DE2061838C3 - 2-Phosphono-butan-1,2-dicarbonsäure-Derivate, Verfahren zu ihrer Herstellung und diese Verbindungen enthaltende Mittel - Google Patents

2-Phosphono-butan-1,2-dicarbonsäure-Derivate, Verfahren zu ihrer Herstellung und diese Verbindungen enthaltende Mittel

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DE2061838C3 DE19702061838 DE2061838A DE2061838C3 DE 2061838 C3 DE2061838 C3 DE 2061838C3 DE 19702061838 DE19702061838 DE 19702061838 DE 2061838 A DE2061838 A DE 2061838A DE 2061838 C3 DE2061838 C3 DE 2061838C3
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    • C07F9/3804Phosphonic acids RP(=O)(OH)2; Thiophosphonic acids, i.e. RP(=X)(XH)2 (X = S, Se) not used, see subgroups
    • C07F9/3808Acyclic saturated acids which can have further substituents on alkyl

Description

HO
CH1-CO-OH
in welcher R für Wasserstoff, Alkyl mit bis zu 4 Kohlenstoffatomen und für die Carboxyl-Gruppe steht, R' für Wasserstoff und Methyl steht und R2 für die Carboxyl-Gruppe steht.
2. Verfahren zur Herstellung von 2-Phosphonobutan-1,2-dicarbonsäure-Derivaten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man an Phosphonobernsteinsäure-tetraalkylester der Formel
R1O O
P —CH-CO-OR4
CH1-CO-OR4
in welcher R3 und R4 für Alkyl mit bis zu 4 Kohlenstoffatomen stehen, aktivierte Kohlenstoff-Doppelbindungen tragende Verbindungen der For- .vs me!
R1
40
R- CH C R"
in welcher R1 die oben angegebene Bedeutung hat, R5 für Wasserstoff, Alkyl und Carboalkoxy mit jeweils bis zu 4 Kohlenstoffatomen stein und Rb für Cyan, die Carbonamide)- und die Carboalkoxy-Gruppe steht, in Gegenwart von katalytisch wirksamen starken Basen addiert und die Addukte der Formel
R- R1
; i
R1O O CII CII R"
^ Ii f
P C CO OR4 R-1O CH, CO OR4
in welcher R1, R1, R4, R'1 und Rh die oben angegebene Bedeutung haben, anschließend mil wäßrigen Mineralsäuren zu den Verbindungen gemäß Anspruch 1 verseift.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als katalytisch wirksame starke Hasen Alkalialkoholatc verwendet werden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als katalytisch wirksame starke Base Natriummcthylat verwendet wird.
Die vorliegende Anmeldung betrifft den in, den Patentansprüchen gekennzeichneten Gegenstand.
Es ist bereits bekanntgeworden, daß sich zur Sequestrierung von Erdalkaliionen in alkalischem Medium neben herkömmlichen Komplexbildnern, wie Nitrilotriessigsäure, auch Phosphonsäuren eignen, die in der Lage sind, die Ausfällung von schwerlöslichen Erdalkaliverbindungen zu verhindern. Für diesen Zweck sind z. B. Nitrilo-tris-mcthylenphosphonsäurc, I-Hydroxyäthan-l,l-diphosphonsäure und Phosphonobernsleinsäure vorgeschlagen worden (vgl. hierzu die deutschen Auslegeschriften 1198 852 und 12 49 275 und die Angaben in Journal of the General Chemistry of the USSR, 24, S. 121 bit 124 [1954]). Es ist ferner bekannt, daß es bei Anwendung dieser Phosphonsäuren genügt, mit weniger als der stöchiometrisch verlangten Menge zu arbeiten (sogenannter »Threshold-Effekt«), um die Bildung eines harten, unlöslichen Niederschlags zu vermeiden. Jedoch hat die Nitrilotriessigsäure den Nachteil, daß sie keinen »Threshold-Effekt« zeigt und außer Erdalkaliionen auch Schwermetallionen komplexiert und daher wegen Korrosionsgefahr nicht unbedenklich erscheint.
Die 1-Hydroxyäthan-U-diphosphonsäure und die Niirilo-tris-mcthylenphosphonsäure sind technisch schwer darstellbar. Die Herstellung der Phosphonobernsteinsäure ist technisch einfach, und ein weiterer Vorteil ist der niedrige Phosphorgehalt derselben, jedoch ist ihr Komplexbildungsvermögen geringer als bei den anderen genannten vorbekannten Verbindungen. Zusammenfassend ist somit zu sagen, daß hoher Phosphorgehalt und damit verbundene Algenbildung in den Abwässern, die Gefahr der Korrosion von Metallteilen und nicht immer befriedigendes Komplexbildungsvermögen bei den herkömmlichen Mitteln zu beanstanden waren.
Noch nicht bekanntgeworden, aber Gegenstand einer vorgängigen Anmeldung ist, daß allgemein nt-Alkylphosphonobersteinsäurcn sich durch ein sehr gutes Komplexbildungsvcrmögcn für Erdalkaliionen auszeichnen DF-OS 20 15 068.
Demgegenüber zeigen die crlindungsgemäßen 2-Phosphonobutan-l,2-dicarbonsäure-Derivate überraschenderweise ein erheblich besseres Komplexbildungsvcrmögen als die vorbekanntcn Verbindungen. Die crfindungsgemäßen Stoffe stellen somit eine- Bereicherung der Technik dar.
Der Reaktionsablauf bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungen kann, wenn man Phosphonobcrnsteinsäiiretetramelhylester und Acrylsiiuremethylestcr als Ausgangsstoffe verwendet, durch das
folgende Formelschema wiedergegeben werden
O
ll
P—CH-CO—OCH,
CH1O O
\ll
CH3O CH2-CO-OCH,
+ CH2=CH-CO-OCH,
CH1O O CH,-CH1-CO-OCH,
' Ml I. " '
P—C—CO—OCH1
[NaOCH,]
CH1O
CH2-CO-OCH,
"5
HO O CH,- CH,- COOH
Ml I "
P—C —COOH
/ I
HO CH,-COOH
Bevorzugte, als Ausgangsstoffe verwendete Phosphonobcrsteinsäure-tetraalkylester sind solche, in de- 2S nen R3 und R4 für Methyl und Äthyl stehen. Die Verbindungen und deren Herstellung sind bekannt (Journal of the General Chemistry of the USSR, 24, S. 121 bis 124 [1954]).
In den als Ausgangsstoffen verwendeten aktivierte Kohlenstoff-Doppelbindungen tragenden Verbindungen steht R1 vorzugsweise für Wasserstoff und Methyl, R1· vorzugsweise für Wasserstoff, Methyl. Äthyl, Carbomcthoxy und Carbäthoxy und Rb vorzugsweise für Cyan, Carbomethoxy und Carboälhoxy. Die Vcrbindungen sind allgemein bekannt, ebenso die Herstellung derselben.
Die Umsetzungen können sowohl ohne als auch mil Verdünnungsmitteln durchgeführt werden. Als Verdünnungsmittel kommen alle inerten organischen Lösungsmittel in Frage. Hierzu gehören vorzugsweise Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Toluol, Xylol, Äther, wie Diälhyläther, Tetrahydrofuran, ferner noch Alkohole, wie Methanol, Äthanol, Butanol.
Als Rcaktonskatalysatorcn werden starke Basen verwendet. Bewährt haben sich z. B. Alkali-alkoholalc, wie Natriummethylat, Lilhium-mcthylat, Kalium-butylat, ferner Tetraalkylammonium-hydroxide.
Die Reaktionstemperaturen können in einem größeren Bereich variiert werden. Im allgemeinen arbeitet so man zwischen —20 und +140"C, vorzugsweise zwischen O und +8O0C.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt man die Ausgangsverbindungen bevorzugt in äquimolaren Mengen ein, an Katalysator (z. B. an Niitrium-methylat) werden etwa 0,1 Mol pro Mol Ausgangsverbindungen eingesetzt; der Katalysator wird bevorzugt in alkoholische Lösung eingetropft.
Die erhaltenen 2-Dialkylphosphono-butan-l,2-dicarbonsäureester-Derivate werden anschließend durch Erwärmen mit Salzsäure verseift. Dabei kann sowohl konzentrierte als auch verdünnte wäßrige Salzsäure angewandt werden. Die 2-Phosphono-butan-1,2-dicarbonsäure-Derivate liegen nach der Verseifung gelöst in Salzsäure vor. Nach Abdestillieren der Salzsäure im Vakuum bei Temperaturen bis höchstens 140"C werden die wasserfreien 2-Phosphono-butan-l,2-dicarbonsäure-Derivate erhalten, die in der Wärme zähflüssig sind und in der Kälte entweder kristallisieren oder glasig erstarren.
Die erfindungsgemäßen 2-Phosphono-butan-l,2-dicarbonsäure-Derivate oder ihre Alkali- und Ammoniumsalze zeichnen sich durch ein ausgezeichnetes Komplexbildungsvermögen für Erdalkaliionen aas. Sie sind deshalb hervorragend als Sequestrierungsmittel, z. B. in Reinigungsmitteln, geeignet, wie sie in der Nahrungsmittelindustrie zur Flaschenreinigung verwendet werden. Dabei ist das Komplexbildungsvermögen der erfindungsgemäßen Verbindungen wesentlich höher als das der bislang verwendeten Phosphorverbindungen.
Die ernndungsgemäßen Verbindungen können als freie Säuren oder in Form ihrer Alkali- oder Aminsalze in den Reinigungsmitteln, die außerdem noch die üblichen Zusatzstoffe, wie Netzmittel, Emulgatoren, Entschäumer, Bleichmittel und Desinfektionsmittel, enthalten können, verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen 2-Phosphono-butan-1,2-dicarbonsäure-Derivate weisen einen niedrigen Phosphorgehalt aiff. Dadurch ist die Gefahr der Algenbildung in den Abwässern, die bekanntlich vom Phosphorgehalt der Wasser abhängt, herabgesetzt. Die folgende Übersicht zeigt den Phosphorgehalt von einigen Komplexbildnern auf:
Verbindung
% Phosphor in Molekül
Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure 31,1
(bekannt)
1 - Hydroxaäthan-1,1 -diphosphonsäure 30,1
(bekannt)
Tripolyphosphat (Natrium-Salz) (bekannt) 25,3
Phosphonobernsteinsäure (bekannt) 15,7
a-Methylphosphonobernsteinsäure 14,6
(Gegenstand älterer Anmeldung)
2-Phosphonobutan-tricarbonsäure (erfin- 11,5
dungsgemäß)
Verwendungsbeispiel A
Sequestriervermögen/Enthärtungsfaktoren
Der Enthärtungsfaktor stellt ein Mali für das Sequestriervermögen (Komplexbildungsvcrmögen) tliir. Er wird wie folgt bestimmt:
Reagenzien:
1. Sodalösung:
100 g calcinierte Soda p. A. werden mit destilliertem Wasser gelöst und auf 1000 ml aufgefüllt.
2. Calciumchlorid-Lösung:
37,92 g CaCl2 ■ H2O werden mit destilliertem Wasser gelöst und auf 1000 ml aufgefüllt.
Durchführung der Titration
100 ml der l°/oigen Probelösung in destilliertem Wasser werden (entsprechend der vorhandenen Acidität) mit Natronlauge oder Salzsäure auf pH 13,0 eingestellt. Man fügt 2 ml Sodalösung zu. Unter ständigem Rühren läßt man die Calciumchlorid-Lösung zutropfen, bis eine Trübung erkennbar ist, die sich innerhalb von einer Minute nicht mehr auflöst. Die Ein ellung der Calciumchlorid-Lösung wurde so vorgenommen,daß 100 ml einer l'Viiigcn Nairium-hexametaphosphat-Lösung einen Verbrauch von 10.0 ml Calciumchlorid-Lösung ergibt. Der Verbrauch von
0,1 ml CaCb-Lösung entspricht einem Enthärtungsfaktor von 1.
Die folgende Tabelle zeigt die Enthärtungsfaktoren von einigen Sequestriermitteln:
Sequestriervermögen/Enthärtungsfaktoren
Verbindung
Enthär-
tungs-
fal.ior
0-Phosphonobuttersäure (bekannt) 26
/J-Phosphonopropionsäure (bekannt) 30
1 -Phosphonopropan^.S-dicarbonsäure 58
(bekannt)
Natriumhexametaphosphat (bekannt) 100
1,2-Diphosphonobernsteinsäure (bekannt) 100
Phosphonobernsteinsäure (bekannt) il 00
Hydroxy-äthan-diphosphonsäure (bekannt) 280
Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure 309
(bekannt)
2-Phosphono-butan-tricarbonsäure-(l,2,4) 350
Kühlung bei 12 bis K0C 0,3 MoI Natrium-methylat in 100 ml Methanol innerhalb von 70 Minuten zugetropft. Das Methanol wird im Vakuum bis zu einer Sumpftemperalur von 80°C abdestilliert. Die Rohausbeute an 2-Dimethylphosphono- butan- tricarbonsäure- methylester-(l,2,4) beträgt 665 g (98% der Theorie). Die Verbindung destilliert beim Kp. 175 bis 183°C/1 Torr.
Der so erhaltene 2-Dimethylphospiiono-butan-tricarbonsäuremethylester-(l, 2, 4) wird mit 100 ml verdünnter Salzsäure (2 Mol Säure/I) 18 Stunden unter Abdestillieren des bei der Verseifung gebildeten Methanols auf Siedetemperatur erhitzt Anschließend wird das Verseifungsgemisch mit 150 ml konzentrierter Salzsäure (12MoI Säure/1) versetzt und weitere 18 Stunden auf Rückflußtemperatur erhitzt. Dann wird die Reaktionslösung im Vakuum zur Trockene eingedampft (maximale Sumpftemperatur 1200C) und mit Wasser zu einer 500/oigen Lösung verdünnt
Beispiel 2
Verwendungsbeispiel B
In einer Brauerei wurden Bierflaschen mit einer Reinigungsmittellösung, die 0,02% 2-Phosphono-butantricarbonsäure-(l, 2, 4), 0,03% Orthophosphorsäure, 0,02% Entschäumer und 1,0% Ätznatron enthielt, gereinigt. Die Wasserhärte betrug 15°dH. An allen fünf Versuchstagen verließen die Flaschen in tadellos gereinigtem Zustand die Maschine. Sie waren gut benetzt und zeigten nach dem Trocknen keinen Kalkbelag; auch an den Maschinenteilen konnte kein Steinbelag festgestellt werden.
Verwendungsbeispiel C
In einem Mineralwasserbetrieb wurden dem einen Nachspritzwasser der Flaschenwaschmaschine 17 g 2-Phosphono-butantricarbonsäure-(l, 2, 4)/cbm Wasser zudosiert. Die Gesamthärte des Betriebswassers betrug 30°dH. Während ohne Phosphatimpfung schon innerhalb weniger Tage Steinbildung an den Spritzrohren im Bereich der Zwischenspritzung und Warmwasserstation auftrat, konnte die Steinbildung durch die Zudosierung der 2-Phosphono-butan-tricarbonsäure-(l, 2, 4) völlig unterdrückt werden. Die Zahl der sogenannten »überkochenden Flaschen« ging auf Null zurück. Dies ist ein Zeichen dafür, daß sich auf den Flaschen keine mikroskopisch kleinen Kalkkristalle festgesetzt haben, die die Freisetzung der Kohlensäure aus dem übersättigten Mineralwasser bewirken.
Herstellungsbeispiele
Beispiel 1
HO O CH,-CH,- CO-OH
P-C- i;
OH
HO
CH7-CO-OH
Zu der Mischung von 508 g (2 Mol) Phosphonobcrnsteinsäuretetramethylester und 172 g (2 Mol) Acrylsäuremethylester werden unter Rühren und intensiver HO O CH,-CH,-COOH
\ll i *
P—C—CO—OH
HO
CH,-CO—OH
55
60 Ein Gemisch aus 254 g (1 Mol) Phosphonobernsteinsäure-tetramethylester und 53 g (1 Mol) Acrylnitril wird in einem Dreihalskolben mit Rührer, Tropftrichter und Thermometer auf 30°C vorgeheizt. Innerhalb einer halben Stunde werden 0,1 Mol Natrium-methylat in 35 ml Methanol zugetropft, wobei die Temperatur durch intensive Kühlung zwischen 30 und 35°C gehalten wird. Es wird noch eine Stunde bei 700C nachgerührt und anschließend Methanol im Vakuum bis zu einer Sumpftemperatur von 900C abdestilliert. Es werden 302 g 2-Dimethylphosphono-4-nitrilo-butan-dicarbonsäuremethylester-(l, 2) erhalten.
Der Ester wird nach der im Beispiel 1 angegebenen Weise verseift, nur wird das entstehende, ungelöste Ammoniumchlorid vor dem Eindampfen zur Trockene abfiltriert.
Beispiel 3
CH,
HO O CH-CH2-CO-OH
\ll I
P—C—CO —OH
/ I
HO CH2-CO-OH
Ein Gemisch aus 155 g (0,5 Mol) Phosphonobernsteinsäure-tetraäthylester und 56 g (0,5 Mol) Crotonsäureäthylester wird auf 1000C vorgeheizt und innerhalb von 40 Minuten bei 1000C mit 50 ml einer Lösung von Natrium-äthylat in Äthanol (2,07 Mol/I) versetzt. Dabei muß weiter geheizt werden. Anschließend werden alle flüchtigen Stoffe im Vakuum bei 100°C abdestilliert. Das zurückbleibende Reaktionsprodukt (182 g) wird nach der im BeisDiel 1 angesehenen Weise verseift.
Beispiel 4
CH,
HO O CH2-CH-CO-OH
HO
1'—C—CO—OH
CH7-CO-OH
Ein Gemisch aus 254 g (1 Mol) Phosphonobernsteinsäure-tetramethylester und 10Og(I Mol) Methacrylsäure-methylester werden unter Rühren innerhalb von 30 Minuten mit 0,1 Mol Natriummethylat in 35 ml Methanol bei 20° C versetzt. Anschließend wird 2 Stunden nachgerührt, wobei die Temperatur auf 30°C ansteigt. Nach Abziehen des Methanols und des unreagierten Methacrylsäure-methylesters im Vakuum bis zu einer Sumpf temperatur von 80° C bleibt eine Ausbeute von 296 g Rohprodukt zurück. Der Ester wird in der in Beispiel 1 angegebenen Weise verseift.
Beispiel 5
CO—OH
HO O CH-CH2-CO-OH
\ll I
P—C—CO—OH
HO
CH,- CO— OH
254 g (1 Mol) Phosphonobernsteinsäuretetramethyl ester werden auf 60°C vorgeheizt. Innerhalb von 4( Minuten werden 144 g (1 Mol) Maleinsäure-dimethyl ester und 0,13MoI Natrimmethylat, gelöst in 40 m Methanol, unter Rühren und Außenkühlung zugetropft Nach Abziehen aller flüchtigen Stoffe im Vakuum bis zi einer Sumpftemperatur von 90° C bleiben 312 g Reaktionsprodukt zurück. Der Ester wird in der ir Beispiel 1 angegebenen Weise verseift.

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1. 2-Phosphono-butan-1,2-dicarbonsäure-Derivate der Formel
    R R1
    I I
    HO O CH- CH- R2
    \ll I
    P—C —CO —OH
    5. Mittel zur komplexen Bindung von Erdalkaliionen, gekennzeichnet durch einen Gehalt an
    2-Phosphono-butan-l,2-dicarbonsäure-Derivaten gemäß Anspruch 1.
    6. Reinigungsmittel, gekennzeichnet durch einen Gehalt an 2-Phosphono-butan-l,2-dicarbonsäure-Derivaten gemäß Anspruch 1.
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