DE1197450B - Verfahren zur Herstellung von quartaeren organischen Phosphorverbindungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von quartaeren organischen Phosphorverbindungen

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DE1197450B
DE1197450B DEF40502A DEF0040502A DE1197450B DE 1197450 B DE1197450 B DE 1197450B DE F40502 A DEF40502 A DE F40502A DE F0040502 A DEF0040502 A DE F0040502A DE 1197450 B DE1197450 B DE 1197450B
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Dr Klaus Kleine-Weischede
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Bayer AG
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    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07FACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
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    • C07F9/02Phosphorus compounds
    • C07F9/28Phosphorus compounds with one or more P—C bonds
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    • C07F9/5407Acyclic saturated phosphonium compounds

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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
C07f
Deutsche Kl.: 12 ο-26/01
Nummer: 1197450
Aktenzeichen: F 40502IV b/12 ο
Anmeldetag: 16. August 1963
Auslegetag: 29. Juli 1965
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung quartärer organischer Verbindungen.
Solche Verbindungen können durch Umsetzung von Trishydroxymethylphosphinen mit einer quaternierend wirkenden Verbindung hergestellt werden (vgl. die deutschen Patentschriften 1067 811 und 1 042 583).
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß als Ausgangsprodukt die schwer zugänglichen und überaus oxydationsempfindlichen Trishydroxymethylphosphine verwendet werden müssen.
Es ist ferner bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 035 135), diese Tris-hydroxyalkylphosphine durch Umsetzung von PH3 mit Aldehyden im Molverhältnis 1:3 unter Sauerstoffausschluß herzustellen. Nach Isolierung können dann diese Hydroxyalkylphosphine durch Umsetzung mit Quaternierungsmitteln wiederum unter Sauerstoffausschluß in die entsprechenden Phosphoniumverbindungen übergeführt werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von quartären organischen Phosphorverbindungen der allgemeinen Formel
RP/CHRA
\OH
© χ©
in der R für Alkyl-, Alkenyl-, Jodmethyl-, Hydroxypropyl-, Epoxypropyl-, Carbamidomethyl- undAralkylreste, R' für Wasserstoff, Alkyl-, Trichlorpropyl- und eine Arylgruppe steht und X Halogen, einen anorganischen oder organischen Säurerest oder eineHydroxylgruppe bedeutet. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß Phosphorwasserstoff, ein Aldehyd der allgemeinen Formel R' — CHO, in der R' die vorstehend angegebene Bedeutung hat, und eine quaternierend wirkende Verbindung der allgemeinen Formel RX, worin R und X die oben angegebene Bedeutung haben, in Anwesenheit eines Metalls oder einer Metallverbindung der L, IL, III., IV, V. und VIII. Nebengruppe und III. Hauptgruppe des Periodensystems als Katalysator, gegebenenfalls in Anwesenheit eines Lösungsmittels bei Temperaturen von —20 bis +1000C, umgesetzt werden.
Die Reaktion verläuft nach der allgemeinen Gleichung
ϊ Γ )l
PH3 + 3R' —CHO + RX -> LRP\CHR73J X©
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es also im Eintopfverfahren, in nahezu quantitativer
Verfahren zur Herstellung von quartären
organischen Phosphorverbindungen
Anmelder:
Farbenfabriken Bayer Aktiengesellschaft,
Leverkusen
Als Erfinder benannt:
Dr. Klaus Kleine-Weischede, Leverkusen
Ausbeute die oben definierten Phosphoniumverbindungen zu erhalten. Dieses Ergebnis war auf Grund der Ausführungen der deutschen Auslegeschrift 1 035 135, besonders Spalte 1, Zeilen 52 bis 54, bzw. Spalte 2, Zeilen 22 bis 25, nicht zu erwarten; denn bei der Herstellung von Trihydroxymethylphosphin tritt intermediär Tetrakishydroxymethylphosphoniumhydroxid auf, das auch nach Beendigung der PH3-Zugaben noch in Restmengen vorliegt und bei der Aufarbeitung entfernt werden muß. Es ist daher anzunehmen, daß bereits gebildetes gemischtes Phosphoniumsalz
RP(CH2OH)3X
gemäß Gleichung 1
RP(CH2OH)3X + P(CH2OH)4OH
-> RP(CH2OH)3OH + P(CH2OH)4X
teilweise als Hydroxid vorliegt, das seinerseits mit PH3 nach Gleichung 2
3RP(CH2OH)3OH + PH3
-»■ RP(CH2OH)2 + P(CH2OH)3 + H2O
bzw. Gleichung 3
RP(CH2OH)2 + RX
R2P(CH2OH)2X
weiterreagiert. Es wäre somit ein Spektrum von Phosphoniumverbindungen zu erwarten, das etwa
509 628/401
3 4
den folgenden thermodynamischen Gleichgewichten Das Verfahren kann auch kontinuierlich durchentsprechen würde: geführt werden. Dazu führt man in ein Reaktionsgefäß die Ausgangsverbindungen im erforderlichen FRP+(CH OH) I2 Molverhältnis kontinuierlich ein. Die Entnahme
* ? = K1, 5 der ausreagierten Lösung kann dann entweder
[R8P+(CH2OH)2][P+(CH2OH)4] partienweise oder kontinuierlich erfolgen. Letztere
Arbeitsweise läßt sich sowohl in einem oder mehreren
[R2P+(CH2OH)2]a j^ hintereinandergeschalteten Mischgefäßen als auch
[R3P+(CH2OH)][RP+(CH2OH)3] 2' in horizontal angeordneten Sprudelzellen oder in
ίο Fraktionierkolonnen beliebiger Bauart durchführen.
[RsP+(CH2OH)]2 Man arbeitet zweckmäßig im Gegenstrom, indem
ro DJ-Ire tw^u om ι = Ks- man das Gemisch aus Aldehyd, Quaternierungsmittel,
LK^+j IK^+(CJn2UWj2J Wasser, Katalysator und Lösungsmittel dem Phosphin-
strom entgegenschickt.
Es ist offenbar, daß die Gleichgewichtskonstanten i5 Die Umsetzungsprodukte eignen sich als Ausgangs- K1, Kz und K3 endliche Werte aufweisen. Im thermo- stoffe für Weichmacher, Textilhilfsmittel und als dynamischen Gleichgewicht ist nämlich das aus- Schädlingsbekämpfungsmittel,
schließliche Vorliegen einer einzigen von vier möglichen
Verteilungen zweier Liganden nur dann möglich, Beispiel 1
wenn diese extrem verschiedene Bindungseigen- a°
schäften haben. Im entgegengesetzten Grenzfall wäre In 150 g 30%ige wäßrige Formaldehydlösung
die statistische Verteilung der stabilste Zustand. (1,5MoI)3 150 ml Methanol und 71g Methyljodid Es müßten also auch im stöchiometrischen Ansatz (0,5 Mol) werden 0,5 g Platin(II)-chlorid oder Piaalle denkbaren Homologen nebeneinander vorliegen. tin(IV)-chlorid suspendiert. Als Kontakt kann auch Im Gegensatz dazu tritt bei der vorliegenden Arbeits- 25 Ig FeCl3, Ig HgCl2, Ig CdCl2 oder Ig NiCl2 in weise, sogar unbeeinflußt durch das Komponenten- schwach ammoniakalischer Lösung verwendet werden, verhältnis, ausschließlich der beanspruchte Ver- Unter Luftausschluß und unter intensivem Rühren bindungstyp wird nun bei Zimmertemperatur so schnell PH3
RP(CH OH) X eingeleitet, daß alles PH3 absorbiert wird. Nach
30 beendeter Phosphinabsorption (etwa 121) wird die
auf. Demnach friert die Reaktion überraschenderweise Reaktionslösung vorteilhaft bei Zusatz von Kieselgur mit der ersten Quartärisierung im Ungleichgewicht oder Aktivkohle filtriert und unter vermindertem ein. Druck bei etwa 60 bis 700C eingedampft. Es bleibt
Als quaternierend wirkende Verbindung kann für ein klares dickflüssiges Öl zurück, das die für Trisdas erfindungsgemäße Verfahren z. B. Methyljodid, 35 (hydroxymethyl)-phosphoniumjodid berechnete Menge Methylenjodid, Benzylchlorid, Allylbromid, Dimethyl- Phosphor und Jod enthält. Das Jod liegt in ionogener sulfat, Epichlorhydrin, Propylenoxid und Chloracet- Form vor. Das Öl löst sich leicht in Wasser, n??= 1,604. amid verwendet werden.
Als Aldehyde für das erfindungsgemäße Verfahren Beispiel 2
können beispielsweise verwendet werden: Formaldehyd, 40
Acetaldehyd, Trichlofbutyraldehydhydrat und Benz- Bei gleicher Arbeitsweise, wie im Beispiel 1 be-
aldehyd. schrieben, erhält man bei Verwendung von 134 g
Als Lösungsmittel kommen insbesondere Wasser, Methylenjodid (0,5 Mol) an Stelle von Methyljodid Acetonitril, Alkohole und Gemische aus Wasser und dasTris-(hydroxymethyl)-jodmethylphosphoniumjodid Alkoholen in Frage. 45 als zähflüssiges, in Wasser lösliches Öl (Jod berechnet
Als Katalysatoren haben sich besonders bewährt: 64,8%; gefunden 64,1%)·
Platinmohr, Platin(II)-chlorid, Platin(IV)-chlorid,
Eisen(III)-chlorid, Quecksilber(II)-chlorid, Cadmium- Beispiel 3
chlorid, Nickelchlorid, Nickelsulfat, Kupfer(II)-chlo-
rid, Kupfer(II)-sulfat, Aluminiumchlorid, Aluminium- 50 Läßt man, wie im Beispiel 1 beschrieben, 150 g sulfat, Zirkonylchlorid, Vanadin(III)-chlorid und Va- 30%ige wäßrige Formaldehydlösung (1,5MoI) und nadinoxychlorid. . 63 g Benzylchlorid (0,5 Mol) in 150 ml Methanol bei
Das Verfahren wird im allgemeinen so durchgeführt, Zimmertemperatur mit PH3 reagieren, so erhält man daß man in ein Gemisch aus Aldehyd, Quaternierungs- nach der Aufarbeitung ein klares Öl, das die für mittel und dem Katalysator z. B. in Methanol unter 55 Benzyl-tris-(hydroxymethyl)-phosphoniumchlorid beintensivem Rühren Phosphin einleitet, nach Be- rechnete Menge Chlor in ionogener Form enthält, endigung der Phosphinaufnahme filtriert und dann Die Ausbeute ist nahezu quantitativ, «f? = 1,583.
durch Verdampfen der Lösung bei vermindertem
Druck das quartäre Phosphoniumsalz isoliert. Vor- Beispiel 4
zugsweise werden dabei auf 1 Mol Phosphin etwa 60
3 Mol Aldehyd und etwa 1 Mol quaternierende Ver- In 150 g 30%ige wäßrige Formaldehydlösung
bindung verwendet, es kann aber auch eine Kompo- (1,5 Mol), 200 ml Methanol und 60,5 g Allylbromid nente im Überschuß vorhanden sein. (0,5 Mol) werden 0,5 g Platin(II)-chlorid suspendiert
Das Verfahren wird im allgemeinen bei Normal- und nach dem Spülen mit Stickstoff so schnell PH3 druck durchgeführt, doch ist auch die Anwendung 65 eingeleitet, daß alles PH3 absorbiert wird. Nach ereines erhöhten Druckes möglich. Die Umsetzung reichter Sättigung an PH3 (etwa 121) wird bei Zusatz wird im Temperaturbereich von —20 bis +1000C, von Aktivkohle filtriert und unter vermindertem vorzugsweise von —10 bis +6O0C, durchgeführt. Druck bei 6O0C eingedampft. Das zurückbleibende
5 6
klare öl, das alles Brom in ionogerner Form enthält, triertem NH3 erhält man in quantitativer Ausbeute zeigt einen Brechungsindex von nf = 1,567 und ist Tris-(bydroxymethyl)-benzylphosphoniumchlorid als Tris-(hydroxymethyl)-allylphosphoniumbromid. zähes Öl. Die Zusammensetzung stimmt mit dem
nach Beispiel 3 gewonnenen Produkt überein. Das Beispiel5 5 gleiche Ergebnis wird mit 1 g Vanadinoxidchlorid oder
1 g Zirkonylchlorid erzielt.
Leitet man in 150 g 30%ige wäßrige Formaldehydlösung (1,5MoI), 150ml Methanol und 63g Di- Beispiel 11
methylsulfat bei Gegenwart von 0,5 g Platin(II)-
chlorid als Katalysator bei Zimmertemperatur Phos- io Läßt man bei 36 bis 4O0C 150 g 30%ige wäßrige phin ein, so erhält man nach weiter oben beschriebener Formaldehydlösung und 63 g Benzylchlorid in 150 ml Aufarbeitung Methyl-tris-(hydroxymethyi)-phospho- Methanol bei Anwesenheit von 1 g Nickelsulfat phoniummethylsulfonat, dickflüssiges Öl, ns§ = 1,499. und 15 ml konzentriertem NH3 mit PH3 reagieren, so
findet starke PH3-Absorption statt, und man erhält Beispiele 1S nacn ^em Aufarbeiten in guter Ausbeute Tris-(hy-
droxymethyl)-benzylphosphoniumchlorid von der
Beim Einleiten von PH3 in 150 g 30°/0ige wäßrige gleichen Zusammensetzung wie bei dem nach Bei-Formaldehydlösung (1,5 Mol), 150 ml Methanol und spiel 3 gewonnenen Produkt.
46 g Epichlorhydrin (0,5 Mol) bei Gegenwart von
0,5 g Platin(II)-chlorid findet starke PH3-Absorption 20 B e i s ρ i e 1 12
statt. Durch Kühlen muß die Temperatur unterhalb
300C gehalten werden. Nach erreichter Sättigung an Zu 150 g 30%iger wäßriger Formaldehydlösung
PH3 und Aufarbeitung des Reaktionsgemisches bleibt (1,5 Mol), 150 ml Methanol und 63 g Benzylchlorid in quantitativer Ausbeute 2,3-Epoxypropyl-tris-(hy- werden 0,5 g Platinmohr und 15 ml konzentriertes droxymethyl)-phosphoniurnchlorid zurück (Chlor be- 25 NH3 gegeben. Nach dem Spülen mit Stickstoff wird rechnet 16,38%; gefunden 16,15%). bei 30°C so schnell PH3 eingeleitet, daß alles PH3
absorbiert wird. Nach erreichter Sättigung an PH3 Beispiel 7 w*rc* be* Zusatz von Aktivkohle oder Kieselgur
filtriert und im Vakuum bei 60 bis 70° C Sumpf-
Läßt man 150 g 30 %ige wäßrige Formaldehydlösung 30 temperatur eingedampft. Das zurückbleibende klare (1,5MoI) und 29 g Propylenoxid, wie im Beispiel 1 Öl enthält die für Benzyl-tris-(hydroxyrnethyl)-phosbeschrieben, mit Phosphin reagieren, so erhält man phoniumchlorid berechnete Menge Chlor. n2S = 1,583. in guter Ausbeute Tris-(hydroxymethyl)-oxypropylphosphoniumhydroxid in öliger Form, nf — 1,526. Beispiel 13
35
Beispiel 8 66g (1,5MoI) Acetaldehyd werden in 100ml
Tetrahydrofuran und 71 g (0,5 Mol) Methyljodid
In 150 g 30%igar wäßriger Formaldehydlösung gelöst. Zu der Lösung werden 0,5 g Platin(II)-chlorid (1,5MoI), 250 ml Methanol und 47 g Chloracetanüd und 4 ml Ammoniakwasser gegeben und nach dem werden 0,5 g Platin(II)-chlorid gelöst und nach dem 40 Spülen mit Stickstoff unter Rühren 17 g PH3 ein-Spülen mit Stickstoff bei 500C so schnell PH3 ein- geleitet. Anschließend wird filtriert und im Vakuum geleitet, daß alles PH3 absorbiert wird. Nach erreichter bei 7O0C Sumpf temperatur eingedampft. Es bleibt Sättigung an PH3 wird bei Zusatz von Aktivkohle Methyl-tris-(hydroxyäthyl)-phosphoniumjodid als visfiltriert und bei 6O0C im Vakuum eingedampft. Das koses Öl, das sich in Wasser löst und alles Jod in farblose öl enthält die für 45 ionogener Form enthält, zurück; rvg = 1,595.
[(HOCH2)3PCH2 — CONH2]Cl
Beispiel 14
berechnete Menge Chlor. n!S — 1,564.
318 g (3 Mol) Benzaldehyd werden unter Luft-
Beispiel9 5° ausschluß in 500 ml Methanol oder Isopropanol und
126 g (1 Mol) Benzylchlorid gelöst. Zu der Lösung
Läßt man 150 g 30 %ige wäßrige Formaldehydlösung gibt man 1 g Platin(II)-chlorid und leitet unter inten-(1,5 Mol) und 71 g Methyljodid (0,5 Mol) in 150 ml sivem Rühren 34 g Phosphin ein. Nach dem Filtrieren Methanol mit Phosphin reagieren, wobei als Kontakt und Abdampfen des Lösungsmittels im Vakuum 1 g Kupfer(II)-chlorid und 15 ml konzentriertes Am- 55 bleibt in praktisch quantitativer Ausbeute Benzyl-trismoniak zugesetzt werden, so erhält man nach dem (phenylhydroxymethyl)-phosphoniumchlorid als zähes Aufarbeiten in guter Ausbeute Tris-(hydroxymethyl)- Öl mit dem Brechungsindex nf = 1,584 zurück,
methylphosphoniumjodid, das mit dem nach Beispiel 1
gewonnenen Produkt identisch ist. Das gleiche Er- Beispiel 15
gebnis wird erreicht, wenn man an Stelle von Kupfer- 60
chlorid 1 g Aluminiumchlorid verwendet. In 75 g 30%iger wäßriger Formaldehydlösung
(0,75MoI), 200 ml Methanol und 107 g (0,75 Mol)
Beispiel 10 Methyljodid werden 0,5 g Platin(II)-chlorid suspendiert
und nach dem Spülen mit Stickstoff bei Zimmer-
Beim Einleiten von 17 g PH3 in 150 g 30%ige 55 temperatur so schnell PH3 eingeleitet, daß alles PH3 wäßrige Formaldehydlösung (1,5 Mol), 150 ml Me- absorbiert wird. Nach erreichter Sättigung an PH3 thanol und 63 g Benzylchlorid (0,5 Mol) bei Gegen- (etwa 61) wird bei 70° C Sumpftemperatur im Vakuum wart von 1 g Vanadin(III)-chlorid und 15 ml konzen- eingedampft. Es bleiben 65 g viskoses, leicht gelbliches
öl zurück. Ausbeute: 98% der Theorie, bezogen auf eingesetzten Formaldehyd. Das IR-Spektrum ist identisch mit dem Spektrum des Öles, das aus P(CHgOH), und CH3J hergestellt wurde.
Beispiel 16
In 150 ml Methanol und 71g (0,5 Mol) Methyljodid werden 0,5 g Platin(II)-chlorid suspendiert und nach dem Spülen mit Stickstoff schnell PH3 eingeleitet. Gleichzeitig werden langsam 150 g (1,5 Mol) 3O°/oige wäßrige Formaldehydlösung zugetropft. Das nicht absorbierte PH8 wird abgefackelt. Anschließend wird, wie weiter oben beschrieben, aufgearbeitet. Es werden 130 g viskoses, leicht gelbgefärbtes öl erhalten. Ausbeute: 97,8% der Theorie, bezogen auf eingesetzten Formaldehyd bzw. Methyljodid. Das IR-Spektrum ist mit dem Spektrum des Öles identisch, das aus P(CH2OH)3 und CH3J hergestellt wurde.
30
Beispiel 17
In 150 g 30%iger wäßriger Formaldehydlösung (1,5MoI), 150 ml Methanol und 71g (0,5MoI) Methyljodid werden 0,5 g Platin(II)-chlorid suspendiert und nach dem Spülen mit Stickstoff 81 (0,357 Mol) PH, eingeleitet. Anschließend wird bei 700C Sumpftemperatur im Vakuum eingedampft. Es werden 94 g viskoses, leicht gelbgefärbtes öl erhalten. Ausbeute: 98,8% der Theorie, bezogen auf eingesetztes PH8. Das IR-Spektrum ist mit dem Spektrum des Öles identisch, das aus P(CH2OH)3 und CH2J gewonnen wurde.

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von quartären organischen Phosphorverbindungen der allgemeinen Formel
35
RP/CHR'1
VOH
'8J
© χ©
40
in der R für Alkyl-, Alkenyl-, Jodmethyl-, Hydroxypropyl-, Epoxypropyl-, Carbamidomethyl- und Aralkylreste steht, R' für Wasserstoff, Alkyl-, Trichlorpropyl- und eine Arylgruppe steht und X Halogen, einen anorganischen oder organischen Säurerest oder eine Hydroxylgruppe bedeutet, dadurch gekennzeichnet, daß Phos-50 phorwasserstoff, ein Aldehyd der allgemeinen Formel R' — CHO, in der R' die vorstehend angegebene Bedeutung hat, und eine quater-
nierend wirkende Verbindung der allgemeinen Formel RX, worin R und X die oben angegebene Bedeutung haben in Anwesenheit eines Metalls oder einer Metallverbindung der L, IL, III., IV., V. und VIII. Nebengruppe und III. Hauptgruppe des Periodensystems als Katalysator, gegebenenfalls in Anwesenheit eines Lösungsmittels bei Temperaturen von —20 bis +1000C umgesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionspartner kontinuierlich in ein als Rührtopf oder Sprudelzelle ausgebildetes Reaktionsgefäß einbringt und das Umsetzungsprodukt kontinuierlich abnimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch aus Aldehyd, quaternierend wirkender Verbindung, Katalysator und Lösungsmittel einem Phosphinstrom entgegenströmen läßt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung mit Methyljodid, Methylenjodid, Benzylchlorid, Allylbromid, Dimethylsulfat, Epichlorhydrin, Propylenoxid und Chloracetamid als quaternierend wirkende Verbindung durchführt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung mit Formaldehyd, Acetaldehyd, Trichlorbutyraldehydhydrat und Benzaldehyd durchführt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Wasser, Acetonitril, Alkoholen und Gemischen aus Wasser und Alkoholen als Lösungsmittel durchführt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung mit Platinmohr, Platin(II)-chlorid, Platin(IV)-chlorid, Eisen(III)-chlorid, Quecksilber(II)-chlorid, Cadmiumchlorid, Nickelchlorid, Nickelsulfat, Kupfer(II)-cnlorid, Kupfer(II)-sulfat, Aluminiumchlorid, Aluminiumsulfat, Zirkonylchlorid, Vanadin(III)-chlorid und Vanadinoxidchlorid als Katalysatoren durchführt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung mit einem Molverhältnis Phosphin zu Aldehyd zu quaternierend wirkender Verbindung von 1:3:1 durchführt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 035 135, 1 075 610, 1044078;
britische Patentschrift Nr. 881 656.
509 628/401 7.65 © Bundesdruckerei Berlin
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