CN1163617A - 制造n-膦酰甲基甘氨酸的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造N-膦酰甲基甘氨酸(glyphosate)或它的盐类的方法，它是通过：1)使氨甲基膦酸，一种碱金属氰化物和甲醛在p值为10至13(优选11至11.5)范围内的水溶液中进行反应，同时以足够维持pH值在所需范围内的速率加入无机酸以形成N-膦酰甲基甘氨腈，然后，2)把步骤1)的N-膦酰甲基甘氨腈产物水解而形成N-膦酰甲基甘氨酸的盐，可供选择地，3)中和N-膦酰甲基甘氨酸的盐以形成N-膦酰甲基甘氨酸。
Description
本发明涉及一种制造N-膦酰甲基甘氨酸的方法。
N-膦酰甲基甘氨酸及其盐类是众所周知的除草剂。已知有多种方法来制备N-膦酰甲基甘氨酸，并且已知有一些方法是用氨甲基膦酸作为原料。
美国专利4,221,582中描述了一种方法，其中氨甲基膦酸先用一种碱金属氢氧化物处理以给出单碱金属盐，这时的pH值在8.0至10.0范围内。然后加入甲醛，导致pH值在5.5至7.0范围内。接着往其中加入氰化钠或氰化钾，使pH值增加，但可同时加入盐酸使所说的pH值维持在7.5至9.5范围内。在一个实例中，产物的收率据称为65％。
在EP0537786中公开了一种方法，其中氨甲基膦酸和乙醇腈在一种碱金属氢氧化物存在的条件下，在不超过60℃的温度下进行反应，然后通过加入足够中和得到的羧酸(参见下面的反应方案1)的碱金属氢氧化物使上述反应产物水解。这种方法据说可产生高收率的N-膦酰甲基甘氨酸。
乙醇腈是一种有毒和危险的化合物，基于安全考虑它的运输和储存受到限制。特别是，如果想要操作超过数公斤数量的乙醇腈时，则需要严格的预防措施。为此，乙醇腈作为原材料用于工业实践中有重大的缺点。
已知通过氰化钠和甲醛在酸性条件下反应可制得乙醇腈(参见下面的反应方案2)，并且，考虑到操作乙醇腈时存在的问题，在水溶液中先形成乙醇腈并且使用它应该是可能的。得到的水溶液然后被用作诸如反应方案1中的原料(不析离乙醇腈)。虽然认为这是一种可行的方案，但在酸性条件下使用氰化钠不可避免地会产生氰化氢分压，从而需要昂贵的工厂设备以容纳氰化氢并处理该方法中可能出现的任何误操作。
现在我们已发现可以无需事先形成乙醇腈，并且在无需可容纳氰化氢工厂设备的碱性条件下，通过使氨甲基膦酸、氰化钠和甲醛一起反应，以优良的收率制得N-膦酰甲基甘氨酸。
这样，按照本发明，提供了一种制造N-膦酰甲基甘氨酸或它的盐类的方法，它包括：
1)使氨甲基膦酸，一种碱金属氰化物和甲醛在pH为10至13范围内的水溶液中进行反应，同时以足够维持pH值在所需范围内的速率加入无机酸，以形成N-膦酰甲基甘氨腈，然后
2)把步骤(1)的N-膦酰甲基甘氨腈产物水解而形成N-膦酰甲基甘氨酸的盐，并且可供选择地
3)中和N-膦酰甲基甘氨酸的盐以形成N-膦酰甲基甘氨酸游离酸。
步骤(1)和(2)以及供选择的(3)最好是在单一的反应容器中相继地进行。
水解步骤(2)最好是用一种碱金属氢氧化物来进行，以形成N-膦酰甲基甘氨酸的相应的碱金属盐。如果需要，游离的N-膦酰甲基甘氨酸可在供选择的步骤(3)中通过酸化来回收。碱金属氢氧化物最好是氢氧化钠或氢氧化钾。特别优选氢氧化钠。
用于步骤(1)中的碱金属氰化物最好是氰化钠或氰化钾。特别优选氰化钠。
用于步骤(1)中的无机酸可方便地用盐酸或硫酸。优选盐酸。
可以把氨甲基膦酸，碱金属氰化物和甲醛的所有反应物混合在一起，然后以必需维持所需pH值的速率加入无机酸。然而实际上反应速率，从而pH值的改变可能太快，以致不能使pH的变化和加入酸的速率之间达到匹配。因此优选的做法是通过逐渐加入一种或多种反应物来控制显著的反应速率。这样，可在一定时间期间逐渐往反应混合物中加入一种或多种反应物，以减小显著的反应速率到这样的程度，使得通过相应地逐渐加入酸可以方便地把pH值维持在恒定的所需值上。
这样，本发明的一个进一步的特色是提供了一种方法，其中在步骤1中，通过使氨甲基膦酸，一种碱金属氰化物和甲醛在pH值为10至13范围内进行反应来形成N-膦酰甲基甘氨腈，至少有一种反应物是在一定时间期间内逐渐加入的，以便降低显著的反应速率，同时以足够维持pH值在所需范围内的速率加入无机酸。
优选逐渐加入的一种或多种反应物是甲醛，或碱金属氰化物，或甲醛和碱金属氰化物二者。同样，可能例如或者是把碱金属氰化物逐渐地加到氨甲基膦酸和甲醛的反应产物中，或者是把氨甲基膦酸和甲醛的反应产物逐渐地加到碱金属氰化物中。
这样，例如可能：
a)把碱金属氰化物逐渐地加到氨甲基膦酸和甲醛的混合物(反应产物)中；或者
b)把甲醛逐渐地加到碱金属氰化物和氨甲基膦酸的混合物中；或者
c)把碱金属氰化物和甲醛同时地加到氨甲基膦酸中；或者
d)把氨甲基膦酸和甲醛的反应产物逐渐地加到碱金属氰化物中。
上述方法的任何一种结合，例如把甲醛和一部份碱金属氰化物加到氨基膦酸和其余的碱金属氰化物中也是可能的，条件是至少有一种反应物是逐渐加入的。然而，一般而言只逐渐加入一种反应物更为方便，因此上述选择(a)(或它的改变(d))和(b)是优选的。
在步骤(1)中特别优选把甲醛水溶液逐渐地加到氨甲基膦酸和碱金属氰化物的水溶液中(上述选择(b))。我们已经发现把甲醛逐渐加到其它反应物中有助于减少氨甲基膦酸的过度烷基化的可能性，并减少不需要的作为副产物的N-膦酰甲基亚氨基二乙腈的形成。此外甲醛与氨甲基膦酸的反应(见反应方案3)是温和地放热反应，因而在生产实践中希望把甲醛逐渐地加到氨甲基膦酸中以避免热量的过量释出。选择(b)因此提供较短的总循环时间，因为碱金属氰化物和氨甲基膦酸可以迅速混合(没有反应热)以形成反应混合物，然后往其中逐渐地加入甲醛。在选择(a)中，甲醛必须慢慢地加到氨甲基膦酸中以避免在反应混合物形成时释出过量热量，然后在步骤1中逐渐地加入碱金属氰化物。
虽然本发明的范围不应被任何一种具体的有关它们的作用机理的假定所限制，但相信本发明方法是按反应方案(3)起作用的，其中用氰化钠作为碱金属氰化物来说明。在反应方案(3)中虽然中间体(II)的存在未被确切证明，但提出的机理说明每分子氨甲基膦酸是和一分子甲醛及一分子氰化物离子反应并释出一个碱金属阳离子，后者又依次需要一摩尔无机酸来中和以维持pH值。这样，无机酸的加入即可在等摩尔的基础上与加入甲醛的速率匹配(及供选择地碱金属氰化物)来维持所需的pH值。另外，pH可被监测并通过加入适当量的无机酸以维持在所需的值。
也已经注意到在反应的操作pH条件下，氨甲基膦酸原料将以它的二-(碱金属)盐的形式存在，因此在反应开始之前就应该往氨甲基膦酸和碱金属氰化物的水溶液中提供足够的碱金属氢氧化物以提高其pH值到所需的数值。最好是在加入氰化钠之前就往氨甲基膦酸中加入碱金属氢氧化物以防止任何氰化氢的产生。优选形成氨甲基膦酸的二钠盐，并且在步骤1中用氢氧化钠作为碱金属氢氧化物来调节起始的pH值。
在步骤(1)中使用的氨甲基膦酸(以它的二(碱金属)盐的形式存在)，碱金属氰化物和甲醛的比例基于摩尔比优选基本上1∶1∶1(在刚刚加完所有反应物后)。任何一种反应物的轻微过量，例如由化学计量值增加或减少大约5％时不致于造成损害，但使用相当过量的氨甲基膦酸是一种不必要的对原料的浪费(除非涉及重新循环使用)。而用相当过量的甲醛可能导致过度烷基化及形成不需要的副产物。使用稍为过量的甲醛可能是需要的，以便补偿甲醛由反应混合物中逸入大气造成的损失。类似地，用稍为过量的碱金属氰化物也是需要的，以便补偿由于水解所造成的氰化物的任何少量损失。
在反应开始时氨甲基膦酸以它的二钠盐的形式被完全溶解在水溶液中并不是关键性的，我们已经发现在反应开始时存在的任何固态的氨甲基膦酸二钠盐在反应进行过程中都会逐渐溶解。
在与氨甲基膦酸重新循环技术结合时，可以使用过量的氨甲基磷酸(例如每摩尔甲醛使用多至2摩尔氨甲基膦酸)，这样可以提供进一步减少不希望有的N-膦酰甲基亚氨基二乙酸副产物形成的好处。
对于本领域技术人员来说可能存在各种重新循环的操作程序。例如下面的操作程序可被用来回收和重新循环存在于含有N-膦酰甲基甘氨酸的钠盐产物料流中的过量氨甲基膦酸；
1.把碱性产物料流酸化(例如至pH1.3)以沉淀出N-膦酰甲基甘氨酸，它可经过滤回收。
2.通过加入碱把滤液(含有过量氨甲基膦酸和较小比例的残存在溶液中的N-膦酰甲基甘氨酸)的pH值调节到2.5，并加入硫酸铁溶液来沉.淀不溶于水的氨甲基膦酸和N-膦酰甲基甘氨酸二者的配合物，同时通过进一步加碱来维持pH值在2.5。过滤除去高度不溶的铁配合物，在溶液中仅留下痕量氨甲基膦酸和N-膦酰甲基甘氨酸以及任何不需要的副产物。
3.把铁配合物在水中调成浆状物并用碱处理使其pH值升至11.7。滤出得到的氧化铁水合物，留下回收的氨甲基膦酸和N-膦酰甲基甘氨酸在溶液中以它们的碱金属盐的形式存在，并准备重新循环到反应料流中去。
当反应步骤(1)的pH是在10至13这特定范围内时，可获得良好的产物收率。然而已经发现当pH在10.5至12，特别优选pH范围为10.5至11.5，例如在11至11.5时，可获得更为改进的收率。
往反应混合物中逐渐加入反应物(例如甲醛或碱金属氰化物)可以这样来方便地实施，使反应物投料在反应时间内基本上均匀稳定的进行。步骤(1)的反应时间依赖于设备条件可在很宽广的范围内变化，但典型地反应时间为20分钟至4小时，例如40分钟至2小时。如上面已经指出的那样，无机酸可以和甲醛以等摩尔的比例同步加入，最好是以分开的加料流加入，或者也可监测pH值，并加入充分量的酸以维持pH值恒定。
步骤(1)的反应可以在10℃至65℃的范围内进行，优选20至35℃范围内，例如20至30℃。反应可方便地在室温下进行。反应步骤(1)是放热的，并且如果需要温度可允许在上述范围内稍为升高。如果需要可提供冷却或加热以使反应温度维持在所需范围内。
反应方案(1)表明水解步骤(2)中对于每摩尔以它的二-(碱金属)盐形式存在的N-膦酰甲基甘氨腈需要1摩尔碱金属氢氧化物(即除了在步骤(1)开始时为把氨甲基膦酸转化为它的二-(碱金属)盐所需的2摩尔碱金属氢氧化物以外，还需要1摩尔碱金属氢氧化物)。如果需要可用过量碱金属氢氧化物来水解但不会得到特别的好处，并且用过量碱金属氢氧化物水解在随后的N-膦酰甲基甘氨酸的析离过程中会导致生成额外的无机碱金属盐。水解可在升高的温度，例如在60℃至反应混合物的沸点温度方便地进行。水解也可在回流条件下方便地进行。如果需要可用加压水解。
水解的产物是N-膦酰甲基甘氨酸的碱金属盐的水溶液。可以就这样使用这种溶液，也可析离出N-膦酰甲基甘氨酸的盐，或通过用无机酸诸如硫酸或盐酸在供选择的步骤(3)中把溶液中和而使N-膦酰甲基甘氨酸沉淀。这样回收的N-膦酰甲基甘氨酸随后可被转化为它的其它盐类诸如N-膦酰甲基甘氨酸的异丙胺盐或三甲基锍盐。
本发明方法可以以间歇、连续或半连续方法操作。如果以连续方法操作可能需要用稍为高一些的反应温度，以确保在反应开始时以它的二钠盐形式存在的氨甲基膦酸能保留在溶液中。
本发明通过下面的实施例来说明，除非另外指明，所有的份数和百分比都是按重量计的。
实施例1
把5.243克100％的氨甲基膦酸在34毫升蒸馏水中搅成浆状物，加入15克23.5％氢氧化钠以使pH升高至11.0。把2.444克95％氰化钠溶入氨甲基膦酸溶液中并将温度调节到20℃。2.845克50％甲醛用水稀释到30毫升，然后在约40分钟内加到氨甲基膦酸/氰化物混合物中，同时加入38.5克1.0M的盐酸以维持pH值在11.0。
把反应混合物进一步搅拌50分钟以后，加入另外8.0克23％的氢氧化钠并把混合物回流3小时。
磷NMR谱显示冷却后的反应混合物中仅含有N-膦酰甲基甘氨酸、氨甲基膦酸和占很小比例的N-膦酰甲基亚胺二乙酸。峰面积积分值表明N-膦酰甲基甘氨酸的产率为理论量的82.5％。
实施例2
把氨甲基膦酸二钠盐的水溶液(38.5克26.3％；0.091克分子)与氰化钠(4.7克，95％；0.091克分子)在12.2克蒸馏水中的溶液混合。这溶液的pH值为11.0。把甲醛(7.4克37％溶液；0.091克分子)用蒸馏水稀释到14％w/w，然后在20至25℃，在40分钟内加到氨甲基膦酸和氰化钠的溶液中。通过加入所需量的盐酸使反应混合物的pH值维持在pH11(约需8克36％的盐酸)。进一步搅拌50分钟后，加入氢氧化钠(7.8克47％的溶液；0.091克分子)并将反应物维持回流40分钟。冷却后用31PNMR分析反应混合物。测得N-膦酰甲基甘氨酸的产率为基于加入的氨甲基膦酸计算的理论量的92.4％。(6.1％氨甲基膦酸未反应，另外还形成了1.5％的N-膦酰甲基亚氨基二乙酸)。
实施例3
重复实施例2的操作程序，只是把反应温度维持在30-35℃。基于加入的氨甲基膦酸的计算的N-膦酰甲基甘氨酸的产率为90.4％。
实施例4
把氢氧化钠(10.5克，浓度47％)加到氨甲基膦酸(7.63克)在蒸馏水(30克)中所形成的浆状物中，使其pH值升至11。用外部水浴把溶液冷却到20至25℃，然后在约40分钟内加入用水(9克)稀释的甲醛(2.1克，浓度37.4％)。这时磷NMR谱和质子NMR谱均显示氨甲基膦酸已被转化为一种新的含磷物种。得到的清亮溶液在约50分钟内被加入到溶解于水(9克)的氰化钠(3.54克，95％含量)溶液中，同时维持温度在20至25℃，并通过加入盐酸使pH值维持在10至10.5。搅拌约30分钟后，加入氢氧化钠(5.87克，浓度47％)并将反应混合物加热至回流3小时以保证N-膦酰甲基甘氨腈的完全水解。冷却，用磷NMR对反应物进行分析，表明N-膦酰甲基甘氨酸的产率为理论量的94.8％。
实施例5
把氨甲基膦酸(7.63克)在30毫升水中制成浆状物并用等性钠溶液把pH值调节到11.0。氰化钠(3.37克)溶解于7.6毫升水中，氨甲基膦酸和氰化钠溶液混合后被冷却到20至25℃。甲醛(5.61克，浓度37.4％)用9毫升水稀释后在40分钟内被滴加到反应混合物中，同时维持温度在20至25℃，并通过同时加入36.5％盐酸使反应物的pH值在11.0和11.5之间。
得到的清亮溶液在20至25℃、pH值为11.0至11.5的条件下进一步搅拌50分钟，然后加入47％的苛性钠(6.8克)，加热到回流并在此温度下保持3小时。随后对反应混合物的分析表明，已产生的N-膦酰甲基甘氨酸的产率等价于理论量的90.4％。
实施例6
用相同的条件重复实施例5的操作程序，但在步骤1中维持反应混合物的pH值在12至12.5。产率降低至理论量的80.3％。
实施例7
用相同的条件重复实施例5的操作程序，但在步骤1中维持反应混合物的pH值在10.5至11。产率为理论量的90.5％。
实施例8
用相同的条件重复实施例5的操作程序，但在步骤1中维持反应混合物的pH值在10至10.5。产率降低至理论量的89.5％。
实施例9
用相同的条件重复实施例5的操作程序(并且在步骤1中pH值为11.0至11.5)，但在步骤1中反应混合物的温度维持在35至40℃。产率降低至理论量的85％。
实施例10
用相同的条件重复实施例9的操作程序，但步骤1的反应在温度为45-50℃时开始。然后在反应进行过程中把温度逐渐降低到20至25℃。产率为理论量的88.5％。
实施例11
循环1
氨甲基膦酸(7.63克，0.07克分子)在30克水中被制成浆状物，并用47％的苛性钠溶液使pH值上升至11。把氰化钠(3.09克，100％纯度，0.063克分子)溶解于7.6克水中并与氨甲基膦酸溶液混合，然后用更多的碱把pH值重新调节到11。甲醛溶液(5.01克，浓度37.4％，0.063克分子)用9克水稀释，并在40分钟内加到反应混合物中去，同时维持温度为20至25℃，并通过逐渐加入36.5％的盐酸使pH值维持在11至11.5。
将清亮的溶液搅拌50分钟，然后加入47％的苛性钠溶液(6.0克)并回流加热3小时以完成水解(步骤2)。
冷却后，磷NMR谱显示按摩尔计反应物由约83份N-膦酰甲基甘氨酸，15份未反应的氨甲基膦酸和2份N-膦酰甲基亚氨基二乙酸组成。
相应于上面制备的碱性溶液经分析含有按游离酸计算为10.9％的N-膦酰甲基甘氨酸和1.07％的氨甲基膦酸，还有痕量N-膦酰甲基亚氨基二乙酸。通过慢慢加入盐酸(0.492公斤，浓度37.5％)把2.386公斤这种溶液的试样酸化至pH1.3，在室温下进行搅拌，N-膦酰甲基甘氨酸即沉淀出来。
过滤移出沉淀，得到的滤液含有1.0％w/w N-膦酰甲基甘氨酸和0.95％w/w氨甲基膦酸(即回收91％的N-膦酰甲基甘氨酸，而没有氨甲基膦酸沉淀)。
通过加入苛性钠溶液(2.7克，浓度47％)把上述滤液(502.9克)的pH值调节到2.5。慢慢加入硫酸铁溶液(35.5克，浓度45％)同时通过进一步加入苛性钠溶液(10.4克，浓度47％)维持pH值为2.5。得到的不溶于水的N-膦酰甲基甘氨酸和氨甲基膦酸铁配盐的混合物经过滤除去。
滤液的分析表明它含有少于100ppm的N-膦酰甲基甘氨酸和少于100ppm的氨甲基膦酸。
上述混合物沉淀(75克)与水制成浆状物并慢慢加入苛性钠溶液(16.2克，浓度47％)以升高其pH值至11.7，并进一步搅拌60分钟。不溶的氧化铁水合物经两次过滤除去，留下的无色溶液中含有4.9％w/w的N-膦酰甲基甘氨酸和4.8％w/w氨甲基膦酸(按游离酸计算)。算上氧化铁中的溶液这相当于从它们的铁配合物中回收了90％的这些组分，它们可保留供重新使用。
循环2
把新的100％氨甲基膦酸(5.75克)加到40.7克上述滤液部份中以给出总计0.07克分子的氨甲基磷酸。然后用类似于上述“循环1”中描述的条件来进行步骤1的在氨甲基膦酸，甲醛和氰化钠之间的反应。在这种情况下有重新循环的PMG存在。
反应物料的分析表明，N-膦酰甲基甘氨酸的产率为83％，唯一其它存在的含磷物种是未反应的氨甲基膦酸和少量N-膦酰甲基亚氨基二乙酸副产物。
比较实施例1
重复实施例2的操作程序，但不加入盐酸。氨甲基膦酸和碱金属氰化物溶液的初始pH值为12，反应过程中逐渐上升至pH13.5。
在这种情况下N-膦酰甲基甘氨酸的产率基于投入的氨甲基膦酸计算仅为58.4％。这时形成了更大量的N-膦酰甲基亚氨基二乙酸，并有相当大量的氨甲基膦酸保留未反应。
化学式(在说明书中)方案1方案2
化学式(在说明书中)方案3
Claims (12)
1.一种制造N-膦酰甲基甘氨酸或它的盐类的方法，它包括：
1)使氨甲基膦酸，一种碱金属氰化物和甲醛在pH为10至13范围内的水溶液中进行反应，同时以足够维持pH值在所需范围内的速率加入无机酸，以形成N-膦酰甲基甘氨腈，然后
2)把步骤(1)的N-膦酰甲基甘氨腈产物水解而形成N-膦酰甲基甘氨酸的盐，并且可供选择地
3)中和N-膦酰甲基甘氨酸的盐以形成N-膦酰甲基甘氨酸游离酸。
2.一种根据权利要求1的方法，其中在步骤1中，使氨甲基膦酸，一种碱金属氰化物和甲醛在pH值为10至13范围内进行反应以形成N-膦酰甲基甘氨腈时，至少有一种反应物是在一定时间期间逐渐加入以便降低显著的反应速率，同时以足够维持pH值在所需范围内的速率加入无机酸。
3.一种根据权利要求2的方法，其中被逐渐加入的反应物是甲醛。
4.一种根据上述任意一项权利要求的方法，其中碱金属氰化物是氰化钠或氰化钾。
5.一种根据上述任意一项权利要求的方法，其中基于摩尔量计算的氨甲基膦酸，碱金属氰化物和甲醛的比例基本上是1∶1∶1。
6.一种根据上述任意一项权利要求的方法，其中在进行步骤1期间pH值被维持在10.5至12范围内。
7.一种根据权利要求6的方法，其中pH值是被维持在10.5至11.5范围内。
8.一种根据上述任意一项权利要求的方法，其中步骤1的温度是10℃至65℃。
9.一种根据权利要求8的方法，其中温度是20℃至35℃。
10.一种根据上述任意一项权利要求的方法，其中在步骤1中所用的无机酸是盐酸。
11.一种根据上述任意一项权利要求的方法，其中在步骤2的水解中使用一种碱金属氢氧化物。
12.一种根据上述任意一项权利要求的方法，其中步骤2的水解反应是在60℃至反应混合物的沸点这温度范围内进行的。
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