DE2117880A1 - Substituierte Athandiphosphonsäuren, ihre Salze und Ester, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung - Google Patents

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

8 MÜNCllBMK3ISm0HK?ASSE

8 München 80 ■ Mauerkirctieretr.48

Dr. Berg Dipl.-Ing. Stapf, 8 München 2, Hllblestraße 20 Ihr Zeichen Unser Zeichen Datum

Anwaltsakte 20 839 Be/fteh

Monsanto Company St.Louis, USA

Substituierte Äthandiphosphonsäuren,

ihre Salze und Ester, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung

Die Torliegende Erfindung betrifft neuartige Äthandiphosphonatverbindungen und Verfahren zu ihrer Herstellung. Im besonderen betrifft die vorliegende Erfindung als Hauptgegenstand A'thand !phosphonsäuren, sowie deren Salze und C 3-21-3021-S -2-

109844/1963

Ester, sowie Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die vorliegende Erfindung stellt neuartige und wertvolle äthandiphosphonatverbindungen zur Verfügung, die der folgenden allgemeinen Formel I entsprechen:

(ι) ο

Il

P - OR,

¹ ' ·* OR,

HC C *

ⁿ O

Il

P - OR,

t J

OR-

worin R₁ Sauerst'off, Halogen, Hydroxy, -CH, -N(R. )₂ (worin R. eine Wasserstoff- und/oder Alkylgruppe mit 1 bis 4"

30, vorzugsweise 1 bis 8 und insbesondere 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist) -XRc» (worin X eine Sauerstoff- und/oder Schwefelgruppe und R- eine Alkylgruppe mit 1 bis 30, vorzugsweise 1 bis 8, insbesondere 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist), CgH₅ (Phenyl) und CH₂.CgH₅ (Benzyl), Acetoxy, -SO-R. (worin R. die gleiche Bedeutung wie oben hat), Benzoyl, -CO₂H und/oder -CH(COORg)₂ sein kann (worin Rg eine Alkylgruppe mit 1 bis 30, vorzugsweise 1 bis 8 und insbesondere 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist.

In der vorausgehenden allgemeinen Formel I hat R₂ irgendeine der Bedeutungen von H₁, und Wasserstoff, ausgenommen Sauerstoff. Dies ist so zu verstehen, daß R₂

-3-

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dann nie Sauerstoff ist und Rp nur Wasserstoff ist, wenn R.. Sauerstoff ist. Zusätzlich ist darauf hinzuweisen, daß in allen Fällen, außer- wenn R₁ Sauerstoff und R~ Wasser- ' stoff ist, wenigstens einer der Reste'R- oder R« eine Hyd-roxygruppe ist. Mit anderen Worten und nur zur Erläuterung, muß dann, wenn R^ Chlor ist, R₂ eine Hydroxygruppe sein. · ⁿ . -

In Verbindung mit der Einschränkung, daß Rg nur Wasserstoff „ ist, wenn R- Sauerstoff ist, unter Bezugnahme auf die vorausgehende" allgemeine Formel I, ist η eine ganze Zahl von 1 oder 2 und η nur 1, wenn R₁ Sauerstoff ist.

In der vorausgehenden allgemeinen Formel I "bedeutet R~ Metallionen, Wasserstoff, Alkyl, Alkenyl, Aryl, Alkylaryl, cyclische und/oder alicyclische Reste. Die voraus "bezeichneten Metallionen sind von der Gruppe von Metallen, wozu ohne Einschränkung Alkalimetalle wie Natrium, Lithium und Kalium, Erdalkalimetalle wie Kalzium und Magnesium, Aluminium, ι Zink, Cadmium, Mangan, Nickel, Kobalt, Cer, Blei,· Zinn, Eisen, Chrom und Queqksilber gehören. Es gehören weiterhin dazu Ammoniumionen und Alkylammoniumionen. Im besonderen •solche Alkylammoniumi onen die abgeleitet sind von Aminen mit niederem Molekulargewicht, 7/ie unter ungefähr 300, im besonderen von Alkylaminen, Alkylenaminen und Alkanolaminen mit nicht mehr als zwei Amingruppen, wie äthylamin, Diethylamin, Propylamin, Propylendiamin, Hexylamin, 2-/Lthylhexylanin, Iv-butylüthanolamin, Triäthanolamin und

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-4-

-A-

dergleichen, die die bevorzugten Amine sind. Bevorzugte Metallionen sind solche, die ein wasserlösliches Salz ergeben.

In Bezug auf die vorausgehende allgemeine Formel I und besonders dann, wenn das Äthandiphosphonat in der Esterform vorliegt, d.h. B-, ein vorausgehend erwähnter organischer Rest ist, sind die folgenden Substituenten bevorzugt :

a) Alkyl - mit ungefähr 1 bis 18 Kohlenstoffatomen

b) Alkenyl - mit ungefähr 1 bis ungefähr 18 Kohlen

stoffatomen

c) Aryl-Phenyl, Naphthyl, Anthryl oder Phenanthryl

d) Alkylaryl (Alkaryl) - Hydroxy, Halogen, Niedrig-

alkyl mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen und Aminosubstituiertes Phenyl, Naphthyl, Anthryl oder Phenanthryl

e) cyclische Reste - mit ungefähr 4 bis ungefähr 8

Kohlenstoffatomen, in deren Ring entweder ein Stickstoff-, Schwefel-, Sauerstoffoder Phosphoratom vorhanden sein kann und

f) alicyclische Reste - mit 4 bis ungefähr 10 Kohlen

stoffatomen.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die gesamten Verbindungen, die in den Bereich der allgemeinen Formel I, wie sie vorausgehend definiert wurde, fallen, generisch als "äthandiphosphonate" bezeichnet werden. Das heißt auch, daß die Säuren, Salze und Ester, sowie ihre Gemische, insgesamt generisch als Äthandiphosphonate beschrieben werden. 109644/1963 _₅_

Im allgemeinen werden die Äthandiphosphonate dadurch, hergestellt, daß man ein Epoxyäthandiphosphonat der nachfolgenden IOrmel

(II) 0

Il

OR₃

worin R,, die gleiche Bedeutung wie oben hat, mit einem De-oxiranisierungsmittel, das den Ring der Epoxyverbindung öffnet, unter Bildung der in den Bereich der allgemeinen Formel I fallenden äthandiphosphonate in Kontakt bringt. Die Bezeichnung "Epoxyäthandiphosphonat", wie sie hier verwendet wird, gilt generisch und umfassend für Säure-, Salz- und Esterformen, wobei diese Bezeichnung nachfolgend gelegentlich mit EÄDP abgekürzt wird.

Zu den De-oxiranisierungsmitteln, die diese Ringöffnung bewirken, gehören ohne Einschränkung Wasser, Ammoniak, primäre Amine, sekundäre Amine, Säuren, Malonate, Alkohole, Mercaptane, Lewis- Säurekatalysatoren und ihre Gemische. Die spezifische Verwendung dieser De-oxiranisierungsmittel ist in dem nachfolgenden Verfahren beschrieben.

Es kann beispielsweise das Epoxyäthandiphosphonat, das zur Herstellung der Äthandiphosphonate der vorliegenden Erfin-

109844/1963. ~⁶~

dung verwendet wird, dadurch hergestellt werden, daß man das Dinatriumsalz der Äthylendiphosphonsäure, d.h..

O Il	ONa
P -
OH
0 Il	ONa
P - ι

OH

mit Wasserstoffperoxid in Gegenwart eines Katalysators, wie Natriumwolframat, umsetzt. Das oben erwähnte Athylendiphosphonat, ebenso mitunter als Vinylidendiphosphonat bezeichnet, ist*als solches bekannt und (in seiner Esterform und Verfahren zur Herstellung) beispielsweise in der ü.S.-Patentschrift 3 062 792 beschrieben. Das voraus bezeichnete Dinatriumsalz kann aus dem Ester (der U. S.Patentschrift 3 062 792) durch Mineralsäurehydrolyse unter nachfolgender Umsetzung mit Natriumhydroxid erhalten werden. Die Äthylend!phosphonsäuren und ihre Salze sind als solche, sowie Verfahren zu ihrer Herstellung, in der Kanadischen Patentschrift 811 736 beschrieben.

Es folgt nun eine eingehende Erläuterung zur Herstellung von Ä.thandiphosphonaten aus EÄDP.

Die Hydrolyse von Epoxyäthandiphosphonat unter Bildung des Dihydroxyäthandiphosphonats verlauft nach dem folgenden Reaktionsablauf

109844/1963 ~⁷~

(II) O O (III)

Il Il

P- OR_, OH OH / · °

H₃C Ο' ^{5 n}2^U \ H₀C^J Ο' ^p

^ ^ ^ά "χ O

^N_x I!

P - OIL· ι ^

OR,
3

worin R- die gleiche Bedeutung wie oben hat. Die Reaktion kann, in der Weise durchgeführt werden, daß man das Epoxyäthandjj:hosphonat in einem ausreichendem Wasservolumen, d.h. in venigsteii3 der stoichiometrischen Menge, vorzugsweise bei einem Molverhältnis Wasser zu EADP von 1:1 bis 20:1 mischt, und die erhaltene Masse erhitzt, bis im wesentlichen axe vollständige Hydrolyse abgelaufen ist. Die Verwendung größerer als stoichiometrischer Wassermengen dient als Verdünnungsmittel für das Eeaktionssystem. Es wurde weiterhin festgestellt, daß im wesentlichen wassermischbare, organische Verdünnungsmittel, die einen Siedepunkt zwischen ungefähr 50⁰C und 150⁰C und vorzugsweise von ungefähr 70⁰C bis ungefähr 100⁰C aufweisen, wie Di-oxan, Azeton, niedrige Alkohle z.B. Methanol, Äthanol, Propanol und Bu-canol als Reaktionsmedium oder Verdünnungsmittel geeignet sind, in denen die oben beschriebene Hydrolysenreaktion durchgeführt werden kann.

Die liydrolysenreaktion kann durch Zugabe eines Säurekatalysators, beispielsweise von 0,01 bis 10 Gew.^, bezogen auf das Gesamtgewicht EADP, wie HClO., HpSO₄, HCl, Benzol-

109844/1963 ~'⁰~

sulfonsäure und dergleichen, beschleunigt werden. Jedoch, ist die Verwendung eines Säurekatalysators nicht notwendig, um die erwähnte Reaktion durchzuführen, wenn der Rest R_ des EÄDP in allen Fällen Wasserstoff ist, oder wenn wenigstens 5 Wasserstoffatome vorhanden sind, jedoch ist er erwünscht, sofern das E&DP in der Salz-, Partialsalz-, Ester- oder Partialesterform vorliegt_o Im allgemeinen findet das Erhitzen dea Epoxyäthandiphosphonats in Wasser "bei einer Temperatur über ungefähr 5O⁰C, vorzugsweise von ungefähr 80⁰C bis ungefähr 150⁰C, entweder unter atmosphärischen, unter-atmosphärischen, z.B. % bis 760 Torr oder überatmosphärisehen, z.B. 1 bis 10 atm, Bedingungen und ausreichend lange, beispielsweise von ungefähr 5 Minuten bis ungefähr 2 Stunden oder mehr, abhängig von dem als Ausgangsmaterial verwendeten besonderen Epoxyäthandiphosphonat und ebenso, wenn ein Säurekatalysator verwendet wird, zur Erleichterung einer beschleunigten Reaktion,statt.

Bei der Herstellung der Verbindungen der Formel III aus der Salzform der Verbindungen der Formel II, d.h. worin R- in jedem Falle ein Metallion ist, ist es ervvünscht, daß die Salzform der Verbindungen der Formel II in die Säureform, d.h. worin R, in jedem Falle Wasserstoff ist, vor der Hydrolysenstufe überführt wird, um eine hohe umwandlungsausbeute zu erreichen. (Jedoch ist die Umwandlung der Salze der Formel II in die Säureform zur Herstellung der Salze der Formel III nicht wesentlich.) Im einzelnen wird

1098U/1963 ~⁹~

die umwandlung der Salzform in die Säureform dadurch bewirkt, daß man beispielsweise eine wässrige Lösung, die das Dinatriumsalz von EäDP enthält, durch irgendeinen der bekannten, kommerziell erhältlichen Wasserstoffionen-Austauscherharze leitet. Die erhaltene Säureform, die gewöhnlich einen pH-Wert unter 4 aufweist, kann nach dem vorausgehend beschriebenen, allgemeinen Verfahren hydrousiert werden.

Bei der Gesamthydrolyse der Säure- und Esterformen von EÄDP ist es wünschenswert, nach Erhitzen in der Hydrolysenform, das Wasser aus der erhaltenen Masse mittels Verdampfen, beispielsweise unter Vakuum, z.B. bei % bis 760 Tori vorzugsweise von 1 bis 50 Torr, bei einer Temperatur von ungefähr -10⁰C bis ungefähr 150⁰C, vorzugsweise von ungefähr -10⁰C bis ungefähr 50⁰C, zu entfernen. Nachfolgend wird ein Wasser-nichtmischbares inertes Lösungsmittel, wie Benzol, Toluol, Hexan, Heptan, Isopropyläther, oder Octan, Cyclohexan und dergleichen, dem Rückstandprodukt in dem Reaktionsgefäß zugegeben, und das erhaltene Gemisch azeotropisch bei einer Temperatur von ungefähr 50⁰C bis ungefähr HO⁰C destilliert, bis im wesentlichen kein Wasser in dem Destillat beobachtet wird. Das gebildete, gewünschte

•χι ι

Produkt, kann mittels Standardanalysen, wie P^ und H kernmagnetischer Resonanzanalyse (KMR), Elementaranalyse, Infrarotspektrum und dergleichen, abhängig von der jeweiligen physikalischen und/oder chemischen Form des Produkts

-10-109844/1963

- ίο -

identifiziert werden, la ist klar, daß diese analytischen Verfahren ebenso verwendbar sind zur Identifizierung von . Verbindungen der Formel I.

Zur Erläuterung der Äthandiphosphonate, die nach der vor-.ausbezeichneten Hydrolysenreaktion von EÄDP hergestellt werden können, seien ohne Einschränkung die folgenden Verbindungen erwähnt:

1) H₂C(OH)C(OH)(PO₃Hg)₂

1,2-Dihydroxyäthan-1,1-diphosphonsäure

2) H₂C(OH)C(OH)(PO₃NaH)₂

Dinatrium-1,2-dihydroxyb.tb.an-1,1 -diphosphonat 5) H₉C(OH)C(OH)[PO (C_?H)]_?

Cm. ^ Cm ^ W C_.

Tetraäthyl-1,2-dihydroxyäthan-i,1-diphosphonat

4) H₂C(OH(C(OH)(PO₃HC₆H₅)₂

Diphenyl-1 _t2-dihydroxyäthan-1,1-diphosphonat

5) H₂C(OH)C(OH)(P0₃K₂)₂

Ietrakalium-1»2-dihydroxyäthan-1,1-diphosphonat \ 6) H₂C(OH)C(OH)(PO₃Zn)₂

Dizink-1,2-dihydroxyäthan-1,1 -diphosphonat 7) H₂G(OH)C(OH)(PO₃HC₄H₉)₂ Dibutyl-t,2-dihydroxyäthan-i,1-diphosphonat

Oie Reaktion des Epoxyäthandiphosphonats mit einem stickstoffhaltigen Material, nämlich Ammoniak und/oder primären und sekundären Aminen (generisch hier als Ammonolyse bezeichnet) führt zu "Amin"-h/droxyderivaten nach dem folgen-

-11-109844/1963

den Reaktion3schema

(H)

Il

.P - OR, ι ■>

OR,

It

P - OR_x OR,

(IV)

c'

Il

.P - OR,

I J

OR,

II'

P - OR_x OR,

(V)

OH ι

II'

OR.

O
u

'P ■ t

OR.

OR.

OR,

worin R, die gleiche Bedeutung wie oben hat. In der vorausgehenden Reaktion bezeichnet (R.)₂M Ammoniak, primäres oder sekunderes Amin, und R. hat die gleiche Bedeutung wie vorausgehend und ist Wasserstoff und/oder Alkyl mit 1 bis 30, vorzugsweise 1 bis 8 Kohlenstoffatomen. Wie in dem oben angegebenen Reaktionverlauf angegeben, wird ein Gemisch von zwei Isomeren (1-Amino -2-hydroxy- und 2-Amino -1-hydroxyäthandiphosphonat) gebildet. [Das Wort "!Imino" bezeichnet in diesem Falle -NH₂ oder ~N(R.)p],

Es wurde in allen Fällen festgestellt, dai das durch die vorausgehende Reaktion gebildete Hauptprodukt, das 2-Amino-1-hydroxyjthandipiiosphonat ist. .Venn gewünscht, können die

109844/1363 -12-

Isomeren nach herkömmlichen„ chromatographischen Verfahren getrennt werden. Jedoch wurde festgestellt, daß ein Isomer nicht wesentlich das andere Isomer im Sinne der Endverr/endung stört und daß demzufolge die Trennung der beiden Isomere nicht notwendig ist. Dieser besondere Fall der beiden Isomere ist ebenso anwendbar auf andere Isomerengemische der nachfolgend beschriebenen Äthandiphosphonate.

Όie Torausgehende Ammonolysenreaktion wird im allgemeinen bei einer Temperatur zwischen ungefähr -4O⁰C und ungefähr 15O⁰C und unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt. Jedoch liegt es im Eahmen der vorliegenden Erfindung, daß überatmosphärische, beispielsweise von ungefähr 1 bis ungefähr 10 atm und unteratmosphärische, z.B. % bis 760 Torr, Bedingungen nach Wunsch verwendet werden können. Es wird bevorzugt, die erwähnte Ammonolysenreaktion so durchzuführen, daß das zur Verwendung vorgesehene Amin im Überschuß, gegenüber der stoichiometriach erforderlichen Menge, vorhanden ist, um mit dem Epoxyäthandiphosphonat zu reagieren; beispielsweise ermöglicht ein Molverhältnis von 100:1 Ammoniak zu EÄDP, dem Ammoniak, ebenso als Reaktionsmedium zu dienen. Jede Aminmenge kann im Überschuß gegenüber der stoichiometrisch erforderlichen Menge solange verwendet werden, als keine wesentliche nachteilige Wirkung auf die Bildung des gewünschten Endprodukts eintritt. Bei der vorausgehend erwähnten .Reaktion kann, wenn das Ausgangs-EÄDP in Esterform verwendet wird, ein inertes, organisches

109844/1963 "¹³~

.Lösungsmittel, wie Benzol, Toluol, Hexan, Heptan, ein Halogenkohlenstoff wie Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform, Methylenchlorid, Isopropylather, Octan, Cyclohexan und dergleichen, sofern man es wünscht, verwendet werden, um unter anderem die leichtere Handhabung der Reaktionsmasse Temperatursteuerung sowie bessere Ausbeuten, zu ermöglichen .

Bei der allgemeinen,voraus beschriebenen Ammonolysenreaktion, und besonders dann, wenn die Verbindungen der Formel II in Säureform vorliegen, d.h. B, Wasserstoff ist, . ist das erhaltene Äthandiphosphonat isomere Gemisch in Ammoniumsalzform und es sind weitere Verarbeitungsstufen notwendig, um das gewünschte Äthandiphosphonat in der Säureform herzustellen. Im spezifischen falle, werden wenigstens stoichiometrische Mengen eines Erdalkalimetall- (d.h. Barium-, Strontium-, Kalzium- und Magnesium-) hydroxids, beispielsweise von Bariumhydroxid (in Wasser) dem Isomerengemisch zugegeben, wodurch man die Bildung von B<*riumsal- zen der Verbindungen der Formel IV und V erhält. (Dies wird nachgewiesen durch Elementaranalyse des trockenen Materials und durch kernmagnetische Resonanz- (KMR) spektren von P und H Atomen).

Die Bia-riumsalze werden von dem Reakt ions gemisch durch Zugabe eines wasserlöslichen, organischen Lösungsmittels, wie Äthanol abgetrennt, wonach man sie filtriert und mit einer inerten Flüssigkeit, einem nichtwässrigen, organi-

109844/1983 -H-

-H-

schen Lösungsmittel, wie Methanol, Äthanol, Aceton, Dimethylformamid und dergleichen, zur Entfernung des rückständigen Wassers wäscht. Der Filterkuchen, der das Bariumsalz ist, wird bei einer geeigneten Temperatur (z.B. 1O⁰C bis 75°C) getrocknet, um dieses Lösungsmittel zu entfernen und danach mit einem organischen Material wie Äther angeschlämmt. Es wird dann entweder im wesentlichen wasserfreie Schwefelsäure oder eine wässrige Lösung desselben (oder irgendeine Mineralsäure, die mit dem Kation eine SaIzausfällung bilden kann) in einem organischen Material wie Äther, mit der Bariumsalz-Ätherschlämmung zur Bildung der vollständig protonenhaltigen, d.h. in Säureform befindlichen, Äthandiphosphonat- und Bariumslufatausschlämmung umgesetzt,, Ein Halogenkohlenwasserstoff, wie Chloroform, wird dann den Endprodukten zugegeben, um die Abtrennung des Äthandiphosphonat3 von dem Bariumsulfat zu unterstützen. Hach Rühren, um die vollständige Reaktion sicherzustellen, wird das Bariumsulfat abfiltriert und die ver- f bleibende Lösung dann bei niederen Temperaturen (z.B. von -5⁰C bis 30⁰C) einer Nieder-Vakuumdestillation (z.B. % bis 28 Torr) zur Entfernung des Halogenkohlenwasserstoffs, unterworfen. Der verbleibende Rückstand wird dann azeotrop getrocknet (d.h. mittels der Destillation nach dem vorausgehend, in Verbindung mit der Herstellung von Verbindungen der Formel III beschriebenen Verfahren) unter Bildung der Säureform (R,= Wasserstoff) der Verbindungen der Formeln IV und V. Dieses Gesamtverfahren zur Überführung des Ammo-

109844/1963 ~¹⁵~

niumsalzes in die völlige Protonenform wird hier abgekürzt "Erdalkalimetallbehandlung" bezeichnet.

Zur Erläuterung der Äthandiphosphonate, die nach der voraus bezeichneten Ammonolyse von EÄDP hergestellt werden können, seien ohne Einschränkung die folgenden Verbindungen erwähnt.

8) H₂C(NH₂)C(OH)(PO₃H₂)₂

.2-Amino-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonsäure

9) H₂C(OH)C(NH₂)(PO₅H₂)
2-Hydroxy-1-aminoa.than-1,1-diphoaphonsäure

10) H₂C(NH₂)C(OH)(PO₃Na₂J₂

Tetranatrium 2-Amino-1-hydroxaäthan-1,1-diphosphonat

11) H₂C(NHCH₃)C(OH)(PO₅H)₂
2-Methylamino-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonaäure

12) H₂C(NHCH₅)C(OH)[PO₅(C₂H₅)₂]₂

Tetraäthyl 2-Methylamino-1-hydroxyäthan-1,1-diphoaphonat

13) H₂C[N(C₂H₅)2]C(0H)(P0₃H₂)₂
2-Diäthylamino-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonsäure

14) H₂C(NH₂)C(OH)[PO₅(C₂H₅)₂]₂

Tetraäthyl 2-Amino-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonat

15) H₂C[NC₄Hg)₂]C(OH)(PO₅Zn)₂

Dizink 2-Dibutylamino-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonat

16) H₂C(NH₂)C(OH)(PO₅HC₄Hg)₂

Dibutyl 2-Amino-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonat

-16-1098/^/1963

Die Umsetzung der Epoxyätliandiphosphonate in Säure der generischen Formel HZ (wie nachfolgend definiert) liefert eine Vielzahl von Äthandiphosphonaten nach dem folgenden Reaktionsablauf

(VI)

HZ

(II)	(	fjf ρ	)	\ / pt	O Il	OH3
■tip υ	\	/? "
		OR5 O \"
		P - t .	OR5
	OR5

(VII) 0

ti

OH
ι

In der vorausgehenden Reaktion bedeutet HZ bestimmte anorganische und organische Säuren. Typischerweise ist das Kation Z ein Halogen (wie Chlor, Brom, Fluor und dergleichen) ein Rest -CN, Acetoxy (CH₅COO), Sulfonat (-SO₅R.), worin R. die gleiche Bedeutung ,vie oben hat und Wasserstoff und/oder Alkyl ist), Benzoyl (CgHt-CO-) und/oder Carboxy (HOOC-).

Wie in der oben angegebenen Reaktion angezeigt, wird ein

-17-

109844/1963

.Gemisch von zwei Isomeren gebildet. Es wurde festgestellt, daß in allen fällen, der größere Teil der gebildeten Produkte Verbindungen der lOrmel VI sind, d.h., daß die Hydroxygruppe mit dem Kohlenstoff, der zwei Phosphonatgruppen enthält, verbunden ist.

Die oben beschriebene Säurereaktion wird im allgemeinen bei einer Temperatur zwischen ungefähr -1O⁰C und 15O⁰C, vorzugsweise zwischen ungefähr O⁰C und 100⁰C durchgeführt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorausgehende Säurereaktion unter atmosphärischen, überatmosphärischen, (d.h. 1 bi3 10 atm), unteratmosphärisohen (z.B. % bis 760 Torr) Bedingungen durchgeführt werden kann. Jedoch wird es bevorzugt, die Säurereaktion unter atmosphärischen Bedingungen durchzuführen.

Während die oben beschriebene Säurereaktion unter Verwendung stoichiometrischer Mengen des Epoxyäthandiphosphonat3 und der Säure, d.h. HZ, durchgeführt werden kann, wird es bevorzugt, daß die Säure HZ im Überschuß gegenüber der atoichiometrisch erforderlichen Menge zur Umsetzung mit dem Epoxyäthandiphosphonat verwendet wird,, Beispielsweise ist ein Molverhältnis von ungefähr 2:1 bis ungefähr 10:1 (d.h. ein Säureüberschuß) bei Durchführung der vorausgehenden Reaktion erwünscht. Es liegt ebenso im Bereich der vorliegenden Erfindung, daß die Säurereaktion, sofern man dies wünscht, in Gegenwart eines inerten-Lösungs·

-18-

109844/1963

mittels, wie sines Alkohols (z.B. Methanol un-1 Äthanol) von Äther (z.B. Tetrahyärofuran und Äthyläther) ur.i eines Halogenkohlenwasserstoffe wie Chloroform und Tetrachlor- - kohlenstoff, durchgeführt werden kann., um unter anderem die leichtere Handhabung der Heaktionsmasse-, Steuerung der '7enperatur und dergleichen, zu ermöglichen.

Als Beispiele für Äthandiuhosphonate, die nach der vorausgehenden Säurereaktion mit EADP-hergestellt --/erden können, seien ohne Einschränkung die folgenden Verbindungen erwähnt :

17) H₂C(Cl)C(OH)(PO₃Hg)₂

2 -ChIor-1 -hyd«roxyäthan-1,1 -d iphosphons äure -

18) H₂C(OH)C(Cl)(PO₅H₂)2
2-Hydroxy-1-chloräthan-1,i-diphosphonsäure

19) H₂C(CN)C(OH)(PO₅KK)₂

Dikalium 2-cyano-i-hydroxyäthan-i ,1-diphosphonat

20) H₂C(0OCCH₃)C(OH)(PO₃HC₂H₅)₂

Diäthy1 2-acetoxy-1-hydroxy&than-l,1-diphosphonat

21) H₂C(SO₅H)C(OH)(P0₅H₂)₂

2-Sulf0-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonsäure

22) H₂C(OCC₆H₅)C(OH)(?O₅HC₆H₅)₂

Diphenyl 2-benzyl-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonat

23) H₂C(F)C(OH)(PO₅HUIa)₂

Dinatrium 2-fluor-1 -hi^droxyathan-i, 1 -diphosphonat 24)'H₂C(S0₃C₂H₅)C(0H)(P0₃H₂)₂-

2-Äthylsulfo-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphon3äure

109844/1963 bad or^nal -₁₉-

25) H₂C(Br)C(0H)[P0₃(C₄H₉)₂]₂

Tetrabutyl 2-brom-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonat

26) H₂C(CN)C(OH)[PO₃(CH₃)₂]₂

Tetramethyl 2-cyano-hydroxyäthan-1,1-diphosphonat

Die Reaktion des Epoxyathandiphosphonats mit einem Malonat (nachfolgend erläutert) liefert eine Vielzahl von Äthandiphosphonaten nach dem folgenden Reaktionsablauf:

(II)

Il

.P - OR t

OR-

Il

~P ι

OR

- OR, 3

(IX)

COOR.

\ ⁶

HC - CH.

/ f
COOR.

OH/' 7 OR, - C

ti

P - OR.

If

- OR

H-

(VIII)

COOR,

H⁺, C-H

COOR,

Malonat

OR

In der vorausgehenden Reaktion hat das Malonat der Formel VIII ein Metallkation M⁺, das mit dem mittl. Kohlenstoffatom verbunden ist, und M ist vorzugsweise ein Alkalimetallkation, wie Natrium·»·. Lithium- oder Kaliumkation. R. hat in dem Malonat der Formel VIII die gleiche Bedeutung wie vorausgehend und ist eine Alkylgruppe mit 1 bis 50 Kohlenatoff-109844/T 963 -20-

atomen, vorzugsweise eine Hiedrig-Alkylgruppe mit 1 bis 8,(insbesondere 1 bis 4) Kohlenstoffatomen. V/ie bei der oben, angegebenen .Reaktion gezeigt, wird ein Gemisch, von zwei Isomeren (Formeln IX und X) gebildet. Es wurde in allen Fällen festgestellt, daß der größere Teil der gebildeten Produkte, Verbindungen der Formel IX sind, d.h., in denen die Hydroxygruppe mit dem Kohlenstoffatom verbunden ist, das zwei Phosphbnylgruppen aufweist.

^ . Die vorausgehende Malonat-Epoxyreaktion wird 'im allgemeinen bei einer Temperatur zwischen ungefy.hr 5⁰C und ungefähr 24O⁰C, vorzugsweise von ungefähr 10⁰C bis ungefähr 14O⁰C und unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt. Jedoch liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die Reaktion bei über-atmosphärischen (z.B. 1 bis 10 atm), und unteratmosphärischen (z.B. Y₂ bis 760 Torr) Bedingungen, sofern man dies wünscht, durchzuführen. Während die oben beschriebene Malonat-Epoxyreaktion unter Verwendung stoichiometri'-scher Mengen der· beiden Reaktionspartner durchgeführt wer- ■ den kann, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß Malonat im Überschuß verwendet werden kann, sofern man dies wünscht. Weiterhin kann ein inertes Lösungsmittel wie Äther (wie Isopropylather oder n-Butyläther), Tetrahydrofuran, Benzol oder Toluol, sofern man dies wünscht, verwendet werden, um unter anderem die Handhabung der Reaktionsmasse, Steuerung der Reaktionstemperaturen und dergleichen, zu erleichtern.

BAD ORIGINAL

1098U/1963 "²¹~

Bei der Herstellung der Verbindungen der Formeln IX und X aus den Salz- und Säureformen der Verbindungen der Formel II ist es erwünscht, daß sowohl die Salz- als auch Säureformen der Verbindungen der Formel II in die Esterform überführt werden, d.h. in Verbindungen, worin R_ eine organische Gruppe ist, bevor die Reaktion mit dem Malonat erfolgt. Im besonderen erfolgt die umwandlung der Salzform in die Säureform (Formel II), beispielsweise durch die voraus bezeichnete "Erdalkalimetallhydroxid-Behändlung" oder dadurch, daß man beispielsweise eine wässrige Lösung, die das Salz von EÄDP enthält, durch ein Wasserstoffionen-Austauscherharz leitet, wie sie technisch verfügbar und unter dem Warenzeichen Amberlit IR 120 und Dowex 50 auf dem Markt sind. Die erhaltene Säureform kann dann in die Esterform nach dem Verfahren umgewandelt werden, wie das von S.J. Fitch in Journal of the American Chemical Society, Vol. 86, Seiten 61 - 64 > beschrieben ist.

Die erhaltenen Ester der Verbindungen der Formel II werden über das "De-oxiranisierungsverfahren", das unmittelbar vorausgehend angegeben wurde, zu Verbindungen überführt, die den Formeln IX und X entsprechen, worin R, eine organische Gruppe, d.h. die Esterform ist. Die Salze und Säuren der Formeln IX und X können jeweils beziehungsweise dadurch erhalten werden, daß man den Ester mit einer Mineralsäure (d.h. unter Säurehydrolyse) und dann die Säure mit einer Metallhydroxidlösung, unter Bildung eines Salzes, umsetzt.

1098 A A /1963 _₂₂-

Als Beispiele für Äthandiphosphonate, die nach der vorausgehenden Malonatreaktion mit EADP hergestellt werden können, seien ohne Einschränkung die folgenden Verbindungen erwähnt:

Diäthyl (2-hydroxy-2,2-diphösphonäthyl) malonat Diäthyl (2-hydroxy-1,1-diphosphonäthyl) malonat

<;yj XlU I OUUu . JtI_n J _o0xl_oLi I UxI H irU_xn_o J₀
4 V ' 5 £ c-

Dibutyl (2-hydroxy-2,2-diphosphonäthyl) malonat

30) H₂₅₂₂₅₂

Dimethyl (tetranatrium 2-hydroxy-2,2-diphosphonäthyl) malonat

31) H₂C(C00CH₃)₂CH₂C(0H)(P0₃H₂)₂

Dimethyl (2-hydroxy-2,2-diphosphonäthyl) malonsäure

32) HC(C0O0₂H₅)₂0H₂C(0H)[PO₃(C₂H₅)₂]₂

Diäthyl (tetraäthyl 2-hydroxy-2,2-diphosphonäthyl) malonat

" Die Reaktion dea Epoxyäthandiphosphonats mit bestimmten

Alkoholen und Mercaptanen, die generisch als R₁-XH (nachfolgend erläutert) bezeichnet werden, liefert eine Vielzahl von Äthandiphosphonaten nach dem folgenden Reaktionablauf:

-23-109844/1963

(II) O

IT

yP - OR₃

OR

J..C- ^C ·> + R_CXH ->

²XO ^{5 X}

P - OR, t J

OR,
3

(XI) O (XII) O

II

P - OR, OH

OR,

Il

¹ - OR, t

OR₃

In der vorausgehenden Reaktion bedeutet R₁-XH einen Alkohol oder ein Mercaptan, wobei X ein Schwefel- und/oder Sauerstoffatom und R₁. die gleiche Bedeutung wie vorausgehend hat, und eine Alkylgruppe mit 1 bis 30, vorzugsweise Niedrigalk/lgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, CgH₁--(Phenyl)- und CHpCgH^-iBenzyl)- gruppe ist. Wie in dem Reaktionsablauf aufgezeigt, wird ein Gemisch von zwei Isomeren gebildet. Es wurde in allen Fällen festgestellt, daß der größere Teil des gebildeten Produkts eine Verbindung der-Formel XI ist, d.h. eine Verbindung, worin die Hydroxygruppe mit dem Kohlenstoffatom verbunden ist, das zwei Phosphonyltgruppen enthält.

Die vorausgenende Reaktion zwischen dem Epoxyäthandiphos-

-24-109844/1963

phonat und dem Alkoiiol oder Mercaptan wird im allgemeinen bei einer Temperatur zwischen 5°C und 180⁰C, vorzugsweise ungefähr 1O⁰C und 100⁰C und unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt. Jedoch liegt es im Eahmen der vorliegenden Erfindung, daß über-atmosphärische (z.B. 1 bis 10 atm) und unter-atmosphärischen (z.B. y_z bis 760 Torr) Bedingungen verwendet werden können, sofern man dies wünscht.

k · . Bei der Durchführung der voraus bezeichneten Reaktion ist es erwünscht, ein Metall, wie metallisches Natrium, oder Lithium oder Kalium (in wenigsten stoichiometrischen Mengen) oder einen Säurekatalysator (im allgemeinen weniger als die stoichiometrischen Mengen) wobei diese Materialien vorausgehend definiert wurden, zu verwenden. Während die voraus bezeichnete Reaktion unter Verwendung von stoichiometrischen Mengen, sowohl des Epoxyäthandiphosphonats als auch des Alkohols oder Mercaptans, durchgeführt werden kann, können überschüssige Mengen von irgendeinem der vorausge-

™ henden Alkohole oder Meroaptane, sofern man dies wünscht, verwendet werden, solange keine nachteilige Wirkungen bei der Herstellung des gewünschten Produkts eintreten. ·

Die verwendeten Alkohole sind die einatomigen, aliphatischen Alkohole mit 1 bis 50 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, einschließlich ihrer entsprechenden Isomeren. Zu typischen Alkoholen gehören beispielsweise Methanol, Äthanol, Propanol und N-butylalkohol

-25-109844/1963

Ea liegt ebenso im Rahmen dieser Erfindung, Alkohole wie Phenol und Benzylalkohol zu verwenden.

Die verwendeten Mercaptane sind die aliphatischen Mercaptane mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise von 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, und zu ihnen gehören beispielsweise Methylmercaptan, Äthylmercaptan, Propylmercaptan und N-butylmercaptan. Die Isomeren der verschiedenen Mercaptane gehören ebenso in den Bereich der vorliegenden Erfindung .

Bei der Herstellung der Verbindungen der Formeln XI und XII aus den Salz- und Säureformen der Verbindungen der Formel II ist es erwünscht, daß sowohl die Salz- als auch Säureformen der Formel II-Verbindung in die Esterform überführt v/erden, d.h. in Verbindungen, worin R~ eine organische Gruppe ist, bevor die Reaktion mit dem jeweiligen Alkohol oder Mercaptan durchgeführt wird₀ Diese Umwandlung der Salz- und Säureformen in die Esterform wird nach dem gleichen Verfahren bewirkt, wie es vorausgehend bei dem EÄDP-Malonatverfahren angegeben wurde.

Als Beispiele für Äthandiphosphonat, die nach der voraus bezeichneten Reaktion von EÄDP enty/eder mit Alkoholen oder Mercaptanen hergestellt werden können, seien ohne Einschränkung die folgenden Verbindungen erwähnt: 33) H₂C(OCH₃)C(OH)(P0₃H₂)₂

2-Methoxy-1-hydroxyäthan-1,1~diph.osphonsa.ure

-26-109844/1963

34) H₂C(OH)C(OCH₃)(P0₃H₂)₂ 2-Hydroxy-1-methoxyäthan-1,1-diphosphonsäure

35) H₂C(OC₂H₅)C(OH)(PO₃NaH)₂

Dinatrium 2-äthoxy-1 -hydroxyäthan-1, t-diphosphonat

36) H₂O(SCH₃)C(OH)(PO₃Hg)₂

2-Thiomethyl-1 -hydroxyäthan-1,1 -diphosphonsäure

37) H₂C(3C₂H₅)C(0H)[P0₃(C₆H₅)₂]₂

Tetraphenyl 2-th.ioättLyl-1 -liydroxyäthan-1,1 -diphosphonat

38) H„C(OCH-)0(OH)(PO-HC-H_Q)p

Dibutyl 2-meth.oxy-1 -iiydroxyäthan-1,1 -diphosphonsäure

39) H₂C(SCH₃)C(OH)(P0₃HCH₃)₂

Dimethyl 2-thiomethyl-i-hydroxyäthan-1,1-diphosphonsäure

40) H₂C(0C₆H_)C(0H)(P0₃H₂)₂

2-Phenoxy-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonsäure

41) H₂C(0C₆H₅)C(0H)(P0₃HC₂H₅)₂

Diäthyl 2-phenoxy-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonsäure

42) H₂C(SC₆H₃)C(OH)(P0₃H₂)₂

2-Thiophenyl,1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonsäure

Die Reaktion des Epoxyäthandiphosphonat3 in Gegenwart einer Metallhalogenid-Lewis-Säure, die als Säurekatalysator fungiert, liefert das Oxyderivat des Epoxyätnandiphosphonats nach dem folgenden fieaktionsablauf:

-27-1098U/1963

	O Il	- 27 -	(XIII)	2117880
(H)	/·" 0 V Il		0 It	0 Il
H2CT	Np - I	OR3		/! - OE3 ' OR, ι ■>
	OR3	^P - OR, t 3

OR,

OR

Bei der oben beschriebenen Reaktion können eine große Vielzahl von Metallhalogenid-Lewis-Säuren verwendet werden, um die Säure katalysierte Umgruppierung des Epoxyäthandiphosphonats zu bewirken. Als Metallhalogenid-Lewis-Säuren seien in beispielhafter Weise ohne Einschränkung erwähnt: Bortrifluorid, Zinkchlorid, Magnesiumbromid, Eisen(III)-chlorid, Zinn(IV)-chlorid, Titanchlorid, Zirconchlorid, Aluminiumchlorid und dergleichen. Bei der Verwendung der Lewis-Säure bei der Säure-katalysierten Umgruppierung, ist bevorzugt, zuerst das Metallhalogenid in einem nichtwässrigen, inerten, nicht protonischen Lösungsmittel zu lösen oder zu suspendieren, wie in Nitromethan, Dichlormethan, Nitrobenzol, Nitropropan, Chlorbenzol, Dichlorbenzol, Dichloräthan, Tetrachloräthan, Perchloräthylen, Petroläther, Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform, Schwefelkohlenstoff, Äthyläther, Benzol und dergleichen und dann die erhaltene Lösung oder Schlämme mit dem EÄDP in Kontakt zu bringen. Die verwendete Lösungsmittelmenge unterliegt keiner Einschränkung, solange die ausgewählte Menge nicht wesentlich die Herstellung des gewünschten Endprodukts nachteilig beeinflußt.

109844/196 3 -28-

Die Säure-katalysierte Umgruppierung des Epoxaäthandipho3phonats wird im allgemeinen mit dem Epoxyäthandiphosphonat und einem lewis-Säurekatalysator (und, wenn gewünscht, einem inerten, nicht protonischen lösungsmittel wie Äthyläther) bei einer Temperatur bwischen ungefähr -2O⁰C und 150⁰C und unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt. Es können jedoch ebenso höhere ödere niederere Temperaturen, z.B. so nieder wie -50⁰C und so hoch wie 250⁰C, beispielsweise je nach dem Siedepunkt dee Lösungsmittels, verwendet werden. Es liegt im Bereich der vorliegenden Erfindung, daß über-atmosphärische (z.B. ungefähr 1 bis 10 atm) und unter-atmosphärische (z.B. % bis 760 Torr) Bedingungen und ebenso eine inerte Atmosphäre wie Stickstoff oder Helium, sofern man dies wünscht, verwendet werden können.

Die Menge an verwendetem Lewis-Säurekatalysator bei der Säure-katalysierten Umgruppierung kann etwas variieren, abhängig von der Art des verwendeten Metallhalogenid-Lewis■ Säurekatalysators, der Temperatur bei der die Reaktion stattfindet und in manchen Fällen dem Druck des Systems. Es ist darauf hinzuweisen, daß irgendeine Menge Lewis-Säurekatalysator solange verwendet werden kann, als die Menge nicht wesentlich zum Erreichen des gewünschten Endprodukts schädlich ist. Es wurde festgestellt, daß von ungefähr 0,01 bis ungefähr 4 Mol äquivalente Katalysator pro Mol EÄDP Ausgangsmaterial ausreichen, um das bezeich-_

-29-109844/1963

■nete "Oxy"-derivat in zufriedenstellenden Ausbeuten zu erhalten.

Als Beispiele für Äthandiphosphonate, die nach der vorausbezeichneten, Säure-katalysierten Umgruppierung von EÄDP erhalten werden können, seien ohne Einschränkung die folgenden Verbindungen erwähnt:

43) HC(0)C(H)(P0₃H₂)₂
2-0xyäthan-1,1-diphosphonsäure

44) HC(O)C(H)(PO₅HaH)₂

Dinatrium 2-oxy.äthan-1,1 -diphosphonat

45) HO(O)C(H)[PO₅(C₂H₅)^]₂

Tetraäthyl 2-oxyäthan-1,1-diphosphonat

46) HC(O)C(H)(PO₅HC₆H₅)₂

Diphenyl 2-oxyäthan-1,1-diphosphonat

47) HC(O)C(H)(P0₅K₂)₂

Tetrakalium 2-oxyäthan-1,1-diphosphonat

48) HC(O)C(H)(P0₅HCH₅)₂

Dimethyl 2-oxyäthan-1,1-diphosphonat

Man kann auch die Cyano- und Carboxyderivate von Epoxyäthandiphosphonat dadurch herstellen, daß man diese Verbindung mit einem Alkalioyanid, generisch als MCN (nachfolgend beschrieben) bezeichnet, umsetzt und danach das erhaltene Produkt hydrolysiert, wobei diese Verfahren durch den folgenden Reaktionsablauf dargestellt sind:

109844/1963 ~³°~

(II)

(XIY)

,P - OB-t · O

*P - OR_x OR,

.0

ti

MCU

(XV)

OS,

Il

HO - O - CH_n -

OH t

Il

P - OR,

OR,

I!

'P t

Hydrolyse

(XVII)
OH

II

OE,

te

C-Or

+ ή.

II

P - OH*

O-

•p -

In der vorausgehenden Reaktion, die bes. bei Ver//erdung von MCU durchgeführt 7/ird, bedeutet Hl ein Alkalinetallkation, vorzug3'.veise riatriun:,. Lithium oder Kalium, ^T.7ie in den vorausgehenden Reaktionen aufgezeigt, v/ird ein Genisch von zv/ei Isomeren in jedem Fall gebildet, v/o bei ier jro.ee-

10984A/1963

-31-

re Teil des gebildeten Produkts die Verbindung der Formel XIV oder XVI ist, d.h.. die Verbindung, in der die Hydroxygruppe mit dem Kohlenstoffatom verbunden ist, das zwei Phosphonylgruppen enthält.

Die oben angegebene Alkalicyanid-Epoxyreaktion wird bei einer Temperatur zwischen ungefähr -1O⁰C und 15O⁰C, vorzugsweise zwischen ungefähr O⁰C und 100⁰C unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt. Jedoch liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, über-atmosphärische (z.B. 1 bis 10 atm) und unter-atmosphärische (z.B. % bis 760 Torr) Bedingungen, sofern man dies wünscht, zu verwenden.

Während die oben beschriebene Cyanid-Epoxyreaktion im allgemeinen unter Verwendung stoichiometrischer Mengen der beiden Reaktionspartner durchgeführt wird, liegt es ebenso im Rahmen der vorliegenden Erfindung, überschüssige Mengen an Cyanidmaterial zu verwenden. So wird beispielsweise ein Molverhältnis von ungefähr 1,1:1 bis ungefähr 10:1 (d.h. ein MCN-Überschuß) bei der Durchführung dieser Reaktion bevorzugt.

Es ist darauf hinzuweisen, daß eine Kombination und konkurrierende Verwendung der Doppelsalze des Cyanids, beispielsweise Natrium- und Kaliumcyanid (NaCN und KCN) verwendet werden kann, um die Verbindungen der Formeln XIV und XV herzustellen. Diese neuen Verbindungen können als solche verwendet werden oder dienen als chemische Zwischen-

-32-109844/1963

produkte zur Herstellung weiterer Derivate der Kthandiphosphonate, wie dies in den vorausgehenden Formeln XVI und XVII dargestellt ist, d.h., wo die beiden Isomeren, die den GN-Substituenten aufweisen, unter Bildung eines . Gemisohs von zwei Isomeren, die Carboxygruppen anstelle der Cyanidgruppen aufweisen, hydrolysiert sind. Diese Hydrolyse kann in jeder geeigneten Weise durchgeführt werden, beispielsweise durch Mischen des Cyanid-Isomeren-' gemischs mit einer wässrigen Lösung, die von ungefähr 1 bis ungefähr 60 Gew.$ Mineralsäure wie Salzsäure oder Schwefelsäure enthält, und dann unter Erhitzen (z.B. bei 5O⁰C bis 150⁰C) unter Rüokflußbedingungen ausreichend lange, beispielsweise ungefähr 30 Minuten bis ungefähr 2 Stunden oder mehr, um das "Carboxy"-Isomerengemisch der Formeln XVI und XVII zu erhalten.

Nach den hier beschriebenen Verfahren ist unter der "Deoxiranisierung" des Epoxyäthandiphosphonats der Formel II zu verstehen, daß die erhaltenen Äthandiphosphonatprodukte, ob sie nun ein isomeres Gemisch oder eine einzige Verbindung sind, aus der erhaltenen Reaktionsmasse unter Verwendung herkömmlicher Verfahren, wie mittels Lösungsmittelextraktion, Verdampfen, Zentrifugieren und dergleichen isoliert, und sofern notwendig, durch Umkristallisieren, Chromatografieren oder dergleichen, weiter gereinigt werden können. Im Falle der Herstellung der vorausgehend bezeichneten isomeren Gemische, können herkömmliche, selekti-

1098U/1963 ~⁵⁵~

•ve. Chromatografieverfahren, sofern man dies wünscht, verwendet werden, um ein einziges Isomer zu erhalten, wobei diese Verfahren in der Kanadischen Patentschrift 812 741 beschrieben sind.

Jedoch wurde bei Verwendung der Äthandiphosphonate gefunden, daß ein Isomer nicht wesentlich das andere Isomer nachteilig beeinflußt, und daß demzufolge die Abtrennung der beiden Isomeren nicht erforderlich ist.

Die voraus beschriebenen, neuen Verfahren zur "De-oxirarii~ sierung" sind einzigartig zur Herstellung der neuen und wertvollen Organophosphorverbindungen, d.h. der iithandiphosphonate der vorliegenden Erfindung, weil diese Verfahren unter anderem ein billiges Verfahren zur Herstellung von Äthandiphosphonaten, eine Kontrolle der .Reaktionsbedingungen und die Herstellung hoher Ausbeuten ermöglich't..

Die Säure- und Salzformen der äthandiphosphcnate der !Formel I der vorliegenden Erfindung, haben hervorragende Brauchbarkeit zur Behandlung von Wasser oder wässrigen Systemen un:l dienen als Sequestrierungsmittel und/oder als Mittel in Threshold-Verfahren. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Bezeichnung "Threshold-Verfahren", wie sie hier verwendet wird, sich auf das chemische und/oder physikalische Phänomen bezieht, daß weniger als stoichiometrische hlengez. des jev/eiligen Äthandiphoophonats in wirksamer V/eise die Ausfüllung ver3ciiiodener Metallionen wie Kalzium-j Eisen7-

10984A/1963 bad original '³⁴~

Kupfer- und Kobalt ionen vermeid en körnen, '.'lit anderen *,7 orten ist unter der "Threshold" -3 e band lung von Nasser. .Kupfer- und Kobalt ionen vermeiden können. Kit anderen Worten ist unter der ^!'Thre3hola"-3shandl-ung von V/asser das Entstehen von Xristallkemen -au unterbinden und dadurch die Ablagerung unlöslicher niederschlage au vermeiden. Die Bezeichnung v/ird beispielsweise bei der .Behandlung von Wasser mit Polyphosphaten angev/exiaet und ist einge- | hend in der 0.S.-Patentschrift 2 Q3S 316 und in dem Aufsatz von Seltneier und Buehrer in Journal of Physical Chemistry, Band 44, Seiten 535 bis 574 ÜS39) beschrieben. Zusätzliche Erläuterungen der Thr-isiold—Wirkung sind den Veröffentlichungen von Eatch ar-i 3ice in Industrial Engineering and Chemistry of January, 1939 und August 1945, zu entnehmen.

Die Säure- und Esterformen der kk fr area iphosphonate der ?crmel I haben weiterhin hervorragende Brauchbarkeit auf dem Gebiet der Feuerhenmung bei Celluloseinaterialien und dienen spezifisch auf diesem Gebiet als teuerlierniende i/Iittel.

Heben den vorausgehend angegebenen Verwendungszwecken, haben die Kthandiphosphonate der vorliegenden Erfindung, . neue, einzigartige Organophosphor-Strukturer., die ',veiterhin als chemische Zwischenprodukte dienen,-um andere Materialien herzustellen. Ivlit anderen Warten, reagieren die üchandiphosphonate mit verschiedenen organischen und/oder anorganischen' Lifterialien, unter Bildung einer Vielzahl"

109844/1963 -35-

BAD ORIGINAL

von Derivaten, dank der Tatsache, daß die Substituenten an den Kohlenstoffatomen des Äthanteils, zusätzlich zu den Phosphonylgruppen, in hoher «eise reaktionsfähige Reste oder difunktionelle Gruppen sind, die entfernt und/oder mit anderen organischen oder anorganischen Resten gekuppelt werden können.

Die nachfolgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung, wobei Teile und Prozentsätze auf das Gewicht bezogen sind, es sei denn, daß dies anders angegeben ist.

Beispiel 1

In ein Reaktionsgefäß, das mit Thermometer, mechanischem Rührwerk und Rückflußkühler ausgestattet ist, werden 102 g EÄDP-Säure und 500 ml Wasser eingebracht. Die erhaltene Schlämme wird auf 90°C erhitzt und bei dieser Temperatur ungefähr 3 Stunden gehalten, lach dieser Zeit hat sich eine Lösung gebildet und das in der Lösung vorhandene Wasser wird unter Vakuum (% Torr) verdampft, bis ein klebriges Material gebildet ist. Ungefähr 500 ml Benzol werden dann dem klebrigen Material in dem Reaktionsgefäß zugegeben und d"ie erhaltene Schlämme azeotrop destilliert bei einer Temperatur von 80°C, wobei man einen Rückflußkühler verwendet, der mit einer Dean Starke-Falle versehen ist, bis kein Wasser in dem Destillat, gesammelt in der Falle, beobachtet wird. Die P⁵¹ und H¹ KMR-Analysen zeigen, daß 1,2-Dihydroxyäthan-i,1-diphosphonsäure (hier als Verbindung 1 bezeichnet) hergestellt ist.

1098U/1963 _₃₆-

BAD ORIGINAL

Beispiel 2

Ungefähr 102 g Dinatriumsalz von EÄDP (vorausgehend als Verbindung 2 bezeichnet) mit einem Gehalt von 500 ml Wasser j werden durch eine Kolonne eines starken Kationenaus-tauscherharzes mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 130 g/Min, geleitet. Diese Kolonne, die 5,08 cm Durchmesser ung 86,36 cm Höhe hat, enthält wasserunlösliche Perlen der Wasserstoff- oder Säureform eines starken Kationen-. austauscherharzes, wobei die wasserunlöslichen Perlen aus einem Mischpolymerisat von Styrol-AR-äthylen-vinylbenzol und Divinylbenzol bestehen, und das Mischpolymerisat Kern-SuIfonsäuregruppen enthält, wobei es in Band 69, Seite 28 30, des Journal of American Chemical Society, mit einer Kapazität von 4»25 mg Äquivalenten /g beschrieben ist. Die wässrige, EÄDP enthaltende Lösung läßt man durch die Kolonne laufen, bis der Zubereitungsabstrom aus der Kolonne einen pH-Wert von ungefähr 1,0 (glass elektrode) hat und im wesentlichen frei von Natriumionen ist. Dieser Zuberei-P tungsabstrom ist eine wässrige Lösung, die EÄDP in der Säureform enthält. Diese EÄDP-Säure in Lösung wird dann dem gleichen Verfahren, wie in Beispiel 1 beschrieben, unterworfen und die voraus erwähnte 1,2-Dihydroxyäthan-i, 1-diphosphonsäure gebildet. Das Dinatriumsalz von 1,2-Dihydroxyäthan-1,1-diphosphonsäure erhält man dadurch, daß man zwei molar-äquivalente NaOH (in Lösung) mit einem Molaräquivalent Säure umsetzt. Die S und H KmR- und Elementaranalysen zeigen die Bildung des Dinatrium 1,2-dihydroiy-

1098*4/1963' "³⁷~

ätlian-1,1-diphosphonat nach dem unmittelbar vorausgegangenen Verfahren. Da3 Tetrakaliumsalz (bezeichnet als Verbindung 5) wird in der Weise hergestellt, daß man 4 Molaräquivalente KOH mit einem Molaräquivalent Säure umsetzt. Das Dizinksalz (bezeichnet als Verbindung 6) wird hergestellt, wozu man zwei Molaräquivalente festes Zn(OH)₂ mit einem Molaräquivalent Säure umsetzt. Der Tetraäthylester (bezeichnet als Verbindung 3) wird dadurch gebildet, daß man vier Molaräquivalente Triäthylorthoformiat mit einem Molaräquivalent Säure umsetzt. Die Triäthyl- und Monoäthylester der Säure werden dadurch hergestellt, daß man den

¹Z-I

Tetraäthylester in HpSO. hydrolysiert, was durch P^ und H KMR, Elementar- und Infrarotanalysen von Reaktionsproben nachgewiesen wird, die in unterschiedlichen Zeitabständen während der H₂SO.-Hydrolyse entnommen werden. Mit anderen Worten, wird der Tetraäthylester zuerst durch die Reaktion des Triäthylorthoformiat3 mit der Säure gebildet. Während der nachfolgenden Säurehydrolyse werden die Estergruppen unter Bildung des Triäthylesters, des Diäthyle3ters, des Monoäthylesters und der Säure als solcher, entfernt, 7/enn die Hydrolyse bis zum Ende abläuft» Andere Gesamt- oder Partialester (d.h. Butyl, Propyl U3W.) werden dadurch hergestellt, daß man das geeignete Trialkylformiat verwendet.

Beispiel 3

ungefähr 100 g Tetraäthyleater von EÄDP (mit der Struktur

-38-

100844/1963

der Formel II, worin R, in allen Fällen C₂H₁- ist), 500 Wasser und 50 ml 5 Gew.^ige HCl-Lö3ung werden in das in Beispiel 1 beschriebene Reaktionsgefäß eingebracht. Das erhaltene Gemisch wird ungefähr 4 Stunden bei 9O⁰C erhitzt und dann bei 50⁰C unter Vakuum (10 Torr) 85 Minuten der Verdampfung unterworfen, um im wesentlichen das gesamte Wasser zu entfernen. Das in dem Reaktionsgefäß erhaltene Gemisch ist eine flüssige, ölige Masse. Ungefähr 500 ml ψ Benzol werden zu dieser flüssigen, öligen Masse zugegeben, und das erhaltene Gemisch der azeotropen Destillation unterworfen, um das gesamte Wasser aus dem System zu entfernen, wie es im Torausgehenden Beispiel 1 beschrieben ist. Diese azeotrope Destillation (80⁰C) findet ungefähr 1 Stunde lang statt und P und H KMR- und Elementaranalysen zeigen, daß Tetraäthyl-1,2-dihydroxyäthandiphosphonat gebildet wurde, das die folgende Strukturformel hat und hier ebenso als Verbindung Nr. 3 bezeichnet wird.

Beispiel 4

In ein herkömmliches Rundboden-Reaktionsgefäß, das mit einem Trockeneiskühl- und mechanischem Rührwerk ausgestattet war, und das ungefähr 100 g EÄDP-Säure enthielt,

109044/1963 _„_o_

werden tropfenweise flüssiges Ammoniak, das bei -50 C, mittels Dureiileiten von gasförmigem Ammoniak aus einem herkömmlichen Lagerzylinder durch, den Trockeneiskühler kondensiert wurde. Diese Zugabe von flüssigem Ammoniak zu dem EÄDP, findet ungefähr 3 Stunden lang untermauerndem Rühren statt, wodurch man ein Molverhältnis Ammoniak zu EÄDP-Säure von 10:1 erhält. Nach 5 Stunden wird der Trockeneiskühler entfernt und das nicht umgesetzte Ammoniak durch langsames Erhitzen des Kesselinhalts auf ungefähr 20⁰C abdestilliert. Die P^v und H KMR- und Elementaranalysen zeigen, daß man zwei Isomeren in der Ammoniumsalzform hergestellt hat, die die folgenden Formeln aufweisen:

(XVIII)

NH,

Il

P - ONH

(XIX)

Il

P - ONH₄ ONH,

P - ONH. ONH,

Die reine Säureform des isomeren Geiaischs der Äthandiphosphonate der Formeln XVIII und XIX werden in der folgenden Weise erhalten. Zuerst wird das isomere Gemisch mit stoichiometrischen Mengen Bariumhydroxid (in Waaser) umgesetzt. Das Barium enthaltende isomere Produkt wird dann von dem Reaktionsgemisch durch Zugabe von 500 ml Äthanol abgetrennt, wonach man filtriert und mit drei getrennten Teilen von 100 ml Azeton wäscht, um das rückständige Waaser zu entfernen. Der Filterkuchen, der ein Barium enthaltendes, iso-

109844/1963 -4°-

meres Gemisch ist, wird in einem Trommeltrockner 38 Minuten, bei einer Temperatur von ungefähr 75⁰C getrocknet. Das getrocknete Material wird nachfolgend mit 500 ml Äther angeschlämmt. Dann werden 250 ml Äther, die 50 g wasserfreie H^SO. enthalten, der Schlämme zugegeben, um das vollständig in Protonform überführte Ammoniak, das Äthandiphosphonat und eine Bariumsulfatausfällung enthält, zu bilden, ungefähr 200 ml Chloroform werden dem Endprodukt zugegeben, um die Abtrennung der vollständig in die Pro-• tonform überführte Säure aus dem Bariumsulfat zu unterstützen. Nach. Rühren, um die vollständige Reaktion sicherzustellen, wird das Bariumsulfat abfiltriert und die verbleibende Lösung der Verdampfung, bei einer Niedertemperatur (20⁰C) Vakuumdestillation (7 Torr), unter Bildung eines klebrigen Materials, unterworfen, das dann der azeotropen Destillation, unter Verwendung von Benzol als Lösungsmit-

"51 1

tel, unterworfen wird. Die P und H KMR- und Elementaranalysen zeigen, daß Äthandiphosphonate, die vorausgehend als Verbindung 8 und 9 bezeichnet wurden, gebildet wur-" den.

Beispiel 5

Nach dem in Beispiel 4 ausgeführten Verfahren, wird der in Ammoniumform überführte Tetraäthylester von Äthandiphosphonat hergestellt, ausgenommen, daß kein NH. -Salz Zwischenprodukt gebildet wird, und daß die Bariumhydroxid-"behandlung" nicht durchgeführt wird. Das Ausgangsmaterial

ist Tetraäthylepoxyäthandiphosphonat. Nach Zugabe des 109844/1963 _₄₁_

"51 1

Ammoniaks, zeigen die P"^ und H KMR- und Elementaranalysen die Bildung von zwei Isomeren der Formeln an

ti

/ ^0CA -

H_pC- G' ^c ° (hier als Verbindung

* ^x 0 Nr. 14 bezeichnet)

•P - OC₂H₅ OC₂H₅

und 0

Il

OH NHw" " ^{2 5}
• * Y OCpH

H₀C- C^{X 2 5}

^{2 v} O

ti

^SP - OCpHp ι ^ 5 OC₂H₅

Beispiel 6

Methylaminohydroxyäthandiphosphonsäure wird nach dem im vorausgehenden Beispiel 5 beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei man Methylamingas anstelle von Ammoniak verwendet. Die chemische Analyse zeigt die Bildung eines isomeren Gemische der Pormeln H₂O(NHOH₃)C(OH)[PO₃(O₃H₅)_g]₂ und H₂C(OH)C(NHCH₅)[PO₃(C₂H₅)₂]₂.

Beispiel 7

Diäthylaminohydroxyäthandiphosphonsäure wird nach dem in Beispiel 5 beschriebenen Verfahren hergestellt, daß man Diäthylamin anstelle von Ammoniak verwendet und der Trok-

1098U/1SS3 -42-

keneiskühler durch, einen wassergekühlten Kühler ersetzt

31 1
wird. Die P und H KMR- und Elementaranalysen zeigen,

■die Bildung von zwei Isomeren der Formeln H₂C[HCpEL)₂]C (OH)· [P0₃(C₂H₅J₂]₂ und H₂

Beispiel 8

In ein Reaktionsgefäß, wie in Beispiel 1 beschrieben, v/erden 100 g EÄDP-Säure und 500 ml Tetrachlorkohlenstoff eingebracht. Das Reaktionsgefäß wird in ein Eisbad getaucht, um die Temperatur des Inhalts auf ungefähr 5°C zu halten. Sechs Stunden lang, unter fort-,wahrendem Rühren, wird Chlorwasserstoff in die EÄDP-Lösung in einer Geschwindigkeit eingeperlt, daß man ein Endmolverhiltnis HCl zu EÄDP-Säure von 10:1 hat. Nach den sechs Stunden wird die erhaltene Lösung bei 85°C zur Trocknung verdampft. Die P und H KMR- und Elementaranalysen zeigen die Bildung von zwei Isomeren der Formeln H₂C(Cl)C(OH)(PO₃Hg)₂ und H₂C(OH)C(Cl)-(PO„Hp)p, die hier als Verbindung 17 und 18 bezeichnet werden.

Beispiel 9

Beispiel 8 wird wiederholt, ausgenommen, daß 120 g Eisessig anstelle von Chlorwasserstoffgas verwendet und insgesamt auf einmal mit der EÄDP-Säure gemischt werden, die in der Tetrachlorkohlenstoff-lösung enthalten ist, ohne daß ein

■21 1

Eisbad verwendet wird. Die P^ und H KMS- und Elementaranalysen zeigen die Bildung von zv/ei Isomeren der Formeln

-43-

109844/1963

H₂G(0OCCH₃)C(OH)(PO₃H₂)₂ und H₂C(OH)O(OOCCH₃₃g₂ Die Äthyl- und Butylester dieser Isomeren werden nach dem im letzten Absatz von Beispiel 2 beschriebenen Verfahren, hergestellt.

Beispiel 10

In ein Reaktionsgefäß, wie es in Beispiel 1 beschrieben wurde, werden 100 g (0,38 Mol) Tetramethylester von EÄDP, 450 ml Azetonitril und 23 g (0,40 Mol) Natriumkaliumcyanid eingebracht. Die erhaltene Masse wird dann am Rückfluß (ungefähr 75°C) ungefähr 20 Stunden unter Rühren erhitzt.

Proben, die dem nachfolgend auf 2O⁰C abgekühlten Gemisch

31 1

entnommen «vurden, zeigen über P und H KMR- und Elementaranalysen, die Bildung von H₂C(CN)C(OH)[PO₃(CH₃)₂]_g (hier als Verbindung 26 bezeichnet) und Spuren von H₂C(OH)C(CN)-[PO₃(CH )₂J₂. Die Phenyl-, Äthyl- und Butylpartial- und -vollester dieser Isomeren, werden nach dem oben angegebenen Verfahren hergestellt, wozu man als Ausgangsaaterial den entsprechenden Ester von EADP verwendet. Die Natrium-, Kalium- und Zinksalze dieser Isomeren werden dadurch hergestellt, daß TTMTi die bezeichneten Ester der vollständigen oder teilweisen Säurehydrolyse unterwirft, wonach man stoichiometrische Mengendes isomeren Säureform-Gemischs, jeweils einzeln, mit einer wässrigen Lösung von Natrium-, bzw. Kalium- und Zinkhydroxid umsetzt.

-44-109844/1963

Beispiel 11

In ein Reaktionsgefäß, wie es in Beispiel 1 beschrieben wurde, werden 50 g EÄDP in Säureform und 150 ml 95$ige HpSO. eingebracht. Die erhaltene Masse wird dann bei 80⁰C ungefähr 5 Minuten unter diskontinuierlichem Rühren erhitzt,

31 1

Die P und H KMR- und Elementaranalysen zeigen die Bildung von 2-Sulfo-1-hydroxyäthan-1,1-diphoaphonsäure (hier als Verbindung 21 bezeichnet) und 2-Hydroxy-1-sulfoäthan-1,1-diphosphonsäure. Die Natrium-, Magnesium- und Zinksalze dieser Isomeren werden dadurch hergestellt, daß man das isomere Gemisch mit einem 100$igem stoichiometrischen Überschuß der entsprechenden Metallhydroxidlösung umsetzt, um die Salze zu bilden.

Beispiel 12

In ein Reaktionsgefäß, wie in Beispiel 1 beschrieben, werden 75 g Diphenylester von EÄDP und I50 g Benzoilsäure, gelöst in 5OO ml Äthyläther, eingebracht. Die erhaltene ψ Masse wird dann bei 35⁰C ungefähr 2 Stunden im Rückfluß gehalten. Die P und H KMR- und Elementaranalysen zeigen die Bildung eines isomeren Gemischs von H₂C(OCC₆H₅)C(OH)(PO₅HC₆H₅)₂ und H₂C(OH)C(OCC₆H₅)(PO₃HC₆H₅)₂.

Beispiel 13

In ein Reaktionsgefäß, wie in Beispiel 1 beschrieben, werden 23 g (1 Mol) Natriummetall, in 200 ml trockenem Tetrahydrofuran eingebracht. Das Reaktionsgefäß wird in ein^

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Eisbad eingetaucht, um die Temperatur des Inhalts bei ungefähr 5⁰C zu halten. Ungefähr 160 g (1,0 Mol) Äthylmalonat werden dann langsam während 5 Minuten, dem Reaktionsgefäß zugegeben. In das Reaktionsgefäß v/erden tropfenweise ungefähr 300 g (0,95 Mol) Teträäthylester von EÄDP eingeführt und die erhaltene Masse 10 Stunden bei 65⁰C am Rückfluß gehalten. Die Reaktionsmasse wird auf 1O⁰C über ein Eisbad gekühlt und 37 g HCl werden während 5 Minuten unter kontinuierlichem Rühren zugegeben. NaCl fällt aus und wird durch Filtrieren entfernt. Das Filtrat wird einer Niedertemperatur (15⁰C) - Niedervakuum (10 Torr) Destillation unterworfen, um das Lösungsmittel zu entfernen und die erhaltene Masse analysiert. Die P^ und H KBiR- und Elementaranalysen zeigen die Bildung von HC(COOC₂H )₂CH₂C(0H[P0₃(C₂H )₂]₂ und die Gaschromatografie zeigt Spurenmengen von H₂C(0H)C[P0₅C₂H₅)₂]₂CH(000C₂H₅)₂. Die Phenyl-, Methyl- und Butylester dieser Isomeren werden jeweils dadurch hergestellt, daß man wenigste stoichiometrische Mengen von Phenylmalonat, Methylmalonat und Butylmalonat mit dem vollständigen, Phenyl-, Methyl-, Äthyloder Butylester von EÄDP, nach dem Verfahren von Beispiel 13, umsetzt. In jedem Fall wird ein isomeres Gemisch gebildet, bei dem vorherrschend das 1-hydroxy-1-malonyl substituierte Produkt vorhanden ist.

Das vorausgehende isomere Gemisch (d.h. der Hexaäthylester) wird mit 250 ml eines 50#igen Dioxanwassergemiachs 24 Stunden lang bei 80⁰C umgesetzt, um die vollständige Phospho-

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nat-Malonatsäure zu bilden. Dieses Säuregemisch wird mit 1 Liter 8 N NaOH unter Bildung des Hexanatriumsal2res, d.h. ■ HG(COOKa)₂CH₂C(OH)(P0₃Na₂)₂ und Spurenmengen von H₂C(OH)C-(PO-ITa₂J₂CH(COONa)₂, umgesetzt.

•Beispiel 14

In ein herkömmliches Reaktionsgefäß werden 51 g Tetraäthylester von EADP, 200 ml Propylalkohol und 5 g Natrium-

f metall, gelöst in .Propylalkohol, eingebracht. Das erhalte- ne Gemisch wird erhitzt und unter kontinuierlichem Rühren, 85 Minuten bei 3O⁰C, erhitzt. Die erhaltene Masse wird auf 1O⁰C abgekühlt, und dann werden 40 ml einer 20 Gew.^igen HCl wässrigen Lösung, der voraus erwähnten, gekühlten Masse, zugegeben, und das erhaltene Material zwei Minuten innig gemischt. Dieses Material wird dann in einem Buchnertrichter filtriert, das Filtrat gesammelt und bei 95°C im wesentlichen zum Trocknen verdampft. Die erhaltenen Eeatstoffe werden in 100 ml Wasser umkristallisiert und erneut

■ZI ι

getrocknet. Die P^ und H KMR- und Elementaranalysen zeigen die Bildung von zwei Isomeren der Formeln H₂C(C~H„0)-C(OH)[P0₅(C₂H₅)₂]₂ und H^OHWc^oKpO^C^)^, wobei nur Spurenmengen der zuletzt angegebenen Verbindung vorhanden sind.

Beispiel 15

In ein Reaktionsgefäii, wie in Beispiel 1 beschrieben, werden 104 g Säureform von EÄDP und 250 ml Phenol einge^-

-47-109844/1963

bracht. Die erhaltene Masse wird dann bei ungefähr 10O⁰C am Rückfluß, ungefähr 8 Stunden erhitzt. Diesem Rückfluß folgt dann eine Vakuum- {% Torr) verdampfung (80⁰C) zur Entfernung des überschüssigen Phenols. Der Materialrück-

•z-i -ι

stand, analysiert mittels P^ und H KMR- und Elementaranalysen, zeigt die Bildung eines isomeren Gemischs der Formeln H₉C(C₆H₅O)C(OH)(PO₃Hg)₂ und H₂C(OH)C(C₆H₅O)(PO₅Hg)₃. Die Phenyl-, Äthyl- und Butylester dieser Isomeren, werden nach dem im letzten Absatz in Beispiel 2 beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei man, jeweils beziehungsweise, als Veresterungsmittel Triphenylorthoformiat, Triäthylorthoformiat und Tributylorthoformiat verwendet. Die Natrium-, Kalium- und Zinksalze dieser isomeren werden jeweils bzw. dadurch hergestellt, daß man stoichiometrische Mengen des isomeren Gemischs (in der Säureform) mit der entsprechenden Metallh/droxidlösung, unter Bildung der Salze, umsetzt.

Beispiel 16

In ein ReaktionsgefäiS, wie in Beispiel 1 beschrieben, werden 104 g Säureform von EÄDP und 250 ml Äthylmercaptan, das eine Temperatur von 2O⁰C aufweist, eingebracht. Die erhaltene Masse wird dann bei 55⁰C ungefähr 6 Stunden am Rückfluß erhitzt. Nach dieser Rückflußzeit erfolgt eine Vakuum- (5 Torr) verdampfung (4O⁰C) zur Entfernung des überschüssigen Äthylmercaptans. Der Materialrückstand wird

31 1
über P und H KMR- und Elementaranalysen analysiert und zeigt die Bildung eines isomeren Gemischs der Formeln

• . -48-

1098U/1963

H₂C(SC₂H₅)C(0H)(P0₃H₂)₂ und H₂C(OH)G(SO₂H₅

Beispiel 17

Das Beispiel 16 wurde jeweils dreimal wiederholt, wobei man getrennt Phenyl-, Methyl- und Butylmercaptane anstelle des äthylmercaptans von Beispiel 16 verwendete. Die Phenylthio-, Methylthio- und Butylthioderivate von EÄDP werden in ähnlicher Form gebildet wie das Äthylthioderivat von Beispiel 16. Die Natrium-, Kalium- und Zinksalze der erhaltenen, isomeren Gemische werden jeweils bzw. dadurch hergestellt, daß man stoichiometrische Mengen des entsprechenden isomeren Gemischs mit der entsprechenden Metallhydroxidlösung umsetzt, um die Salze zu bilden.

Beispiel 18

In ein herkömmliches Reaktionsgefäß, das mit einem Rückflußkühler ausgestattet ist, werden 51 g Säureform von EÄDP und 148 g Isopropyläther und 50 g Zinkchlorid eingebracht. Die erhaltene Masse wird 4 Stunden am Rückfluß erhitzt und bei einer Temperatur von ungefähr 7O⁰O gehalten. Das erhaltene Produkt wird filtriert, um das Zinkchlorid zu entfernen, und das FiItrat wird dann bei 90⁰C verdampft, um den überschüssigen Isopropyläther zu ent-

•z-i -ι

fernen. Die P^ und H KMR- und Elementaranalysen zeigen die Bildung einer Verbindung der Formel HC(O)CH(PO₅H₂)₂· Das Beispiel 18 wird zweimal getrennt wiederholt, wobei man anstelle von Zinkchlorid und Isopropyläther (1) Magne-

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•siumbromid und Äthyläther und (2) Bortrifluorid und Benzol verwendet. Bei jeder Wiederholung zeigen die P und H KMR- und Elementaranalysen die Bildung von 2-Oxyäthan-1,1-diphosphonsäure.

Beispiel 19

Zur Erläuterung der einzigartigen Brauchbarkeit der Verbindungen der Formel I, wie sie hier beschrieben wurden, wird das folgende Beispiel durchgeführt, wodurch die Segues tr ierungsfähigke it der Säure- und Salzformen der neuen Äthandiphosphonate dargestellt wird.

Das Testverfahren besteht darin, daß man einen gleichen Volumteil von 2,5$ Eisen(lII)-chloridlösung in einen Becher pipettiert und hierzu genug Natriumhydroxid oder Salzsäure zugibt, um den gewünschten pH-Wert zu erreichen. Die Lösung wird 15 Minuten gerührt, danach ein gleicher Anteil der 2,5$igen Sequestrierungsmittellösung, d.h. des jeweiligen Äthandiphosphonats (in Salzform), gelöst in Wasser, zugegeben.

Nach Bestimmung des End-pHs mit Natriumhydroxid oder Salzsäure, wird die Lösung 48 Stunden, zur Erreichung des Gleichgewichts, geschüttelt. Die Lösung wird dann bei 12 000 öpm ungefähr 80 Minuten zentrifugiert, um colloidales Eisen(III)-hydroxid zu entfernen, und ein gleicher Teil der überstehenden Lösung wird iodometrisch titriert oder mittels Rankenfluoreszenz unter Verwendung einer ge-109844/1963 -50-

-zueigneten Eichkurve zur Bestimmung der Eiaen(III)-konzentration analysiert. Die in Teilen pro Million (p.jJ-.m.) • festgestellten Eisen(lll)-konzentrationen und Konzentrationen des Sequestrierungsmittels, werden auf Gewichtsbaais umgewandelt und als Kilo Eisen maskiert durch 100 Kilo Sequestrierungs/Maskierungs/-mittel ausgedrückt.

Nach dem oben beschriebenen Verfahren wurde jede einzelne der Verbindungen 1, 2, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 13, 17, 18, 19, 21, 23, 24, 27, 28, 29, 30, 31, 33, 34, 35, 36, 40, 42, 43, 44 und 47, wie sie vorausgehend beschrieben und nach dem hier ausgeführten verfahren, einschließlich der Beispiele 1 bis 18, hergestellt wurden, jeweils einzeln untersucht. In diesem Falle wurde festgestellt, daß die Sequestrierungsmittel der vorliegenden Erfindung die unerwartete und einzigartige Fähigkeit haben, Eisen(ll)-Eisen über einen weiten Bereich der pH-Bedingungen, d.h., ungefähr 4 bis ungefähr 10,5, zu sequestrieren, und daß die durchschnittliche Menge in Kilo Eisen, sequestriert durch 100 Kilo des entsprechenden Sequestrierungsmittels (Verbindungs-Hr.) in dem pH-Bereich 4 bis 10,5, 13, 15, H, 5, 8, 7, 10, 11, 10, 12, 11, 9, 11, 7, 11, 6, 4, 7, 5, 6, 12, 12, 5, 11, 8, 6, 12, 8 und 7 ist.

Das Beispiel 19 wurde mehrmals wiederholt, ausgenommen, daß andere Metallionen enthaltende Lösungen wie Kalzium, Kupfer, Nickel und Chrom anstelle von Eisen(III)-chloridlösung verwendet wurde. In jedem Falle wurden bei Vervven-

109844/19 63 -51-

dung der voraus bezeichneten Verbindungen die durchschnittlichen Sequestrierungswerte der zuletzt erwähnten Ionen in ähnlicher Weise erhalten.

Beispiel 19 wurde nochmals mehrmals wiederholt, wobei man als Sequestrierungsmittel Trinatriumnitriltriazetat *2HpO, Natriumeitrat und Kaliumgluconat verwendete. Es wurde festgestellt, daß das Gewicht an Eisen in Kg, sequestriert durch 100 kg der voraus bezeichneten Sequestrierungsmittel, jeweils bzw. 7»O, 6,5 und 2,9 bei dem gleichen pH-Bereich von 4 bis 10,5 betrug. Daraus ist zu ersehen, daß die neuartigen Äthandiphosphonate (in Säureoder Salzform) der vorliegenden Erfindung, wenn sie als Sequestrierungsmittel verwendet werden, in ihrer Wirksamkeit unter vergleichbaren Bedingungen den weit verbreiteten, organischen Sequestrierungsmittel gleich und in manchen Fällen sogar überlegen sind. Weiterhin weisen die Äthandiphosphonate der vorliegenden Erfindung, sofern sie als Sequestrierungsmittel verwendet werden, eine Wirksamkeit über einen weiten pH-Bereich auf. Dies ist besonders vorteilhaft, weil es ihre Verwendung für viele und verschiedene Zwecke ermöglicht.

Beispiel 20

Zur Erläuterung einer weiteren Brauchbarkeit der Äthandiphosphonate der Formel I, der vorliegenden Erfindung, wurde festgestellt, daß diese Materialien ebenso Schwellenwert verändernde Eigenschaften aufweisen, d.h., daß 109844/1363

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sie in weniger als stoiohiometrischen Mengen verwendet werden können, um die Ausfällung von Salzen von Mineralsäuren, wie CaCO,, in wässrigen Systemen, zu vermeiden. Dies wird im Einzelfalle durch einen Versuch erkennbar, in dem jede der Verbindungen, die in Beispiel 19 angegeben sind, getrennt und unabhängig bei 25⁰C mit 250 ml Wasser, das CaCIp enthält, gemischt werden. Zu dem erhaltenen Gemisch wird NaHCO, zugegeben. Der pH-Wert wird in · jedem Falle auf 7 eingestellt und bei diesem Wert mit ausreichend NaOH oder HCl gehalten. Die verwendeten CaCl₂-, NaHCO,,- und Äthandiphosphonatmengen sind ausreichend, 5000 ppm CaCO, und 10 ppm A'thandiphosphonat zu bilden. Es ist in jedem Falle zu beobachten, daß weniger als stoichiometrische Mengen der Schwellenwertmittel eine im wesentlichen klare Lösung, während wenigstens 48 Stunden bewirkt. Wenn man dann die Ergebnisse in verschiedener Weise feststellt, sind 10 ppm A'thandiphosphonat Schwellenwertmittel wirksam, eine klare Lösung ohne Ausfällung zu bilden, wobei sie im wesentlichen größere als stoichiometrische Mengen als Kalziumcarbonat beinhalten.

Beispiel 21

Um die Brauchbarkeit der Ester der A'thandiphosphonat verbindungen nach der Formel I weiterhin zu erläutern, wurden ungefähr 50 g von jeder der Verbindungen 3, 4, 7, 12, 14, 16, 20, 22, 25, 26, 32, 37, 38, 39, 41, 45, 46 und 48, die vorausgehend beschrieben und nach den Verfahren der

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■ Beispiele 1 bis 18 hergestellt wurden, getrennt und einzeln mit einem inerten Lösungsmittel in einem 500 ml-Becher gemischt, wobei in diesem lalle, Tetrachlorkohlenstoff zur Herstellung einer 10 Gew.^igen Lösung oder Schlämme von jedem Ester verwendet wurde. Nachdem die getrennten Schlämmen hergestellt sind, r/ird getrennt und einzeln eine Stoffprobe einer Größe von 7»62 χ 7»62 cm aus ungefärbter Baumwollcellulose mit jeder Schlämme dadurch innig in Kontakt gebracht, daß man die Stoffprobe in die Schlämme ungefähr 5 Minuten eintaucht. Die getrennten Stoffproben werden dann den Bechern, die diese Schlämmen oder lösungen enthalten, entnommen und 15 Minuten in einem Luftofen getrocknet, der bei einer Temperatur von ungefähr 80⁰C gehalten wird. Nach Ablauf von 15 Minuten bei 80⁰G wird die Temperatur erhöht, und die Stoffproben werden dann einer Temperatur von ungefähr 150⁰C 10 Minuten unterworfen, um das Abbinden durch eine Reaktion zwischen den spezifischen Estern mit den Oberflächengruppen der Baumwollcellulose, zu erreichen.

Die einzelnen, getrockneten Stoffproben, der behandelten Baumwolle wurden einzeln, hinsichtlich ihrer Feuerhemmung dadurch geprüft, daß man eine Stoffprobe über einem Bunsenbrenner befestigt. Die Flamme wurde so eingestellt, daß die Spitze der Flamme ungefähr 2,5 cm unter der Baumwollstoff probe war, und die unbehandelte Baumwollstoffprobe wird als Kontrolle zu Vergleichs zwecken verwendet.

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Man beließ die llamme unter jeder einzelnen Baumwollstoffprobe (einschl. der Kontrolle) -ungefähr 35 Sekund-en, wonach sie entfernt wurde. Dann wurden visuelle Beobachtungen vorgenommen. Die Ergebnisse dieses Versuchs zeigen, daß die Kontrollprobe, d.h., die Baumwollstoffprobe, die nicht mit irgendeinem der voraus ermahnten Ester behandelt 7/urde, vollständig zerstört ,vurde. Demgegenüber trat bei jeder der einzeln behandelten Baumwollstoffproben, in ereter Linie nur Verkohlen auf und die Flanune erlosch an dem Material innerhalb von ungefähr 5 Sekunden nach Entfernen des Bunsenbrenners von den Baumwollstoffproben. Daraus ist leiciit zu eraehen, daß die Ester der Äthandiphosphonate der Formel I als feuerhemmende Mittel für Cellulose, insbesondere Baumwollbekleidung, hervorragend geeignet sind.

Die Erfindung betrifft also neue und wertvolle substituierte Kthandiphosphonsäuren und ihre Salze und Ester, wie beispielsweise dem Ester der Formel

OC₂H₅

Tetraäthyl-1,2-dihydroxyäthan-i,1-diphoaphonat, sowie Verfahren zur Herstellung der vorausgehend angegebenen Verbindungen, wobei diese im allgemeinen die "Deoxirani-

109844/196 3 "⁵f~

-54a-

sierung"eines Epoxyathandiphosphonata der Formel

C'

0 Il	- OR,
P ι	3
OR
0 Il	- OR,
P ι	3
OR

beinhalten, worin R, Wasserstoff, ein Metallion oder ein organischer Rest ist.

1098U/1963 ~⁵⁵~

Claims (10)

1. Patentansprüche :

   Äthandiphosphonat der allgemeinen Formel

   It

   worin (a)

   R₁ folgende Bedeutungen hat, Sauerstoff, Halogen, Hydroxy, -ON, -N(R.)p, worin R. Wasserstoff und eine Alkylgruppe, -XR,-, worin X Sauerstoff und/oder Schwefel und R Alkyl, CgH und/oder 0„H„ ist, Acetoxy, -SO₅R., worin R. die gleiche Bedeutung wie oben hat, Benzoyl, -CO₂H und/oder eine Gruppe

   H __^-— COOR^ " ° -^ COOR₆

   ist, worin Rg eine Alkylgruppe mit 1 bia 30 Kohlenstoffatomen ist,

   (b) worin R₂ Wasserstoff ist oder eine der Bedeutungen von R₁ hat, ausgenommen Sauerstoff, mit Einschränkung, daß R₂ nur Wasserstoff ist, wenn R₁ Sauerstoff ist, und mit der weiteren Einschränkung, daß in allen Fällen, außer wenn R₁ Sauerstoff und R₂ Wasserstoff ist, wenigstens einer der Reste R₁ oder R« eine Hydroxygruppe ist,

   (c) R-T Metall- und Aminionen, Wasserstoff, Alkyl, Alkenyl, Aryl, Alkylaryl, ein cyclischer und/oder alicyolischer

   Rest und _^.

   1098AA/ 1 963 "⁵⁶"

   .(d) η eine ganze Zahl von 1 oder 2 und η 1 ist, wenn R₁ Sauerstoff ist„
2. 2. Diphosphonatverbindung gemäß Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß R-, Wasserstoff, ein Metallion oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen ist»
3. 3ο Diphosphonatverbindung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Reste R- und Rp entweder Hydroxy- oder -U(R.)₂-gruppen sind, mit der Einschränkung, daß beide Reste R- und R₂ nicht gleich sind, sie entweder -XRj- oder Hydroxygruppen sind, mit der Einschränkung, daß beide Reste R.. und Rp nicht gleich sind oder sie -CN oder Hydroxygruppen sind, mit der Einschränkung, daß beide Reste R₁ und Rp nicht gleicl sind oder beide Hydroxygruppen sind oder entweder Hydroxy- oder -SO Rg-gruppen sind, mit der Einschränkung, daß beide Reste R. und R₂ nicht gleich sind oder entweder Halogenatome oder Hydroxygruppen sind, mit der Einschränkung, daß beide Reste R₁ und R^ nicht gleich sind.
4. 4* Diphosphonatverbindung, gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sie 1,2-Dihydroxyäthan-i,1-diphosphonsäure, 2-Cyano-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonsäure, Diphenyl-2-benzoyl-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonat, Hexanatrium 2-hydroxy-2,2-diphosphonäthylmalonat, 2-Thiomethyl-1-hydroxyäthan-1,1-diphosphonsäure oder 2-0xyäthan-1,1-diphosphonsäure ist.

   -57-

   109844/1963
5. 5. Verfahren zur Herstellung einer /ithandiphosphcnatverbindung der allgemeinen Formel,

   worin (a)

   R^ folgende Bedeutungen hat, Sauerstoff, Halogen, Hydroxy, —GIST, -H(H, )₂·, worin R, Wasserstoff und eine Al· kylgruppe, -ZRa, worin X Sauerstoff und/oder Schwefel und R₅ Alkyl, C ^H- und/oder C₇H₇ ist, Ac et oxy, -SO-?^, worin E₇, die gleiche Bedeutung wie oben hat, Benzoyi,

   -COpH und/oder eine Gruppe "· '■

   COOH₆

   COOH ^ ο

   ist, worin R,- eine AlkylgrutiOe mit 1 bis 30 Kohlenstoff

   ■ atomen ist,

   (b) worin H₂ Wasserstoff ist oder eine der· Bedeutungen von H-j hat, ausgenommen Sauerstoff, mit Einschränkung, da3 H₂ nur Wasserstoff ist, wenn H^ Sauerstoff 13t, \ir.d nit der weiteren Einschränkung, daß in allen Pällen, au.3er wenn H. Sauerstoff und H₉ V/a-ss erst off ist, wenigstens ·

   .. . einer der Heste H₁ -oder H₂ eine Hyaröxygruppe ist,

   (c) H^ Metall- und Aainionen,- Wasserstoff, Alkyl, Alkenyl, Aryl, Alkylaryl, ein cyclischer und/oder alicyclischer

   Hest und . -,»

   10984A/1963

   BAD ORIGINAL

   · —

   (d) η eine ganze Zahl von 1 oder 2 und η 1 ist, wenn R₁ Sauerstoff ist,

   dadurch gekennzeichnet, daß man ein Epoxyäthandiphosphonat der Formel

   worin R ' die gleiche Bedeutung wie oben hat, mit einem Deoxiranisierungsmittel bei einer ausreichenden Temperatur zur Ringöffnung des Epoxyäthandiphosphonats umsetzt, um die voraus bezeichnete Äthandiphosphonatverbindung zu. bilden.
6. 6. Verfahren, gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß ala Deoxiranisierungsmittel Wasser, Ammoniak, primäres Amin, sekundäres Amin, Säuren, Malonate, Alkohole, Mercaptane, Lewis-Säurekatalysatoren und Gemische derselben verwendet werden.
7. 7. Verfahren, gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungen hergestellt werden, worin die Reste R- und Rg Hydroxygruppen und R₃ Metallionen, Aminionen, Wasserstoff, Alkyl, Alkenyl, Aryl, Alkylaryl, ein cyclischer oder alicycliacher Rest ist.

   109844/1963 "⁵⁹"
8. 8. Verfahren gemäß Anspruch. 5 dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das Epoxyäthandiphosphonat in der Salz-, Partialsalz-,. Ester- oder Partialesterform vorliegt und als Deoxiranisierungsmittel Wasser verwendet wird, ein Säurekatalysator mit dem Epoxyäthandiphosphonat und Wassergemisch während der Reaktion in Kontakt gebracht wird.
9. ^ 9. Verfahren gemäß Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß man im wesentlichen stoichiometrische Mengen Epoxyäthandiphosphonat und Wasser und ein im wesentlichen wassermischbares, organisches Verdünnungsmittel, das einen Siedepunkt zwischen ungefähr 50⁰C und ungefähr 150⁰C hat, · in ausreichenden Mengen verwendet, um als Reaktionsmedium zu dienen.
10. 10. Verfahren gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturbereich von ungefähr -5O⁰C bis 25O⁰C verwendet wird.

    1098U/1963