DE1620044C3

DE1620044C3 - Verfahren zur Herstellung von substituierten Aminomethylphosphinsäuren

Info

Publication number: DE1620044C3
Application number: DE19661620044
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr.-Chem. Kilchberg Maier (Schweiz)
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1965-10-27
Filing date: 1966-10-19
Publication date: 1974-08-22
Also published as: CH475287A; DE1620044B2; DE1620044A1

Description

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in welcher R¹, R² und R³Je einen gegebenenfalls substituierten Kohlenwasserstoffrest oder einen heterocyclischen Rest, wobei R¹ und R² als auch R¹ und R³

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H₃PO₂ + HNR¹R² + CH₂O

zusammen ein heterocyclisches System bilden, R³ auch ein Wasserstoffatom und a I oder 2 bedeuten.

Die teilweise neuen Verbindungen sind nützlich als Komplexbildner, Netz- und Dispergiermittel, Benzin-, CeI-, Schmiermittel- und Waschmittelzusätze, biologisch aktive Mittel, Textilhilfsmittel, Stabilisatoren, antistatische Mittel, zum Flammfestmachen von brennbaren Materialien und als Zwischenprodukte.

Es war bekannt, unterphosphorige Säure, primäre Amine und Carbonylverbindungen zu entsprechenden a-Organoamino-methyl-phosphinsäuren umzusetzen (H. Schmidt, Chem. Ber. 81, S. 477, 1948). Es wird in dieser Arbeit folgendes erwähnt: »Als Zwischenstufe kann man eine Schiffsche Base mit N = C-Doppelbindungen aus Amin und Carbonylverbindung annehmen. Dafür spricht der Befund, daß die Verbindungen auch durch Einwirkung von unterphosphoriger Säure auf Schiffsche Basen erhalten werden können, ferner, daß nur primäre, nicht aber sekundäre Amine die Reaktion eingehen«. Es bestand somit ein Vorurteil gegen die mögliche Verwendung von sekundären Aminen, das auch in einer neueren Arbeit (W. M. L i η f i e 1 d et al., J. Org. Chem. 25, S. 4088,1961), in welcher ebenfalls nur primäre Amine in Form einer Schiffschen Base umgesetzt wurden, offensichtlich immer noch bestanden hat, wenn man bedenkt, daß die weitaus größeren Variationsmöglichkeiten bei den Verbindungen mit zwei organischen Resten am Stickstoffatom zu aktiveren, insbesondere biologisch aktiveren Produkten führen muß.

In der USA.-Patentschrift 3 160 632 ist die Herstellung von Mono- und Diorganoaminomethylphosphinsäuren aus Chlormethylphosphinsäure und Aminen in Gegenwart eines säurebindenden Mittels beschrieben. Mit dieser Halogenaustauschreaktion können nur Endprodukte mit einer CH₂-Gruppe am Phosphoratom hergestellt werden. Infolge des alkalischen Reaktionsmediums erfolgen leicht Nebenreaktionen. Außerdem können nur Verbindungen hergestellt werden, die nur eine Aminomethylgruppe enthalten.

Es wurde gefunden, daß auch sekundäre Amine oder Aminoverbindungen mit einem Aldehyd oder Keton und unterphosphoriger Säure umgesetzt werden können, wobei Diorganoaminomethylphosphinsäuren mit der eingangs angegebenen Formel entstehen. Die Reaktion vollzieht sich beispielsweise mit Formaldehyd nach der Gleichung

R¹R²NCH₂P(OH)H + H₂O

H₃PO₂ + 2HNR¹R² + 2CH₂O -

Je nach den stöchiometrischen Verhältnissen können eines oder beide der am Phosphor der unterphosphorigen Säure befindlichen Wasserstoffatome gegen eine Diorganoaminomethylgruppe ausgetauscht werden.

Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung von sekundären Aminen beruht darauf, daß infolge der Anwesenheit von zwei organischen Resten am Stickstoffatom viel größere Variationsmöglichkeiten bestehen. So können beispielsweise langkettige alipha- -> (R¹R²NCH^₂POH + 2H₂O

tische (12 bis 24 C-Atome) mit kurzkettigen aliphatischen Resten (1 bis 4 C-Atmoe), aliphatisch^ mit cyclischen Resten, hydrophobe oder lipophile mit hydrophilen Resten, basische mit sauren Resten, substituierte mit unsubstituierten Resten, gesättigte mit ungesättigten Resten und biologisch aktive mit biologisch inaktiven Resten kombiniert werden.

Nach den obenstehenden Gleichungen können anstatt Formaldehyd andere Aldehyde in gleicher Weise zur Reaktion gebracht werden, wobei dann in den

Formeln ein Wasserstoffatom der CH₂-Gruppe durch einen gegebenenfalls substituierten Kohlenwasserstoffrest R³ ersetzt ist.

An Stelle von Formaldehyd können andere Carbonylverbindungen verwendet werden.

Beispiele sind geradkettige und verzweigte, gesättigte und ungesättigte aliphatische, cycloaliphatische aromatische und heterocyclische Aldehyde.

Diese Aldehyde können an beliebigen möglichen Stellen einen oder mehrere Substituenten aufweisen, wie Cl, Br, J, F, —OH, —OR, -SH, -SR,

— COOH, — COOR, -CONH₂, — CONHR, -CONR₂, —NHCOOR, —NRCOOR, —NHCOR, —NRCOR, -SOR, -SO₂R, -SO₂NH,, -SO₂-

— NRCOR, -SOR, -SOoR, -SO₂NH₂, -SO₂NHR, -SO₂NR₂, -NHSO₂R, -NRSO₂R, -SO₂OH, -SO₂OR, -OCOR, -NH₂, -NHR, NR,

NO₂, —CN und -N₃ (R ist prinzipiell gleich definiert wie R¹)- Mit eingeschlossen sind die analogen Substituenten, die Schwefelatome anstatt Sauerstoffatome am Kohlenstoffatom gebunden enthalten.

Als weitere Reaktionskomponente werden sekundäre Amine der Formel

R¹R²NH

verwendet. In dieser Formel haben R¹ und R² die frühere Bedeutung. Es ist jedes sekundäre Amin brauchbar, das mit einem Aldehyd zur entsprechenden gegebenenfalls in der Methylengruppe substituierten Methylolaminverbindung nach

R³CHO + HNR¹R² -> R³CH(OH)NR¹R²

umgesetzt werden kann. Es ist also nicht notwendig, daß zuerst eine Schiffsche Base gebildet werden muß.

Als sekundäre Amine können auch heterocyclische Amine, wie Pyrrolidin, Äthylenimin, Propyienimin, Pyrazolin, N-Methylpyrazolidin, Imidazolin, N-Äthylimidazolidin, Piperidin, N-Propylpiperazin, Morpholin, Thiazin und Indol in gleicher Weise umgesetzt werden. In diesen Fällen bilden die Reste R¹ und R² zusammen mit dem Stickstoffatom ein heterocyclisches System, das weitere Heteroatome wie O, N oder S sowie Substituenten aufweisen kann.

An Stelle eines Aldehyds und eines sekundären Amins können auch Aminoaldehyde in Form von intramolekular entstandenen Aminocarbinolen zu entsprechenden cyclischen Derivaten umgesetzt werden. Man kann so beispielsweise als Endprodukte N-substituierte Pyrrolin-cc-phosphinsäure, Piperidin- «-phosphinsäure, Morpholin-α-phosphinsäure und Thiazin-«-phosphinsäure erhalten. Amine, die eher als H-acide Komponenten reagieren, wie Pyrrol, Tetrazo!, Hydroxamsäuren, Amide organischer und anorganischer Säuren, auch Pyrrolidon und N-Arylhydroxylamine sind für das Verfahren dagegen wenig bis ungeeignet.

Die infolge ihrer schwachen Basizität im Grenzgebiet liegenden Amine wie Diphenylamin, Carbazol, Pyrrolin, Pyrazol, Triazol, Imidazol und Azimidobenzol müssen durch einen Vorversuch jeweils auf ihre Tauglichkeit geprüft werden. Die Art des Aldehyds spielt hierbei auch eine Rolle. Ebenfalls ungeeignet sind Di-iso-propylamin und Di-tert.-butylamin, dagegen ist 2,2,6,6-Tetr£methylpir:eridin trotz der Verzweigungen in der Nachbarschaft des N-Atoms für die Reaktion geeignet.

Um beispielsweise eine gute bakterizide Wirkung zu erreichen, befinden sich in wenigstens einem Phenylrest ein oder zwei Halogenatome vorzugsweise in meta- und/oder para-Stellung und gegebenenfalls an einem oder zwei weiteren Phenylresten eine Hydroxylgruppe in ortho-Stellung.

Zur Durchführung des Verfahrens kann zuerst durch Vereinigung eines Aldehyds und eines sekundären Amins in einem molaren Verhältnis von etwa 1:1 in einem Lösungsmittel das entsprechende, gegebenenfalls in der Methylengruppe substituierte Methylolamin hergestellt werden. Es bildet sich in der Regel schon bei Temperaturen zwischen O und 40⁰C. Nötigenfalls kann die Reaktionsmischling aber auch stärker erhitzt werden. Dieses Zwischenprodukt wird, vorzugsweise ohne es zu isolieren, mit der unterphosphorigen Säure in einem molaren Verhältnis von etwa 1: 1 durch Erhitzen in das Endprodukt übergeführt. Man kann das Methanolamin auch isolieren und reinigen. Eine weitere Möglichkeit zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß ein Aminsalz der unterphosphorigen Säure mit dem Aldehyd umgesetzt wird. Schließlich ist es auch möglich, alle drei Reaktionskomponenten gleichzeitig zur Reaktion zu bringen. Die Aminkomponente kann auch im Überschuß eingesetzt werden.

Geeignete Lösungsmittel sind Wasser, Methylalkohol, Äthylalkohol, iso-PropylalkohoI, Acetonitril, Dioxan, Dimethylacetamid, Dimethylsulfon, Dimethylsulfoxyd, Sulfolan, Tetrahydrofuran, Hexan, Benzol, Toluol und Methylnaphthaline. Das Reaktionsmedium kann auch aus zwei Phasen bestehen, wovon die eine Wasser und die andere ein mit Wasser nicht mischbares inertes organisches Lösungsmittel ist.

Die Aldehyde können in einer beständigeren, lagerfähigeren und weniger oxydierbaren Form zum Einsatz gelangen. Formaldehyd kann z. B. als handelsübliche wäßrige Lösung oder als Paraformaldehyd eingesetzt werden. Auch andere Aldehyde können in Form von Dimcen oder Trimeren verwendet werden.

Beispiele sind Mercaptoacetaldehyd, Glykolaldehyd, Hydroxybrenztraubensäurealdehyd, Glyoxal und Glykolaldehyd. Weil Wasser die Kondensation nicht stört, können Aldehyde wie Chloral, Fluoral, Glyoxal, Glyoxylsäure, Phenoxyacetaldehyd und Tetrahydrofurfuryloxyacetaldehyd auch als Hydrate umgesetzt werden. Nötigenfalls kann die Kondensation durch azeotrope Destillation erzwungen werden. Ausgangsverbindungen, wie Enamine von «./3-ungesättigten Aldehyden, Glycidester, Hydrogensulfitaddukte, N-Glykoside und Phenylbrenztraubensäure, die im Laufe der Reaktion einen Alydehyd abzugeben vermögen, können auch verwendet werden.

Unter diesen Gesichtspunkten können gewisse Amine oder aliphatische Aminoaldehyde auch als Salze, z. B. Chlorhydrate, zur Reaktion gebracht werden.

Die Endprodukte lönnen sich nach ihrer Bildung aus dem Feaktion:medii m al: scheiden, besonders wenn sie aromatischen Ch rakter besilzen. Sonst ist es

6o~ empfehlenswert, die I eaktions'ösung unter vermindertem Druck e nzud; mpfen. Die Reinigung kann durch Umkristal! sieren < der Umfallen vorgenommen werden. In vielen Fällen ! ann des anfallende Rohprodukt dire't für den vo gesehenen Zweck verwendet werden. Die nach derr vorliegenden Verfahren erhältlichen Diorgc normi' omethylpho: phinsäuren sind in der Regel an ph· tere Substanzen, die in der wäßrigen Lösung Zwitteric nen bilden kör.nen. Je nach den vor-

handenen weiteren basischen und/oder sauren Gruppen können diese Eigenschaften stark variieren. Die Endprodukte können für gewisse Zwecke, z. B. als kapillaraktive Mittel und Komplexbildner auch als Alkalisalze, für andere Zwecke, z. B. als Ölzusätze, auch als Aluminium- oder sonstige Metallsalze zum Einsatz gelangen.

Beispiel 1

Zu 15 g (0,5MoI) Formaldehyd (40%ige wäßrige Lösung) tropft man unter Eiskühlung 42,5 g (0,5 MbI) Piperidin und dann 33 g (0,5 Mol) H₃PO₂ (60%ige wäßrige Lösung, techn. Produkt). Die Reaktionsmischung wird unter vermindertem Druck bei 80⁰C eingedampft. Das zurückbleibende farblose Öl kristallisiert nach einiger Zeit bei Raumtemperatur. Das Produkt liegt selbst nach dem Trocknen im Hochvakuum noch als Hydrat vor.

Ausbeute 62 g (68,5%) Piperidinomethylphosphinsäure (Hydrat), Fp. 146 bis 147 ⁰C £aus Alkohol-Äther).

Analyse: C₆H₁₄NO₂P + H₂O (181,16).

Berechnet ... C 39,77, H 8,90, N 7,72%;
gefunden ... C 39,79, H 8,84, N 8,06%.

Beispiel 2

Zu 3 g (0,1 Mol) Formaldehyd (40%ige wäßrige Lösung) tropft man unter Eiskühlung 8,1 g (0,1 Mol) Diäthylamin und dann 6,6 g (0,1 Mol) H₃PO₂ (60%ige wäßrige Lösung, techn. Produkt). Die Reaktionsmischung wird 2 Stunden auf 70⁰C erwärmt und eingedampft. Es hinterbleibt ein viskoses, gelbliches Öl. Gemäß P³¹-NMR-Analyse besteht dieses Öl aus etwa 28% Diäthylaminomethylphosphinsäure, etwa 40% Hypophosphorsäure, etwa 20% Phosphorsäure und etwa 12% Diäthylaminomethylphosphonsäure.

Wird die Reaktionsmischung während 5 Stunden auf 70⁰C erhitzt, so enthält das zurückbleibende Öl etwa 68 % Diäthylaminomethylphosphinsäure.

Beispiel 3

Morpholin. Die Reaktionsmischung wird 1 Stunde unter Rückfluß erhitzt und unter vermindertem Druck eingedampft. Es hinterbleiben 18 g farbloses Öl, das nach 3 Tagen bei Raumtemperatur kristallisiert. Die Kristalle werden abgenutscht und aus Alkohol-Äther umkristallisiert. Man erhält weiße Kristalle, Fp. 203 bis 205⁰C. Die erhaltene Morpholinomethylphosphinsäure enthält selbst nach dem Trocknen im Vakuum . 1 Molekül Wasser.,

.Analyse; CjHi₂NO₃P + H₂O (183,13).

''Berechnet .:. C 32,79, H 7,70, N 7,64%;
gefunden ... C 32,48, H 7,70, N 7,82%.

is B e i s ρ i e 1 4

Zu 14,12 g (0,1 Mol) 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin gibt man unter Eiskühlung 3 g (0,1 Mol) Formaldehyd (40%ige wäßrige Lösung) und dann innerhalb

ίο von 10 Minuten 6,6 g (0,1 Mol) H₃PO₂ (60%ige wäßrige Lösung). Die Reaktion ist exotherm, und die Temperatur steigt auf 45 ⁰C. Nach 2 Stunden Rühren bei Raumtemperatur wird die klare Lösung unter reduziertem Druck eingedampft. Es hinterbleiben 20,7 g (87%) 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinomethylphosphinsäure als farbloses Öl, das bei Raumtemperatur kristallisiert.
Schmp. (aus Aceton umkristallisiert) 154 bis 155°C.

jo B e i s ρ i e 1 5

Zu 2,8 g (0,023 Mol) Piperidinhydrochloridhydrat in 20 ml Wasser gibt man 0,7 g (0,023 Mol) Formaldehyd (40%ige wäßrige Lösung) und 5 g (0,023 Mol) des Hydrochloride von Piperidinomethylphosphinsäure. Es setzt eine exotherme Reaktion ein. Nach dem Abdampfen des Wassers unter vermindertem Druck erhält man 7,5 g (98 %) des Dihydrochloride von Bis-(piperidinomethyl)-phosphinsäure

[(C₅H₁₀NHCH₂)₂P(O)OH] · 2HCl

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40

Zu 6,6 g (0,1 Mol) H₃PO₂ (60%ige wäßrige Lösung, techn. Produkt) und 3 g (0,1 Mol) Formaldehyd (40%ige wäßrige Lösung) tropft man 8,7 g (0,1 Mol) Schmp. 170 bis 180° C (Zers.).
Äquivalentgewicht:
Berechnet ... 333,2;

gefunden

339.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von substituierten Aminomethylphosphinsäuren der Formel

R³

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von substituierten Aminomethylphosphinsäuren der Formel

( η?

15

in welcher R¹, R² und R³ je einen gegebenenfalls substituierten Kohlenwasserstoffrest oder einen heterocyclischen Rest, wobei R¹ und R² als auch R¹ und R³ zusammen ein hettrocyclisches System bilden, R³ auch ein Wasserstoff atom und a I oder 2 bedeuten, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Aldehyd

R³CHO

mit einem sekundären Amin

R¹R²NH

und mit unterphosphoriger Säure in einem Lösungsmittel umsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zuerst bei 0 bis 4O⁰C ein gegebenenfalls substituiertes Methylolamin herstellt und dieses, gegebenenfalls nach vorheriger Isolierung und Reinigung, mit der unterphosphorigen Säure in einem molaren Verhältnis von etwa 1: 1 auf 70 bis 150⁰C erhitzt.

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