”定义为“来自大分子链的低聚或聚合支链”,另外需注意,“低聚支链可被称为短支链”并且“聚合物支链可被称为长支链”。
将“后聚合改性”定义为在聚合后发生的聚合物的任何反应或处理。后聚合改性包括对聚合物主链、侧基或聚合物侧链内或连接到聚合物主链、侧基或聚合物侧链的化学基团的反应。
当与权利要求和/或说明书中的术语“包含(comprising)”一起使用时,词语“一个(a)”或“一种(an)”的使用可意指“一个(one)”,但它也与“一个或多个(one or more)”、“至少一个(at least one)”和“一个或多于一个(one or more than one)”的含义一致。
在整个本申请中,术语“约(about)”用于指示值包括装置的误差的固有变化、用于确定该值的方法或研究对象之间存在的变化。
术语“包含(comprise)”、“具有(have)”和“包括(include)”为开放式连接动词。这些动词中的一个或多个的任何形式或时态,诸如“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“具有(has)”、“具有(having)”、“包括(includes)”和“包括(including)”也为开放式的。例如,“包含(comprises)”、“具有(has)”或“包括(includes)”一个或多个步骤的任何方法不限于仅拥有那些一个或多个步骤且还涵盖其它未列出的步骤。
以上定义取代了通过引用方式并入本文的任何参考文献中的任何冲突定义。然而,某些术语被定义的事实不应被视为指示任何未定义的术语为不确定的。相反,据信所用的所有术语均以术语描述本发明,使得普通技术人员可理解本发明的范围并实践本发明。
制备聚合物的方法
在一个实施方案中,本发明的方法涉及将包含膦酸、膦酸根或它们的混合物的第一组分与包含磷酸或磷酸根的来源的第二组分混合的第一步骤。该混合物的第一组分与第二组分的摩尔磷比率为1∶1至1∶10。第二步骤涉及将混合物物理脱水以产生具有式1的结构的膦酰基-磷酸根化合物:
其中:
ε为与碳原子的连接位点;
R1选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐、胺阳离子盐和式2的结构:
其中:
δ为与式1的连接位点,
R4和R5独立地选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、
Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐和胺阳离子盐;
R2选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐、胺阳离子盐和式3的结构:
其中:
δ为与式1的连接位点,
R6和R7独立地选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐和胺阳离子盐,并且
n为1至2的整数;并且
R3选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐和胺阳离子盐。
在一个实施方案中,R1、R2和R3独立地选自由H、Na盐和K盐组成的组。在一个实施方案中,R1、R2和R3为H。
在另一个实施方案中,R1具有式2的结构。在另一个实施方案中,R1具有式2的结构,并且R4和R5独立地选自H、Na盐和K盐。在另一个实施方案中,R2具有式2的结构,并且R4和R5独立地选自H、Na盐、K盐、Zn盐、Ca盐、Sn盐和胺阳离子盐。
在另一个实施方案中,R2具有式3的结构。在另一个实施方案中,R2具有式3的结构,并且n为1。在另一个实施方案中,R2具有式3的结构,并且R6和R7独立地选自H、Na盐和K盐。在另一个实施方案中,R3具有式3的结构,并且R6和R7独立地选自H、Na盐、K盐、Zn盐、Ca盐、Sn盐和胺阳离子盐。在另一个实施方案中,R2具有式3的结构,R6和R7独立地选自H、Na盐、K盐、Zn盐、Ca盐、Sn盐和胺阳离子盐,并且n为1。
在某个实施方案中,物理脱水通过水的蒸发来实现。在另一个实施方案中,水的蒸发在高于100℃的温度下进行。在一个实施方案中,水的蒸发在低于大气压的压力下进行。在另一个实施方案中,水的蒸发借助于吹扫气体进行。在某个实施方案中,水的蒸发在高于100℃的温度和低于大气压的压力下进行。在另一个实施方案中,水的蒸发在高于100℃的温度下、在低于大气压的压力下并借助于吹扫气体进行。
在某个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源选自由以下项组成的组:磷酸、磷酸二氢盐、磷酸一氢盐、磷酸盐、焦磷酸、焦磷酸三氢盐、焦磷酸二氢盐、焦磷酸一氢盐、焦磷酸盐、三磷酸、三磷酸四氢盐、三磷酸三氢盐、三磷酸二氢盐、三磷酸一氢盐、三磷酸盐、五氧化二磷和水的混合物,以及它们的混合物。在另一个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为磷酸。在一个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为五氧化二磷和水的混合物。在另一个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为磷酸、五氧化二磷和水。
在某个实施方案中,该方法还涉及用包含Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe、Sn或胺阳离子的碱性盐中和脱水混合物的步骤。在另一个实施方案中,该方法还涉及以下步骤:c)用胺阳离子中和脱水混合物,并且还使所得混合物与包含Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn的碱性盐反应,以形成金属膦酰基-磷酸盐。在另一个实施方案中,该方法还涉及以下步骤:d)从溶液中沉淀金属膦酰基-磷酸盐。
在某个实施方案中,所述第一组分与第二组分的比率为1∶1至1∶8。在另一个实施方案中,所述第一组分与第二组分的比率为1∶1至1∶6。在另一个实施方案中,所述第一组分与第二组分的比率为1∶3至1∶6。
在另选的实施方案中,本发明公开了一种制备膦酰基-磷酸根化合物的方法。该方法涉及将包含膦酸、膦酸根或它们的混合物的第一组分与包含磷酸或磷酸根的来源的第二组分混合的第一步骤。该混合物的第一组分与第二组分的摩尔磷比率为1∶1至1∶10。第二步骤涉及将混合物化学脱水以产生具有式1的结构的膦酰基-磷酸根化合物:
其中:
ε为与碳原子的连接位点;
R1选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐、胺阳离子盐和式2的结构:
其中:
δ为与式1的连接位点,
R4和R5独立地选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐和胺阳离子盐;
R2选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐、胺阳离子盐和式3的结构:
其中:
δ为与式1的连接位点,
R6和R7独立地选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐和胺阳离子盐,并且
n为1至2的整数;并且
R3选自由以下项组成的组:-H、具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐和胺阳离子盐。
在一个实施方案中,R1、R2和R3独立地选自由H、Na盐和K盐组成的组。在一个实施方案中,R1、R2和R3为H。
在另一个实施方案中,R1具有式2的结构。在另一个实施方案中,R1具有式2的结构,并且R4和R5独立地选自H、Na盐和K盐。在另一个实施方案中,R2具有式2的结构,并且R4和R5独立地选自H、Na盐、K盐、Zn盐、Ca盐、Sn盐和胺阳离子盐。
在另一个实施方案中,R2具有式3的结构。在另一个实施方案中,R2具有式3的结构,并且n为1。在另一个实施方案中,R2具有式3的结构,并且R6和R7独立地选自H、Na盐和K盐。在另一个实施方案中,R3具有式3的结构,并且R6和R7独立地选自H、Na盐、K盐、Zn盐、Ca盐、Sn盐和胺阳离子盐。在另一个实施方案中,R2具有式3的结构,R6和R7独立地选自H、Na盐、K盐、Zn盐、Ca盐、Sn盐和胺阳离子盐,并且n为1。
在某个实施方案中,化学脱水通过与化学脱水剂的化学反应来实现。在另一个实施方案中,化学脱水剂为五氧化二磷。在一个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源选自由以下项组成的组:磷酸、磷酸二氢盐、磷酸一氢盐、磷酸盐、焦磷酸、焦磷酸三氢盐、焦磷酸二氢盐、焦磷酸一氢盐、焦磷酸盐、三磷酸、三磷酸四氢盐、三磷酸三氢盐、三磷酸二氢盐、三磷酸一氢盐、三磷酸盐、五氧化二磷和水的混合物及它们的混合物。在某个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为磷酸。在另一个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为五氧化二磷和水的混合物。在一个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为磷酸、五氧化二磷和水。在某个实施方案中,磷酸或磷酸根的来源为五氧化二磷和水的混合物,并且化学脱水通过使用化学脱水剂来实现,其中化学脱水剂为五氧化二磷。
在某个实施方案中,该方法还涉及用包含Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe、Sn或胺阳离子的碱性盐中和脱水混合物的步骤。在另一个实施方案中,该方法还涉及以下步骤:c)用胺阳离子中和脱水混合物,并且还使所得混合物与包含Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn的碱性盐反应,以形成金属膦酰基-磷酸盐。在另一个实施方案中,该方法还涉及以下步骤:d)从溶液中沉淀金属膦酰基-磷酸盐。
在某个实施方案中,所述第一组分与第二组分的比率为1∶1至1∶8。在另一个实施方案中,所述第一组分与第二组分的比率为1∶1至1∶6。在另一个实施方案中,所述第一组分与第二组分的比率为1∶3至1∶6。
在所有先前的实施方案中,无论是使用物理脱水还是化学脱水来产生膦酰基-磷酸根化合物,ε为与碳原子的连接位点。连接到该特定碳原子的附加原子可为相当不同的。在另一个实施方案中,ε为与小分子中的碳原子的连接位点。在另一个实施方案中,ε为与聚合物中的碳原子的连接位点。在另一个实施方案中,ε为与聚合物主链中的碳原子的连接位点。在另一个实施方案中,ε为与聚合物侧链中的碳原子的连接位点。在另一个实施方案中,ε为与聚合物侧基中的碳原子的连接位点。
在一个实施方案中,当ε为与小分子中的碳原子的连接位点时,所述分子具有式4的结构:
其中:
ω为与式1的膦酰基-磷酸根基团的连接位点;
R8选自由-H和-CH3组成的组;
L1选自由化学键、芳二基和式5的结构组成的组:
其中:
α为与链烯基基团的连接位点;
β为与式1的膦酰基-磷酸根基团的连接位点;
X选自由式6至式12中的结构组成的组;
其中:
R9选自由以下项组成的组:-H、烷基(C1-8)、膦酰基烷基和膦酰基(磷酸根)烷基;并且
Y选自由以下项组成的组:链烷二基、烷氧基二基、烷基氨基二基和链烯二基。
在一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,R8为H。在另一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,R8为CH3。在另一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,L1为共价键。在一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,R8为H,并且L1为共价键。在一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,R8为CH3,并且L1为共价键。
在另一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,L1具有式5的结构,并且X具有式6的结构。在另一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,L1具有式5的结构,并且X具有式9的结构。在一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,L1具有式5的结构,并且X具有式11的结构。在另一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,L1具有式5的结构,并且X具有式7的结构。在另一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,L1具有式5的结构,X具有式6的结构,并且Y为链烷二基。在另一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,L1具有式5的结构,X具有式9的结构,并且Y为链烷二基。在另一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,L1具有式5的结构,X具有式11的结构,并且Y为链烷二基。在另一个实施方案中,当ε为与具有式4的结构的小分子中的碳原子的连接位点时,L1具有式5的结构,X具有式7的结构,并且Y选自由链烷二基和烷氧基二基组成的组。
在一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,所述聚合物具有式13的结构;
R1选自由以下项组成的组:-H、Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe、Sn、胺阳离子和式2的结构:
其中:
δ为与式13的连接位点,
R4和R5独立地选自由以下项组成的组:-H、Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe、Sn和胺阳离子;
R2选自由以下项组成的组:-H、Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe、Sn、胺阳离子和式3的结构:
其中:
δ为与式13的连接位点,
R6和R7独立地选自由以下项组成的组:-H、Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe、Sn和胺阳离子,并且
n为1至2的整数;并且
R3选自由以下项组成的组:-H、Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe、Sn和胺阳离子,并且
R8选自由-H和-CH3组成的组;
L1选自由化学键、芳二基和式5的结构组成的组:
其中:
α为与聚合物主链的连接位点;
β为与式13的膦酰基-磷酸根的连接位点;
X选自由式6至式12中的结构组成的组;
其中:
R9选自由以下项组成的组:-H、烷基(C1-8)、膦酰基烷基和膦酰基(磷酸根)烷基;并且
Y选自由以下项组成的组:链烷二基、烷氧基二基、烷基氨基二基和链烯二基,
R10为由聚合物引发产生的化学基团;
R11为导致链终止的化学基团;
M2选自由以下项组成的组:化学键和一种或多种共聚单体的后聚合残基;并且
m为2至450的整数。
在一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,R1、R2和R3独立地选自由H、Na盐和K盐组成的组。在一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,R1、R2和R3独立地选自由以下项组成的组:H、Na盐、K盐、Zn盐、Ca盐、Sn盐和胺阳离子盐。
在另一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,R1具有式2的结构。在另一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,R1具有式2的结构,并且R4和R5独立地选自由H、Na盐和K盐组成的组。在另一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,R1具有式2的结构,并且R4和R5独立地选自由以下项组成的组:H、Na盐、K盐、Zn盐、Ca盐、Sn盐和胺阳离子盐。
在另一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,R2具有式3的结构。在另一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,R2具有式3的结构,并且n为1至3的整数。在另一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,R2具有式3的结构,并且n为1。在另一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,R2具有式3的结构,并且R6和R7独立地选自由H、Na盐和K盐组成的组。在另一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,R2具有式3的结构,并且R6和R7独立地选自由以下项组成的组:H、Na盐、K盐、Zn盐、Ca盐、Sn盐和胺阳离子盐。在另一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,R2具有式3的结构,R6和R7独立地选自由以下项组成的组:H、Na盐、K盐、Zn盐、Ca盐、Sn盐和胺阳离子盐,并且n为1。
在一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,R8为H。在另一个实施方案中,R8为CH3。
在一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,L1为共价键。在另一个实施方案中,L1具有式5的结构。在另一个实施方案中,L1具有式5的结构,X的结构选自由式6、式9和式11组成的组。在另一个实施方案中,L1具有式5的结构,X具有式6的结构。在另一个实施方案中,L1具有式5的结构,X具有式7的结构。在另一个实施方案中,L1具有式5的结构,X具有式9的结构。在另一个实施方案中,L1具有式5的结构,X具有式11的结构。在另一个实施方案中,L1具有式5的结构,X具有式6的结构,并且Y为链烷二基。在另一个实施方案中,L1具有式5的结构,X具有式7的结构,并且Y选自由链烷二基和烷氧基二基组成的组。在另一个实施方案中,L1具有式5的结构,X具有式9的结构,并且Y为链烷二基。在另一个实施方案中,L1具有式5的结构,X具有式11的结构,并且Y为链烷二基。
在一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,由聚合物引发产生的化学基团R10选自式14至式18的结构:
其中:
R12选自由以下项组成的组:-H、Na、K和胺阳离子盐;
τ为与聚合物主链的连接位点;并且
Q为用于聚合的单体的非烯烃残基。
在一个实施方案中,当ε为与聚合物中的碳原子的连接位点时,M2为具有式19的结构的一种或多种共聚单体的聚合残基:
其中:
R13选自由-H或-CH3组成的组;
Q1为用于聚合的共聚单体的非烯烃残基;并且
p为1至450的整数。
制备聚合物和组合物的方法
起始膦酸盐结构的连接位点可在聚合物上。含膦酸盐部分的本发明的聚合物可由多种技术制得,包括本体聚合、溶液聚合、乳液聚合或悬浮聚合。聚合方法和用于聚合的技术一般描述于《聚合物科学与技术百科全书(Encyclopedia of Polymer Science andTechnology)》,交叉科学出版社(纽约),第7卷,第361-431页(1967年)(IntersciencePublishers(New York),Vol.7,pp.361-431(1967)),和《柯克-奥斯曼化学技术百科全书(Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology)》,第3版,第18卷,第740-744页,约翰威立出版有限公司(纽约),1982年(3rd edition,Vol 18,pp.740-744,John Wiley&Sons(New York),1982),将两篇文献均以引用方式并入本文。适用于本发明的一般反应技术还参见Sorenson,W.P.和Campbell,T.W.的Preparative Methods of PolymerChemistry.第2版(Interscience Publishers,New York,1968)第248-251页,将所述文献以引用方式并入本文。在一个示例中,使用水溶性引发剂,由自由基共聚制得所述聚合物。适宜的自由基引发剂包括但不限于热引发剂、氧化还原对和光化学引发剂。氧化还原和光化学引发剂可用于在低于约30℃的温度下引发的聚合过程。此类引发剂概述于Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology第3版(John Wiley&Sons,New York)第13卷第355-373页(1981)中,将所述文献以引用方式并入本文。可在30℃或更低的温度下提供自由基的典型水溶性引发剂包括氧化还原对,诸如过硫酸钾/硝酸银,和抗坏血酸/过氧化氢。在一个示例中,在高于40℃下实施的聚合过程中,所述方法利用热引发剂。可使用可在40℃或更高温度下提供自由基的水溶性引发剂。这些包括但不限于过氧化氢、过硫酸铵、和2,2'-偶氮二(2-脒基丙烷)二盐酸盐。在一个示例中,使用过硫酸铵作为引发剂,使水溶性起始单体在60℃下在水中聚合。
线性聚合物的末端处的化学官能团的同一性取决于该聚合物链的聚合如何引发和终止。对于自由基聚合,体系中的任何自由基可开始新链。该自由基可为引发剂的直接衍生物,诸如来自过硫酸根的硫酸根基团,或来自偶氮型引发剂的烷基基团(诸如但不限于2,2'偶氮二(2-脒基丙烷)二盐酸盐)。自由基也可为转移反应的结果,例如在水和另一个自由基之间产生羟基自由基或在磷酸根和另一个自由基之间产生磷酸根自由基。下面给出了这些所得结构的非限制性示例,其中R表示H或适当的抗衡离子诸如Na、K或胺,并且τ表示与聚合物的连接位点。
自由基也可为链转移反应的结果,其中自由基从增长的聚合物链转移到新链。在乙烯基膦酸盐单体的聚合中已明确指出链转移。等人,Macromolecules,第41卷第1634-1639页(2008)描述了乙烯基膦酸盐的烷基酯的聚合如何导致烷基基团上的链转移,该文献以引用方式并入本文。这种转移最终开始于在起始端上具有含烯烃的化学基团的新聚合物链。
聚合物链的末端上的化学基团取决于链是如何终止的。最常见的终止是前面提到的链转移、反向破坏以及随后的β断裂、组合和歧化。在链转移和反向破坏中,末端基团为氢。在组合中,两个链上的链传播自由基反应以形成新链。该反应在连接点处引起“头对头”构型。未在链的主链中终止的单体的非烯属部分简单地表示为Q。
在歧化中,氢从一个自由基链交换到另一个自由基链。结果是一条链为不饱和的,而另一条链为饱和的。需注意,所得的不饱和基团不是乙烯基基团。不饱和基团中的每个碳仅具有一个氢。
含膦酸或膦酸根基团的许多聚合物为已知的,其中所述膦酸或膦酸根基团直接脱离主链、在侧链中、或在侧基中。本文所述的本发明方法可用于由所述膦酸或膦酸根基团产生膦酰基-磷酸根化合物。以下描述将举例说明可经由该方法反应的合适的含膦酸或膦酸根的聚合物的不同示例。
作为包含连接到聚合物主链的膦酸或膦酸根基团的聚合物的示例,考虑由单体乙烯基膦酸盐或甲基-乙烯基膦酸盐制成的聚合物。乙烯基膦酸盐或甲基-乙烯基膦酸盐可通过该方法进行化学反应,以形成膦酰基-磷酸根单体,如方案1中的反应1所示和先前所述。另选地,可首先如反应3所示使乙烯基膦酸盐或甲基-乙烯基膦酸盐聚合,以得到聚合物。在聚合反应之后,膦酰基-磷酸根基团可通过本文所述的方法形成,从而形成直接连接到聚合物主链的膦酰基-磷酸根基团。
直接连接到主链的膦酸或膦酸根基团的第二示例可通过从聚乙烯开始举例说明。对于此类改性中的第一反应的示例,参见M.Anbar,G.A.St.John和A.C Scott,《牙科研究杂志(J Dent Res)》第53卷,第4期,第867-878页,1974年(Vol 53,No 4,pp 867-878,1974)。如方案2所示,聚乙烯首先用氧和PCl3进行氧化磷酸化,以形成无规膦酸化聚合物。然后可经由所述方法使该膦酸化聚合物反应,以产生无规取代的膦酰基-磷酸根聚合物。所示反应产物旨在示出聚合物中膦酸或膦酸根基团连接点的无规性质。
作为膦酸或膦酸根基团连接到侧基的方法的示例,考虑方案3中所述的乙烯基苄基化学性质。与前面的示例一样,为简单起见,该方案将示出均聚物。然而,具有附加单体成分的杂聚物可通过在聚合过程中包括附加单体来制备。4-乙烯基苄基氯可与亚磷酸二乙酯反应,以形成乙烯基苄基膦酸盐,如方案3的反应1所示。关于这种反应的示例,参见Frantz,Richard;Durand,Jean-Olivier;Carre,Francis;Lanneau,Gerard F.;Le Bideau,Jean;Alonso,Bruno;Massiot,Dominique,《化学——欧洲期刊(Chemistry-A EuropeanJournal)》,第9卷,第3期,第770-775页,2003年(Volume9,Issue 3,pp.770-775,2003)。乙烯基苄基膦酸盐可经由该方法反应,以形成反应2中所示的乙烯基苄基膦酰基-磷酸盐。另选地,第一中间体乙烯基苄基膦酸盐可如反应4所示聚合,以制备聚乙烯基苄基膦酸盐。关于这种反应的示例参见M.Anbar,G.A.St.John和A.C Scott,《牙科研究杂志》第53卷,第4期,第867-878页,1974年。然后可经由反应7中所示的本文所述方法使聚乙烯基苄基膦酸盐反应,以产生含膦酰基-磷酸根的聚合物,其中膦酰基-磷酸根基团连接到聚合物上的侧基。涉及这种方法的第二路线也示出在同一方案中。可使4-乙烯基苄基氯聚合,以提供反应3中所示的聚乙烯基苄基氯。该聚合物可被膦酸化,如反应6中所示(例如参见Sang Hun Kim、Young Chul Park、Gui Hyun Jung和Chang Gi Cho,《大分子研究》第15卷第6期,第587-597页,2007年(Macromolecular Research Vol 15 No 6 pp 587-597,2007)),并且然后所得的聚乙烯基苄基膦酸盐经由本文所述的方法反应,以产生如反应7的产物所示的含膦酰基-磷酸根的聚合物。
作为包含连接到侧链并且经由本文所述方法反应的膦酸或膦酸根基团的聚合物的示例,考虑方案4中所示的聚乙烯醇。羟基基团可与环氧乙烷反应,以产生具有PEG侧链的聚合物。侧链上的末端羟基可与乙烯基膦酸盐反应,并且然后经由本文所述的方法反应以形成膦酰基-磷酸根。
所述方案本质上并非意在穷举,而是意在传达可产生含膦酰基-磷酸根的聚合物的各种方式。这些示例提供了合成的技术细节和含膦酰基-磷酸根基团的聚合物的许多变型,既有膦酰基-磷酸根基团直接连接到聚合物主链的聚合物,也有膦酰基-磷酸根基团连接到侧基的聚合物。对于可转化成含膦酰基-膦酸根的单体和聚合物的含膦酸根的单体和聚合物的另外示例,参见Sophie Monge、Benjamin Canniccioni、Ghislain David和Jean-Jacques Robin,《皇家化学学会聚合物化学系列第11号——磷基聚合物:从合成到应用(RSC Polymer Chemistry Series No.11,Phosphorus-Based Polymers:From Synthesisto Applications)》,由Sophie Monge和Ghislain David编辑,2014年,由皇家化学学会(www.rsc.org)出版。
含膦酰基-磷酸根的聚合物的用途
可将根据本发明的含膦酰基-磷酸根的聚合物掺入多种组合物中。这些组合物包括水性和非水性组合物两者。该组合物可用于处理牙齿、毛发、身体、织物、纸材、非织造物和硬质表面。该组合物可用于水处理、锅炉处理、处理船体、油井、电池、烘焙、发酵、陶瓷、塑料稳定剂、玻璃制造、乳酪生产、食品中的缓冲剂、洁齿剂中的研磨剂、肉类中的粘合剂、咖啡奶精、防冻剂、油漆液体皂中的分散剂、金属清洁剂、合成橡胶、纺织品和阻燃剂。该组合物还可用于处理含多价金属阳离子的材料,所述多价金属阳离子包括但不限于钙、锡、镁和铁。此类材料的示例包括羟基磷灰石、碳酸钙(无定形、方解石、文石)、磷酸钙、氢氧化钙、碳酸镁、磷酸镁、肥皂残渣(硬脂酸和碳酸的钙盐、镁盐和铁盐的混合物)以及硬水污渍。在一个实施方案中,包含含膦酰基-磷酸根的聚合物的组合物为非水性的。在另一个实施方案中,所述组合物为水性的。
可将含膦酰基-磷酸根的化合物和聚合物施用到多种基底。基底的实施方案包括生物材料、织物、非织造材料、纸制品和硬质表面材料。在一个实施方案中,生物材料包括牙齿。在另一个实施方案中,生物材料包括角蛋白,诸如毛发或皮肤。
实施例
以下实施例进一步描述和证明了本发明范围内优选的实施方案。给出这些实施例仅为了说明性目的,不可理解为是对本发明的限制,因为在不脱离本发明的实质和范围的情况下,它们的许多变型也是可能的。成分可由化学名来确定,或换句话讲如下定义。
实施例1至6的一般化学方案:通过移除水合成乙烯基膦酰基-单磷酸盐(VPP)或
[乙烯基膦酰基磷酸酐]和其它延伸的乙烯基膦酰基-磷酸盐(eVPP)
以下化学方案示出了用于形成主要所需产物VPP和VPPP的实施例1至5中的一般反应方案,连同在以下实验中的一些但不是全部中观察到的其它产物中的一些。请参考最终确定的产物分布的各个示例。
实施例1-通过使用具有3当量的PA的吹扫气体蒸发来合成VPP和eVPP
向50mL的3颈圆底烧瓶中加入1克乙烯基膦酸(VPA)和2.72g(3当量)99%的磷酸(PA),所述3颈圆底烧瓶配备有磁力搅拌器和位于中间颈部的短程蒸馏头。用塞子塞住一个侧颈,并且用氮气吹扫过另一个侧颈并通过蒸馏头排出。将烧瓶置于加热至105℃的油浴中并在该温度下搅拌27小时。在期望的时间点移除样品(约1滴),溶解于具有0.25mL三丁胺的1mL D7-DMF中,并且通过P-NMR进行评估。发现最终产物包含VPA、乙烯基-膦酰基-单磷酸盐(VPP)、乙烯基-膦酰基-焦磷酸盐(VPPP)、乙烯基-膦酸酐(VPPV)、磷酸(PA)、焦磷酸(PP)和三磷酸(PPP)。使用LCMS确认物质鉴定。此外,对最终27小时样品进行H-NMR,由此确定在反应期间未发生聚合。
发现熔体中所有含乙烯基的物质在27小时时的最终摩尔分布为43%VPA、38%VPP、9% VPPP和10% VPPV。
实施例2-通过使用真空和具有3当量的PA的吹扫气体蒸发来合成VPP和eVPP
遵循实施例1的工序进行如下改变。将短程蒸馏头连接到Buchi真空泵,而不是排放到大气中。在实验期间,用恒定的氮气流从一个侧颈将圆底烧瓶抽空至50至60托。在32小时和48小时取样示出,在含乙烯基的分布为31%至32% VPA、40%至41% VPP、14% VPPP和13%至14% VPPV的时间点之间几乎没有变化。对应于VPPPV的信号也在P-NMR中观察到,但未定量以与其它峰重叠。
实施例3-通过使用真空和具有6当量的PA的吹扫气体蒸发来合成VPP和eVPP
遵循实施例2的工序,相对于VPA使用6当量的PA。含乙烯基物质在72小时的分布为31% VPA、40% VPP、21% VPPP和8% VPPV。对应于VPPPV的信号也在P-NMR中观察到,但未定量以与其它峰重叠。
实施例4-通过与磷酸酐(P2O5,五氧化二磷)反应来合成VPP和eVPP
向磁力搅拌的20mL闪烁小瓶中加入2.24g 85重量%的磷酸水溶液、1.01g 90%的乙烯基膦酸和2.5g五氧化二磷(按该顺序)。乙烯基膦酸根与总磷酸根的摩尔比(以磷酸根摩尔数加上两倍P2O摩尔数的总和计算)为6。将小瓶加热至175℃并使用实施例1的工序在1小时时取样用于进行PNMR。确定的含乙烯基物质的摩尔组成为34% VPA、41% VPP、19%VPPP和5% VPPV。附加乙烯基峰在P NMR中可见,其可能对应于较大的物质,包括VPPPP和VPPPPP。LCMS确认高阶膦酰基-磷酸根的存在,VPP、VPPP、VPPPP、VPPPPP、VPPPPPP和VPPPPPPP的峰均在负离子模式下可见。
实施例5-实施例2的放大和纯化
遵循实施例2的工序,总材料增加5倍。在32小时采样时示出含乙烯基物质的分布为35% VPA、37% VPP、12% VPPP、12% VPPV和4% VPPPV。
冷却后,将大部分粗制反应混合物溶于40mL无水DMF中。将溶解的溶液加入到28.1g三乙胺(1.5当量,基于总起始酸)的100mL无水DMF溶液中,同时快速搅拌5分钟。对所得溶液进行P-NMR,结果与来自粗制反应混合物的分布一致。
在70℃和25托下汽提所得溶液的DMF,得到38.4g粘稠黄色油状物。将其溶于100mLH2O中,得到一种溶液,其pH为2.5,用110g 10%NaOH将该pH调节至11.0,得到一种澄清溶液。对所得溶液进行P-NMR,其示出与先前样品一致的产物分布,但VPPV降低了大约20%。在室温下静置1小时后,形成白色沉淀剂,其通过过滤收集,在环境空气中干燥过夜至4.65g。发现该沉淀剂为约90%的焦磷酸根,具有4%的磷酸根和各自小于3%的VPA、VPP和PPP。汽提滤液中的溶剂,得到49.4g透明粘稠油状物。通过石蕊试纸检查所得油状物的pH值,发现pH值为约7。用附加的水使其升至大约125g,得到7.5的pH,用15.2g 1N NaOH将该pH调节至11.0。在室温下,在30分钟内快速搅拌下,向该pH 11溶液中加入250ml MeOH。在一小时期间内形成白色沉淀剂。通过过滤收集该沉淀剂,用50mL 2∶3H2O∶MeOH冲洗一次,并在环境空气下过夜干燥至17.9g。发现该沉淀剂为大约43%的焦磷酸盐、39%磷酸、10% PPP、3% VPP和4% VPPP。将MeOH水溶液在室温下在流动的氮气下浓缩过夜,得到31.1g粘稠油状物。发现油状物的摩尔磷分布为大约33% VPA、33% VPP、8% VPPP、11% PA、10% VPPV和3%VPPPV。还发现该油状物具有残余水和DMF。
在室温下,在1小时内向油状物中加入300ml MeOH,得到白色沉淀剂,通过过滤收集该白色沉淀剂,冲洗1×50mL MeOH并在室温下真空干燥2小时,得到4.3g白色粉末。发现粉末的摩尔磷分布为49% VPP、26%PA、6% PP、15% VPPP和3% VPA。在室温和流动的氮气下浓缩MeOH溶液,得到7.0g白色糊剂。发现白色糊剂的组成为大约73% VPA、23% VPP和5% VPPPV。
实施例6-形成含VPPP的聚合物的聚合
使用含VPPP的白色粉末(8.6mmol乙烯基基团)和SVS(8.6mmol乙烯基基团)的50/50混合物(基于总摩尔乙烯基),使来自实施例5的含49%VPP、26% PA、6% PP、15% VPPP和3% VPA的白色粉末聚合。具体地,将含VPPP的白色粉末(实施例5,8.6mmol)和SVS(25%水性溶液,4.47g,8.6mmol)装入圆底烧瓶中,并用流动的氮气吹扫烧瓶的顶部空间15分钟。将烧瓶密封并加热至60℃,此时在0.50mL水中加入过硫酸铵(APS,Aldrich,相对于总单体为5%)。将所得物在60℃下搅拌24小时。
将粗制反应溶液在水中稀释至1重量%的聚合物,并将pH调节至8.5。将这些溶液用2K分子量截留的透析膜对反渗透水渗析5至7天。
通过冷冻干燥从产物中移除水,得到3.6白色固体。
聚合物中的膦酸根含量通过在D2O中用纯化的聚合物和三甲基磷酸根(TMP)制备NMR样品来测定。进行1H和31P-NMR's,根据相对于聚合物峰和水的内标相对峰(TMP)的H峰和P峰计算膦酸根含量。P-NMR示出以大约1∶1比率的约18至23ppm和-6至-10ppm处的宽膦酰基-膦酸根峰,以及在约26至28ppm处的膦酸根峰。发现聚合物含有基于SVS的57%单体和基于膦酸根的43%单体。膦酸根分布为来自VPA的3%、来自VPP的78%和来自VPPP的18%。基于重量,聚合物的活性为78%,杂质/水为22%。
实施例7-通过与磷酸和脲反应来合成VPP和eVPP
对于实施例中的所有样品,遵循以下通用工序:
向闪烁小瓶中装入VPA、85%或99%H3PO4、脲和水,如下表1所示。将所得物在60℃下搅拌大约15分钟,直到获得均匀的溶液。将所得溶液热转移到800mL烧杯中。将其置于具有循环气流和外部通风的可编程实验室烘箱中。所有样品加热如下:
1)在15分钟内从室温升至110℃。
2)在110℃下保持3小时。
3)在15分钟内从110℃升至150℃。
4)如下表所示,在150℃下保持15或60分钟。
5)冷却至室温并使其静置过夜。
对粗制反应产物(约50mg反应产物,在1mL D2O中,加5滴30%NaOD)进行P-NMR。发现产物含有VPA、乙烯基-膦酰基-磷酸根(VPPA)、乙烯基-膦酰基-焦磷酸根(VPPPA)、乙烯基膦酸酐(SM-An)、磷酸(PA)、焦磷酸和三磷酸(PPP)。来自P-NMR的面积示于下表1中。还对反应产物进行H-NMR,以检查加热期间VPA的聚合。未观察到聚合物。
实施例8-通过聚合物与磷酸和脲的反应来合成含VPP和eVPP的聚合物
将二甲基乙烯基膦酸盐DMVP(10.6g,77.9mmol)和乙烯基磺酸钠溶液SVS(25%水性溶液,40.5g,77.9mmol)加入到100mL圆底烧瓶中。用氮气将烧瓶吹扫15分钟,并且加热至60℃。将888mg过硫酸铵APS(占总单体的2.55%)加入4g水中,并用氮气脱气5分钟。将APS溶液加入到含DMVP和SVS的溶液中,并且使所得溶液在60℃氮气下搅拌24小时。
对粗制反应溶液进行1H-NMR和31P-NMR,观察到单体转化率为约99%,在膦酸根基团的约37ppm处有宽P聚合物峰。
用207g水将粗制反应溶液在水中稀释至10重量%的聚合物。在室温和连续搅拌下,在30分钟内向其中加入300mL丙酮,得到浑浊溶液。在分液漏斗中静置30分钟后,形成较低粘度的富含聚合物的浆料和上部流体有机层。收集下层,在氮气下蒸发溶剂过夜,然后在1托下真空蒸发2小时,得到15.3克粘性棕褐色固体。用内标磷酸三甲酯对该固体进行1H-NMR和31P-NMR,以示出DMVP∶SVS衍生基团的比率为50∶50。
将粘性棕褐色固体与30克水和45克浓HCl(≈37%)混合,得到乳白色溶液。将该混合物回流48小时,得到淡棕色透明溶液。在60℃和20托下操作的旋转蒸发仪上将水和HCl从溶液中汽提至总体积为≈20mL。再向该剩余馏分中加入100mL水,并重复汽提,然后加入200mL水,将样品冷冻并冻干,得到11.8g棕褐色固体。31P-NMR示出聚合物峰从≈37偏移至≈32ppm,而1H-NMR示出对应于甲酯峰的聚合物峰在≈3.8ppm处消失。内标分析指示,含P基团与含硫基团的比率为大约47至53,并且重量活性为82.4%。
向100mL烧杯中加入4.85克85%的磷酸和2.77克脲,并且加热至60℃持续15分钟,然后冷却至室温,得到澄清溶液。将5克82.4%活性聚合物(P与S的计算比率为47至53)溶于15mL水中,并且将其加入到100mL烧杯中的磷酸/脲混合物中。将其置于具有循环空气流和外部通风的可编程实验室烘箱中并如下加热:
1)在15分钟内从室温升至110℃。
2)在110℃下保持3小时。
3)在15分钟内从110℃升至150℃。
4)在150℃下保持15分钟。
5)冷却至室温并使其静置过夜。
收集到11.4克海绵状白色产物。对粗制反应产物(约150mg反应产物,1mL D2O中,加2滴30%NaOD)进行P-NMR。P-NMR展示在≈-5ppm处的宽峰,对应于聚合物链上的膦酰基-磷酸根基团。该峰的一部分与焦磷酸根重叠,使得定量困难。
将11.4g大部分粗制产物溶于50mL水中,在搅拌下加入圆底烧瓶中,并在30分钟内加入50mL甲醇,得到浑浊溶液。在分液漏斗中静置30分钟后,得到较低粘度的富含聚合物的浆料层,将其分离(9.5g)。由P-NMR评定聚合物与磷酸根与焦磷酸根的比率,并且发现为161比43比113。
使用50mL水和50mL甲醇,在上述9.5g浆料上重复沉淀。得到2.13g浆料。P-NMR示出聚合物与磷酸根与焦磷酸根的比率为158比3比18。
将所得浆料带到250mL的反渗透(RO)水中,通过在Thermo Scientific Slide-A-Lyzer渗析烧瓶(2K MWCO)中针对RO水(pH调节至8.5w的碳酸氢钠饱和溶液)渗析6天来进一步纯化。通过冷冻和冻干移除水,得到1.59克白色固体。1H-NMR和31P-NMR示出所收集的聚合物为≈41% P单体和59%S单体。含P基团的分析示出≈22%的膦酰基-磷酸根基团与少量的膦酰基-焦磷酸根基团。剩余的含P基团看起来是膦酸盐和膦酸盐酸酐结构的混合物。聚合物被计算为87.4重量%的活性物质。
应当理解,本文所述的实施例和实施方案仅为了进行示意性的说明,并且在不背离其实质和范围的情况下,将根据其向本领域技术人员建议各种变型或改变。
Claims (17)
1.制备膦酰基-磷酸根化合物的方法,所述方法包括以下步骤:
a.将包含膦酸、膦酸根或它们的混合物的第一组分与包含磷酸或磷酸根的来源的第二组分混合,其中所述混合物的所述第一组分与所述第二组分的摩尔磷比率为1∶1至1∶10,以及
b.将所述混合物物理脱水以产生具有式1的结构的膦酰基-磷酸根化合物:
其中:
ε为与碳原子的连接位点;
R1选自由以下项组成的组:-H,具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐,胺阳离子盐和式2的结构:
其中:
δ为与式1的连接位点,
R4和R5独立地选自由以下项组成的组:-H,具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐,和胺阳离子盐;
R2选自由以下项组成的组:-H,具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐,胺阳离子盐和式3的结构:
其中:
δ为与式1的连接位点,
R6和R7独立地选自由以下项组成的组:-H,具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐,和胺阳离子盐,并且
n为1至2的整数;并且
R3选自由以下项组成的组:-H,具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐,和胺阳离子盐。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述物理脱水通过水的蒸发来实现。
3.根据权利要求2所述的方法,其中所述水的蒸发在高于100℃的温度下进行。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的方法,其中所述水的蒸发在低于大气压的压力下进行。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法,其中所述水的蒸发借助于吹扫气体进行。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法,其中所述水的蒸发在高于100℃的温度和低于大气压的压力下进行。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法,其中所述水的蒸发在高于100℃的温度下、在低于大气压的压力下并借助于吹扫气体进行。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述磷酸或磷酸根的来源选自由以下项组成的组:磷酸;磷酸二氢盐;磷酸一氢盐;磷酸盐;焦磷酸;焦磷酸三氢盐;焦磷酸二氢盐;焦磷酸一氢盐;焦磷酸盐;三磷酸;三磷酸四氢盐;三磷酸三氢盐;三磷酸二氢盐;三磷酸一氢盐;三磷酸盐;五氧化二磷和水的混合物;以及它们的混合物,优选磷酸。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述磷酸或磷酸根的来源为五氧化二磷和水的混合物;优选磷酸、五氧化二磷和水。
10.制备膦酰基-磷酸根化合物的方法,所述方法包括以下步骤:
a.将包含膦酸、膦酸根或它们的混合物的第一组分与包含磷酸或磷酸根的来源的第二组分混合,其中所述混合物的所述第一组分与所述第二组分的摩尔磷比率为1∶1至1∶10,以及
b.将所述混合物化学脱水以产生具有式1的结构的膦酰基-磷酸根化合物:
其中:
ε为与碳原子的连接位点;
R1选自由以下项组成的组:-H,具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐,胺阳离子盐和式2的结构:
其中:
δ为与式1的连接位点,
R4和R5独立地选自由以下项组成的组:-H,具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐,和胺阳离子盐;
R2选自由以下项组成的组:-H,具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐,胺阳离子盐和式3的结构:
其中:
δ为与式1的连接位点,
R6和R7独立地选自由以下项组成的组:-H,具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐,和胺阳离子盐,并且
n为1至2的整数;并且
R3选自由以下项组成的组:-H,具有Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn阳离子的金属盐,和胺阳离子盐。
11.根据权利要求10所述的方法,其中所述化学脱水通过与化学脱水剂,优选五氧化二磷的化学反应来实现。
12.根据权利要求10或11中任一项所述的方法,其中所述磷酸或磷酸根的来源选自由以下项组成的组:磷酸;磷酸二氢盐;磷酸一氢盐;磷酸盐;焦磷酸;焦磷酸三氢盐;焦磷酸二氢盐;焦磷酸一氢盐;焦磷酸盐;三磷酸;三磷酸四氢盐;三磷酸三氢盐;三磷酸二氢盐;三磷酸一氢盐;三磷酸盐;五氧化二磷和水的混合物;以及它们的混合物,优选磷酸。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法,其中所述磷酸或磷酸根的来源为五氧化二磷和水的混合物,优选磷酸、五氧化二磷和水。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法,其中所述磷酸或磷酸根的来源为五氧化二磷和水的混合物,优选磷酸、五氧化二磷和水的混合物,并且所述化学脱水通过使用化学脱水剂来实现,其中所述化学脱水剂为五氧化二磷。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法,所述方法还包括以下步骤:
c)用包含Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe、Sn或胺阳离子的碱性盐中和所述脱水混合物。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法,所述方法还包括以下步骤:
c)用胺阳离子中和所述脱水混合物,并且还使所得的混合物与包含Na、K、Ca、Mg、Mn、Zn、Fe或Sn的碱性盐反应,以形成金属膦酰基-磷酸盐。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法,所述方法还包括以下步骤:
d)从溶液中沉淀所述金属膦酰基-磷酸盐。
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