CN115141226B - 一种3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3‑(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯类化合物的制备方法，在丙烯酸酯的催化下实现丙烯酸与甲基亚膦酸酯的加成反应，通过选择合适的反应物种类和比例，在较宽的反应温度下(‑10～60℃)和常规反应条件下即可实现高效制备。借助丙烯酸酯对丙烯酸的自聚抑制效果，同时在反应过程中不断生成丙烯酸酯并参与反应，使得反应过程更为稳定。所得3‑(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯类化合物的成品率高于90％，相比现有技术具有高选择性、高安全性，易于进行产业化操作，并且采用廉价的丙烯酸作为主反应剂，低成本的优势显著。

Description

一种3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯的制备方法

技术领域

本发明设计有机膦的合成方法，尤其涉及一种3-(甲基烷氧基磷酰基) 丙酸酯的制备方法。

背景技术

3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯是草铵膦合成过程的重要中间体，该化合物通过缩合、水解可得到中间体4-(羟基甲基膦酰基)-2-羰基丁酸，进一步经过氨化、还原等步骤即可得到草铵膦。3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯的合成主要通过甲基亚膦酸酯与丙烯酸酯加成得到，也有通过甲基氯基次膦酰丙酰氯的醇解反应得到，但反应整体收率不高。

1991年，Hoechest公司(J.Org.Chem.1991,56,1783-1788)报道了利用甲基亚膦酸单乙酯与丙烯酸乙酯在乙醇钠的作用下发生迈克尔加成制得3-(乙氧基甲基膦酰基)-丙酸乙酯的方法，反应收率只有81.4％，反应所需时间达到24h以上，且需要用到乙醇钠作为催化剂。

2017年，石家庄瑞凯化工有限公司专利CN106632467A公开了一种草铵膦铵盐的合成方法，其中通过甲基亚磷酸二甲酯与丙烯酸甲酯和甲醇反应合成甲基甲氧基膦酰基丙酸甲酯。

2016年，专利CN105646574A公开了一种3-(烷氧基甲基磷酰基)丙酸酯及类似物与草胺膦的合成方法。该方法以3-(甲基卤代磷酰基)丙酰卤化物为原料，低温条件下，在溶剂中与ROH进行取代反应，得到产物。

上述工艺使用了大量的缚酸剂，产生相应大量的缚酸剂盐酸盐需要处理，且温度控制-50～-30℃，不利于工业化生产。

2010年，专利CN101665514A公开了一种3-(甲基烷氧基磷酰基) 丙酸酯类化合物的合成方法，以甲基亚膦酸二烷基酯和丙烯酸为原料，在0～30℃和无水无氧条件下反应，反应方程式如下：

上述反应当温度高于30℃时，反应会进行得异常剧烈，反应体系的温度迅速增长(＞80℃)，并伴随较多副产物产生，反应物的颜色逐渐加深。但若温度过低(例如≤0℃)时，反应则难以进行。反应过程控制困难，不利于工业化生产。

综上所述，现有制备3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯类化合物的方法主要存在的问题有：1)产品收率低，副产物生成难控制；2)反应周期过长，效率低下；3)反应条件苛刻，温度窗口窄；4)使用额外反应物，需后续提纯处理；5)材料成本高昂，性价比低。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯的制备方法。

具体的，本发明中的方法采用较为廉价的丙烯酸为原料，与甲基亚膦酸二烷基酯在丙烯酸酯为催化剂的条件下，平稳反应生成3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯，反应过程甲基亚膦酸二烷基酯上的烷氧基转移至丙烯酸上生成丙烯酸酯，从而使该反应优先进行，有效避免丙烯酸聚合副产物的生成，同时使反应过程放热更加平稳，反应选择性及收率更高，解决了现有技术方案中成本高昂、副产物多、反应条件苛刻、反应过程难控制等问题。该反应工艺流程简单，适合大规模、低成本生产3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯。

具体的，本发明提供一种3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯的制备方法，其反应方程式如下：

式中：R₁，R₂为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基及异丁基等烷基基团，R₁和R₂可以相同。

具体包括以下步骤：

1.一种3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯的制备方法，其特征在于，至少包括：

(1)将甲基亚膦酸酯和溶剂加入反应器中，缓慢加入添加有一定比例丙烯酸酯的丙烯酸，控制-10～60℃下进行加成反应，反应结束得到含有 3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯的料液；

(2)将步骤(1)所得反应粗产物进行减压蒸馏，得到回收溶剂及3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯。

所述(1)中甲基亚膦酸酯为甲基亚膦酸二甲酯、甲基亚膦酸二乙酯、甲基亚膦酸二丙酯、甲基亚膦酸二异丙酯、甲基亚膦酸二丁酯和甲基亚膦酸二异丁酯中的一种。与丙烯酸的摩尔比为1:0.8～1.5，优选1:0.95～1.2。控制该比例是为了促使反应向形成3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯的方向进行，避免形成副产物。

所述(1)中溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙酸乙酯、正己烷、四氢呋喃及甲苯中的一种或多种，优选为乙酸乙酯、甲醇或乙醇。溶剂用量与丙烯酸质量比为0～10:1，优选为0～5:1。

所述(1)中丙烯酸酯为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯及丙烯酸丁酯中的一种，丙烯酸酯摩尔加入量为甲基亚膦酸酯的0.5～10％，优选为2～5％。本反应中的主要副反应为丙烯酸自聚，丙烯酸酯的加入显著降低了丙烯酸的自聚，同时，丙烯酸酯与甲基亚磷酸酯反应后，体系内的丙烯酸参与反应形成了新的丙烯酸酯分子，因此可以不断反应，缩短了反应时间，提高了反应稳定性。

所述(1)中反应温度为-10～60℃，优选10-40℃；反应时间为 0.1～24h，优选0.5-5h。相比于现有技术中反应温度限定在0～30℃，反应条件限定在无水无氧(CN101665514A)，本方案具有更宽的反应温度窗口，适应性更佳。此外，现有技术动辄反应时间长达24小时，本方案可大幅缩短至1小时内，具有反应效率的优势。

所述(2)中蒸馏温度为室温～150℃，优选50-120℃；所述压力为 0.1kpa～100kpa，优选0.1kpa～20kpa。回收溶剂可继续用于下一批反应，3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯直接用于后续产品的生产。当3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯为多种酯的混合物时也可无需进一步分离，直接用于后续草铵膦中间体的制备。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明中的方法采用较为廉价的丙烯酸为原料，与现有主流工艺以丙烯酸酯为原料相比，生产成本大幅降低；

(2)通过在反应过程中加入丙烯酸酯为催化剂，能够使丙烯酸与甲基亚膦酸二烷基酯更加平稳地反应生成3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯，有效避免丙烯酸聚合副产物的生成，反应选择性及收率更高。该反应工艺流程简单，适合大规模、低成本生产3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯。

(3)相比现有技术，本发明的反应温度窗口在-10～60℃，优化的反应时间在0.5-5h，从而提高了反应的可控程度，缩短了反应周期。此外，由于丙烯酸的摩尔质量比丙烯酸酯低，因此单釜的整体产量也有所提高，能提高单产，降低单位能耗和其他成本。

(4)反应可在无溶剂条件下进行，当产物用于生产草铵膦及其中间体时，无需对3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯混合物进行分离，可直接用于草铵膦中间体4-(羟基甲基膦酰基)-2-羰基丁酸的合成。大幅降低生产工艺成本。

附图说明

附图1 3-(乙氧基甲基磷酰基)丙酸乙酯标准品GC谱图；

附图2 3-(乙氧基甲基磷酰基)丙酸乙酯GC谱图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

实施例1

(1)氮气下，于反应瓶中加入乙酸乙酯及甲基亚膦酸二乙酯(重量如表1所示)，控温至0～10℃，滴加丙烯酸与丙烯酸甲酯的混合物(重量如表1所示)，保温反应5h，得到含有3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯的料液。

(2)于50～60℃及1～5kpa下蒸馏除去溶剂乙酸乙酯及少量低沸杂质后，分离得到无色粘稠液体3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯。3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯的标准品谱图见附图1，样品编号2的产品谱图见附图2。

表1

从样品1、2、3、7对比可以发现，其他材料质量一定的情况下，选择保证丙烯酸添加量在合适范围内可以保持收率在95％以上，当丙烯酸添加量过低(样品1)，甲基亚膦酸二乙酯和丙烯酸的反应不彻底，导致收率低；当丙烯酸添加量过高(样品7)，丙烯酸自聚严重，同样导致收率降低。

从样品2、4、5、8、9对比可以发现，其他材料质量一定的情况下，加入一定量丙烯酸甲酯可以显著提高收率，均在92％以上。而丙烯酸甲酯添加量过低(样品8)，导致丙烯酸甲酯的催化效果不佳，不能有效阻止丙烯酸自聚，从而导致收率下降；丙烯酸甲酯添加量过高(样品9)，多余的丙烯酸甲酯并未参与反应，反而使得产品收率下降。

从样品2、6、10的对比可以发现，溶剂添加量过高时同样会导致收率下降。

实施例2

(1)氮气下，于反应瓶中加入100g乙酸乙酯及85g甲基亚膦酸二丙酯，控温至-10～0℃，滴加34.8g丙烯酸及2.5g丙烯酸乙酯的混合物，保温反应24h，得到含有3-(丙氧基甲基膦酰基)丙酸丙酯的料液。

(2)于室温～40℃及0.1～1kpa下蒸馏除去溶剂乙酸乙酯及少量低沸杂质后，分离得到无色粘稠液体122.5g，其中3-(丙氧基甲基膦酰基)丙酸丙酯含量92％，收率95％。

实施例3

(1)氮气下，于反应瓶中加入200g乙酸乙酯及70g甲基亚膦酸二乙酯，控温至30～40℃，滴加40.0g丙烯酸及2.5g丙烯酸甲酯的混合物，保温反应0.5h，得到含有3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯的料液。

(2)于90～100℃及80～90kpa下蒸馏除去溶剂乙酸乙酯及少量低沸杂质后，分离得到无色粘稠液体113.1g，其中3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯含量90％，收率97％。

实施例4

(1)氮气下，于反应瓶中加入60g甲醇及52g甲基亚膦酸二甲酯，控温至50～60℃，滴加28.4g丙烯酸及1.21g丙烯酸丁酯的混合物，保温反应0.1h，得到含有3-(甲氧基甲基膦酰基)丙酸甲酯的料液。

(2)于110～120℃及5～20kpa下蒸馏除去溶剂甲醇及少量低沸杂质后，分离得到无色粘稠液体83.0g，3-(甲氧基甲基膦酰基)丙酸甲酯含量82％，收率81％。

实施例5

(1)氮气下，于反应瓶中加入60g丁醇及100g甲基亚膦酸二丁酯，控温至10～20℃，滴加34.0g丙烯酸及0.5g丙烯酸甲酯的混合物，保温反应2h，得到含有3-(丁氧基甲基膦酰基)丙酸丁酯的料液。

(2)于140～150℃及80～100kpa下蒸馏除去溶剂丁醇及少量低沸杂质后，分离得到无色粘稠液体134.1g，其中3-(丁氧基甲基膦酰基)丙酸丁酯含量91％，收率91.5％。

实施例6

本实施例提供一种3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯的的制备方法，与实施例3的区别仅在于，使用的溶剂为乙醇，其它步骤同实施例3。得到产物107.8g，3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯含量94％，收率93.5％。

实施例7

本实施例提供一种3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯的的制备方法，与实施例3的区别仅在于，使用的溶剂为正己烷，其它步骤同实施例3。得到产物106.8g，3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯含量95％，收率 90.6％。

实施例8

本实施例提供一种3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯的的制备方法，与实施例3的区别仅在于，使用的溶剂为四氢呋喃，其它步骤同实施例 3。得到产物109.3g，3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯含量96％，收率 93.8％。

实施例9

本实施例提供一种3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯的的制备方法，与实施例3的区别仅在于，使用无溶剂体系，其它步骤同实施例3。得到 104.4g，3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯含量96％，收率92.5％。

对比例1

本实施例提供一种3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯的的制备方法，与实施例3的区别仅在于，不添加丙烯酸甲酯，其它步骤同实施例3。反应过程料液粘度不断加大并伴有聚合物生成，得到产物114.3g，3-(乙氧基甲基膦酰基)丙酸乙酯含量78％，收率85％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯的制备方法，其特征在于，至少包括：

（1）将甲基亚膦酸酯和溶剂加入反应器中，加入添加有一定比例丙烯酸酯的丙烯酸，控制-10~60℃下进行加成反应，反应0.1~24h后，得到含有3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯的料液；所述甲基亚膦酸酯为甲基亚膦酸二烷基酯，所述丙烯酸酯为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯及丙烯酸丁酯中的一种；丙烯酸酯摩尔加入量为甲基亚膦酸酯的0.5~10%，甲基亚膦酸酯与丙烯酸的摩尔比为1:0.95~1.2；

（2）将步骤（1）所得反应粗产物进行减压蒸馏，得到回收溶剂及3-(甲基烷氧基磷酰基)丙酸酯。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的甲基亚膦酸酯为甲基亚膦酸二甲酯、甲基亚膦酸二乙酯、甲基亚膦酸二丙酯、甲基亚膦酸二异丙酯、甲基亚膦酸二丁酯和甲基亚膦酸二异丁酯中的一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙酸乙酯、正己烷、四氢呋喃及甲苯中的一种或多种；溶剂与丙烯酸质量比为0~10:1。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，丙烯酸酯摩尔加入量为甲基亚膦酸酯的2~5%。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述反应温度为10-40℃。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述反应时间为0.5-5h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述减压蒸馏温度为室温~150℃。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述减压蒸馏压力为0.1kpa~100kpa。

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