DE3544064A1 - Verfahren zur herstellung von p-hydroxiarylphosphinoxiden bzw. -sulfiden - Google Patents

Verfahren zur herstellung von p-hydroxiarylphosphinoxiden bzw. -sulfiden

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Werner Dipl Ing Dr Ude
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07FACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F9/00Compounds containing elements of Groups 5 or 15 of the Periodic Table
    • C07F9/02Phosphorus compounds
    • C07F9/28Phosphorus compounds with one or more P—C bonds
    • C07F9/50Organo-phosphines
    • C07F9/53Organo-phosphine oxides; Organo-phosphine thioxides
    • C07F9/5325Aromatic phosphine oxides or thioxides (P-C aromatic linkage)

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Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Herstellung von p-Hydroxiarylphosphinchalkogeniden der allgemeinen Formel I worin
Y für Sauerstoff und/oder Schwefel,
Ar Arylenreste, insbesondere Phenylenreste,
R ein gegebenenfalls substituierter Alkyl- oder Arylrest, insbesondere Methyl oder Phenyl,
m die Zahl 1 oder 2 oder 3 ist.
Stand der Technik
Hydroxiphenylphosphinoxide finden Interesse, so z. B. für die Herstellung von Polymeren, die hoch temperaturbeständig und dazu noch schwer- bis unbrennbar sind. Im Hinblick darauf haben Senear, Valient und Wirth, J. Org. Chem., 25 (1960), Seiten 2001-2006, die Synthese entsprechender Monomerer, u. a. von Bis(4-hydroxiphenyl)phenylphosphinoxid (II) oder von Tris(4-hydroxiphenyl)phosphinoxid (III) mit Hilfe der Grignard-Reaktion durchgeführt.
Die Herstellung der Verbindungen II und III wurde so nach folgendem Schema ermöglicht:
Für die technische Herstellung von 4-Hydroxiphenylphosphinoxiden ist die Grignard-Reaktion, sowohl aus Gründen der Notwendigkeit des Einsatzes teurer Bromverbindungen und anderer teurer Hilfschemikalien, als auch wegen der nicht einfachen Reaktionsführung, ungeeignet. Dazu kommen große Probleme bei der Beseitigung des bei der Grignard-Synthese anfallenden Mg (Br, Cl)2-Salzgemisches und des bei der Etherspaltung als Beiprodukt anfallenden Methylbromids. Aus den Angaben von Senear et al. errechnet sich noch, daß die Gesamtausbeuten der Verbindungen II und III nach der mehrstufigen Synthese deutlich unter 50% d.Th. liegen. So ergibt sich nach den günstigen Herstellungsvarianten für Bis(4-hydroxiphenyl)phenylphosphinoxid eine Ausbeute von 46,2% und für Tris(4-hydroxiphenyl)phosphinoxid eine solche von 38,5%.
Auch die Synthese der Verbindung IV läuft nach den Angaben von Hashimoto, Furukawa und Kondo, Kobunshi Kagaku, Eng.Ed., Vol. 2, Nr. 9, 1973, Seiten 826-827 (Ref.: C.A. 80, 96460), mit Hilfe der Grignard-Reaktion von Phosphortrichlorid aus in einer vielstufigen Arbeitsweise ab.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von 4-Hydroxiarylphosphinchalkogeniden der Struktur worin
Y Sauerstoff und/oder Schwefel,
Ar Arylen, insbesondere Phenylen oder 1,4- bzw. 1,5-Naphthylen, die gegebenenfalls noch eine oder zwei Substituenten, wie Alkyl, insbesondere Methyl, enthalten können,
R Alkyl mit 1 bis 6 C-Atomen, die geradkettig oder verzweigt und auch ungesättigt oder substituiert sein können, insbesondere solche mit 1 bis 4 C-Atomen, wie z. B. Methyl, Äthyl, tert.-Butyl, Allyl, Chlormethyl oder
R Cycloalkyl, wie z. B. Cyclohexyl, Cyclopentyl, oder
R Aralkyl, wie Benzyl, oder
R Aryl, wie beispielsweise Phenyl, Tolyl, Xylyl oder 1- bzw. 2-Naphthyl, das noch einen oder zwei Substituenten, insbesondere Alkyl, wie z. B. Methyl tragen kann und
m eine Zahl von 1, 2 oder 3 bedeuten, zu finden,
das diese Verbindungen in höherer Ausbeute, in einem technisch gut beherrschbaren Verfahren und auf wirtschaftliche Art und Weise zu erhalten gestattet, so daß z. B. die mehrfunktionellen p-Hydroxiderivate für die Herstellung preiswerter schwer- bis unbrennbarer, hochtemperaturbeständiger Kunststoffe zur Verfügung stehen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß 4-Halogenarylphosphinsulfide der allgemeinen Formel V worin Ar, R und m die oben angegebenen Bedeutungen haben und X ein Halogenatom, insbesondere ein Chlor- oder Fluoratom ist, bei Temperaturen über 200°C mit anorganischen Basen, z. B. mit Alkalihydroxiden, umgesetzt, und die dabei entstandenen 4-Hydroxiarylphosphinoxide und/oder -sulfide, nach Ansäuern der aus den Umsetzungsgemischen hergestellten wäßrigen Lösungen, isoliert werden. Überraschenderweise gelingt es in glatter Reaktion mit billigen Alkalihydroxiden, wie z. B. NaOH, in einer Operation sowohl die Halogengruppe durch eine OM-Gruppe, wobei M das basische Metalläquivalent ist, als auch den Schwefel am Phosphoratom teilweise bis vollständig durch Sauerstoff zu substituieren. Diese glatte Überführung von Halogenarylphosphinsulfiden in die gewünschten Hydroxiarylphosphinoxide bzw. -sulfide ist umso überraschender, als einmal nach Horner, Hoffmann und Wippel, Ber. 91, 64-65 (1958), tertiäre Phosphinoxide praktisch unter den gleichen Reaktionsbedingungen in Ausbeuten von 80 bis 100% unter Abspaltung eines organischen Kohlenwasserstoffrestes zu Phosphinsäuren umgesetzt werden und zum anderen nach Burdon, Rozhkov und Perry, J.Chem.Soc. (C), 1969, 2615-2617, im Pentafluorphenyl-diphenylphosphinsulfid durch Reaktion mit Natriummethylat, teilweise analog der Reaktion von Horner et al. der Pentafluorphenylrest durch O-Methyl und teilweise ein bzw. zwei Fluoratome im Pentafluorphenylrest durch O-Methyl ersetzt werden. Von den Autoren wurde bei dieser Umsetzung keine Substitution des Schwefels durch Sauerstoff festgestellt. Wie bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen die Reaktionsfolge der beiden Substitutionen abläuft, ist nicht bekannt.
Die als Ausgangsprodukte verwendeten Halogenarylphosphinsulfide
der allgemeinen Formel V sind außer der Verbindung (ClC6H4)3PS nicht bekannt - nicht bekannt sind auch die daraus erfindungsgemäß entstehenden Hydroxiarylphosphinsulfide. Die Verbindungen V lassen sich jedoch durch Umsetzung von Phosphorhalogensulfiden mit Arylhalogeniden in Gegenwart von Friedel-Crafts-Katalysatoren analog der von Maier in Helv. 47 (1964), 120-132 beschriebenen Vorgehensweise, herstellen. Als Phosphorhalogensulfide werden die billigen und reaktionsfähigen Chlorverbindungen bevorzugt, z. B. Trichlorphosphinsulfid, Dichlorphenylphosphinsulfid, Dichlormethylphosphinsulfid oder Monochlordiphenylphosphinsulfid. Die, gegebenenfalls weitere, Arylierung dieser Phosphorhalogensulfide wird ebenfalls nach der von Maier beschriebenen Methode zu den für die erfindungsgemäße Reaktion benötigten Ausgangsprodukten durchgeführt. Als Friedel-Crafts- Katalysatoren für die Durchführung der Arylierung werden z. B. C2H5AlCl2, Al Br3 und vor allem Al Cl3 verwendet. Ausbeute und Reinheit des Reaktionsprodukts hängen stark vom angewandten Molverhältnis der Reaktionspartner, sowie von der Reaktionstemperatur und der Reaktionszeit ab. Beispielsweise erfolgt die Herstellung der Ausgangsprodukte für die Durchführung der erfindungsgemäßen Reaktion nach der Gleichung:
Reaktionsbedingungen und Durchführung der Arylierung sind in den Beispielen zur Herstellung von Ausgangsverbindungen beschrieben.
Danach können Halogenarylphosphinsulfide hergestellt werden, bei denen R Alkylgruppen, wie z. B. Methyl, Äthyl, oder substituierte Alkylgruppen, wie Chlormethyl, sind. Weiter sind auf diese Weise solche Halogenarylphosphinsulfide zugänglich, die als Substituenten R Cycloalkylgruppen, insbesondere Cyclohexyl oder Aralkylgruppen, z. B. Benzyl oder Arylgruppen, insbesondere Phenyl und Tolyl, besitzen.
Vorteile der Erfindung
Gegenüber dem Stand der Technik weist das erfindungsgemäße Verfahren einschließlich des Vorgehens bei der Herstellung der dabei verwendeten Ausgangsverbindungen, sowohl wirtschaftliche als auch chemisch-technische Vorteile auf. Halogenaryle, wie z. B. Fluorbenzol oder Chlorbenzol, die für die Friedel-Crafts-Arylierung eingesetzt werden, sind im Vergleich zu Anisol preiswerte Chemikalien und müssen nicht wie diese über die teure und aufwendige Grignard-Reaktion an den Phosphor gebunden werden. Auch ist die Überführung des Halogenarylphosphinsulfides in das Hydroxiderivat bei gleichzeitigem, teilweise bis vollständigen Ersatz des Schwefels durch Sauerstoff mit billigen anorganischen Basen reaktionstechnisch einfacher durchführbar als die Oxidation mit H2O2 und die Methylätherspaltung mit teurer und korrosiver Bromwasserstoffsäure, wie von Senear et al. angegeben.
Wie aus den Beispielen hervorgeht, fallen die Produkte des erfindungsgemäßen Verfahrens, z. B. das Bis(4-hydroxiphenyl)-phenylphosphinoxid (II) nach der erfindungsgemäßen Reaktion, die die Halogensubstitution durch die OH-Gruppe mit gleichzeitiger Überführung des Phosphinsulfids in das Phosphinoxid beinhaltet und der Produktisolierung in guten Ausbeuten an.
Ausführung der Erfindung
Die Reaktion gemäß der Erfindung verläuft beispielsweise nach folgendem Schema:
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird zweckmäßig so durchgeführt, daß man ein Gemisch von möglichst überschüssiger gepulverter Base, z. B. Natriumhydroxid, und dem Halogenarylphosphinsulfid auf höhere Temperaturen, d. h. auf Temperaturen höher als 170°C, vorzugsweise 200 bis 400°C, erhitzt. Die Reaktion kann in Abwesenheit eines Lösungsmittels, d. h. inerten Reaktionsmediums, aber auch zur besseren Durchmischung in Anwesenheit eines solchen durchgeführt werden, wobei dann zweckmäßigerweise in einem geschlossenen Reaktionssystem unter einem sich einstellenden, aber relativ niedrigen Eigendruck des Systems gearbeitet wird. Zur Vermeidung unerwünschter Oxidationsreaktionen durch Luftsauerstoff bei den hohen Temperaturen kann das Verfahren vorteilhaft unter einer Inertgasatmosphäre ausgeführt werden.
Als Basen werden bei der Reaktion im wesentlichen starke anorganische Basen verwendet. Anstelle von Natriumhydroxid können beispielsweise andere Alkali- bzw. Erdalkalihydroxide, wie Kaliumhydroxid, Calciumhydroxid oder Bariumhydroxid, verwendet werden.
Das angewandte Verhältnis von Base zu Ausgangsprodukt kann bei der 1- bzw. 20-fach stöchiometrischen Menge des basischen Reagenzes liegen. Die Reaktionsdauer hängt von der Reaktivität der eingesetzten Verbindung ab und kann in Zeitspannen von Minuten bis Stunden liegen. Auch ist die Umsetzungsdauer mit Hilfe der angewandten Temperatur steuerbar. Nach Beendigung der Reaktion wird nach Abkühlung der Reaktionsmasse Wasser zugegeben und diese damit in Lösung gebracht, worauf durch Zugabe von Säuren, vorzugsweise Mineralsäure, insbesondere Salzsäure oder Schwefelsäure unter Einstellung eines pH-Werts 7, die Hydroxiphenylphosphinoxide und/oder -sulfide in Freiheit gesetzt werden.
Beispiele 1 und 2 Darstellung von Dichlor- und Difluortriphenylphosphinsulfid
63,3 g (0,3 Mol) Phenylthiophosphonsäuredichlorid, 213,6 g (1,6 Mol) wasserfreies Aluminiumchlorid und 2 Mol Chlorbenzol oder Fluorbenzol wurden 8 Stunden in einem 1 l 4-Hals-Kolben mit Rührer, Rückflußkühler und Innenthermometer zum Rückfluß erhitzt. Nach Beendigung der Umsetzung wurde der Reaktionsansatz auf 500 ml einer Mischung aus Eis und konzentrierter Salzsäure gegossen. Die organische Phase wurde abgetrennt. Die wäßrige Phase wurde 4 mal mit je 300 ml Toluol extrahiert. Die vereinigten Phasen wurden mit Natriumsulfat getrocknet und im Rotationsverdampfer bei 80°C im Vakuum eingedampft. Der gewonnene bräunliche Rückstand wurde im Ölpumpenvakuum destilliert. Nach einem Vorlauf ging bei etwa 260-300°C ein Isomerengemisch von stellungsisomeren disubstituierten Triphenylphosphinsulfiden über, das zu mindestens 80% aus dem 4,4′-disubstituierten Produkt bestand.
Beispiel 3 Darstellung von Bis(4-hydroxiphenyl)phenylphosphinoxid
In einem 100 ml-Vierhalskolben mit Thermometer, Argon-Zuleitung, Rückflußkühler mit CaCl2-Trockenrohr wurden 10 g (0,028 Mol) Dichlorphenyl-phenyl-phosphinsulfid und 15 g (0,375 Mol) gepulvertes Natriumhydroxid zusammen 4 Stunden auf ca. 300°C erhitzt. Die Reaktion erfolgte unter Argon. Nach dem Abkühlen wurde der Ansatz soweit wie möglich in 100 ml 20%iger Natronlauge gelöst und von geringen Mengen unlöslicher Anteile abfiltriert. Das Filtrat wurde mit überschüssiger konzentrierter Salzsäure angesäuert und das bräunliche Produkt abfiltriert. Der Filterrückstand wurde in ca. 200 ml 2-molarer Natronlauge gelöst und die Lösung mit ca. 1 g Aktivkohle 15 Minuten am Rückfluß erhitzt. Anschließend wurde die Aktivkohle abfiltriert, das Filtrat mit konzentrierter Salzsäure angesäuert, der dabei gebildete Niederschlag abfiltriert und der Filterrückstand bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Ausbeute: 5,5 g (63% d.Th.) Bis(4-hydroxiphenyl)phenylphosphinoxid Der Hauptpeak des Produkts im 31P-NMR-Spektrum lag bei δ = 27,6 (in DMSO1H3PO4-Kapillare).
Beispiel 4 Darstellung von Bis(4-hydroxiphenyl)phenylphosphinoxid
In einem 100 ml Vierhalskolben mit Thermometer, Argon-Zuleitung, Rückflußkühler mit CaCl2-Trockenrohr wurden 10 g (0,03 Mol) 4,4′- Difluortriphenylphosphinsulfid und 15 g (0,375 Mol) gepulvertes NaOH zusammen 8 Stunden auf 230°C erhitzt.
Nach dem Abkühlen löste man den Ansatz in 150 ml H2O, filtrierte und säuerte mit 30 ml konzentrierter Salzsäure an. Die weiße Fällung wurde abgesaugt und getrocknet.
Ausbeute: 9,1 g (97,8% d.Th.). Nach 31P-NMR-Spektroskopie bestand das Produkt hauptsächlich aus Dihydroxitriphenylphosphinoxid (Peak bei δ = 27,6 ppm; in d6-DMSO, H3,PO4 als Standard).
Beispiel 5 Darstellung von Bis(4-hydroxiphenyl)methylphosphinsulfid
20 g (0,066 Mol) Bis(4-chlorphenyl)methylphosphinsulfid wurden zusammen mit 30 g (0,75 Mol) pulverisiertem Natriumhydroxid 8 Stunden bei 230°C unter Rühren erhitzt. Nach dem Abkühlen wurde der Ansatz in Wasser gelöst und filtriert. Man säuerte des Filtrat mit Salzsäure an, trennte den ausgefallenen Niederschlag ab und trocknete.
Ausbeute: 14,8 g.
Nach 31P-NMR-Spektroskopie bestand das Produkt aus Bis(4-hydroxiphenyl)- methylphosphinsulfid (79%), Bis(4-hydroxiphenyl)methylphosphinoxid (9%) und 12% Ausgangsverbindung. Durch Umkristallisation wurde das Hauptprodukt rein erhalten.
Beispiel 6 Darstellung von Tris(4-hydroxiphenyl)phosphinoxid/sulfid
10 g (0,028 Mol) Tris(4-fluorphenyl)phosphinsulfid wurden mit 15 g (0,38 Mol) pulverisiertem Natriumhydroxid 8 Stunden bei 230°C unter Rühren erhitzt. Man arbeitete wie unter Beispiel 5 beschrieben auf. Ausbeute: 6,9 g.
Nach 31P-NMR-Spektroskopie und massenspektropischer Analyse bestand das Produkt aus 65% Tris(4-hydroxiphenyl)phosphinoxid und 34% Tris(4-hydroxiphenyl)phosphinsulfid.
Beispiel 7 Darstellung von Bis(4-hydroxiphenyl)methylphosphinsulfid/oxid
10 g (0,037 Mol) Bis(4-fluorphenyl)methylphosphinsulfid wurden mit 15 g (0,38 Mol) gepulvertem Natriumhydroxid 8 Stunden bei 230°C gerührt. Man arbeitete wie unter Beispiel 5 beschrieben auf.
Ausbeute: 9,1 g.
Nach 31P-NMR-Spektroskopie und Massenspektroskopie bestand das Produkt aus 66% Bis(4-hydroxiphenyl)methylphosphinsulfid und 33% Bis(4-hydroxiphenyl)methylphosphinoxid.
Beispiel 8 Darstellung von Tris(4-hydroxiphenyl)phosphinoxid/sulfid
Die Darstellung erfolgte analog Beispiel 6, jedoch wurden 21 g (0,38 Mol) KOH als Base verwendet. Ausbeute: 9 g eines Gemisches aus 50% Tris(4-hydroxiphenyl)phosphinoxid und 50% Tris(4-hydroxiphenyl)- phosphinsulfid (bestimmt durch 31P-NMR-Spektroskopie).

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von p-Hydroxiarylphosphinchalkogeniden der allgemeinen Formel worin
Y Sauerstoff und/oder Schwefel,
Ar Arylen, R gegebenenfalls substituiertes Alkyl-, Cycloalkyl-, Aralkyl- oder Arylreste und m die Zahl 1 oder 2 oder 3 bedeuten, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Phosphinsulfid der allgemeinen Formel worin Ar, R und m die angegebene Bedeutung haben und X ein in p-Stellung stehendes Halogenatom ist, mit anorganischen Basen auf eine Temperatur über 170°C erhitzt und das p-Hydroxiarylphosphinoxid und/oder -sulfid aus dem erhaltenen Salz dieser Verbindungen mit einer Säure freigesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mit Verbindungen durchgeführt wird, in denen X Fluor oder Chlor ist.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es mit Verbindungen durchgeführt wird, in denen Ar ein p-Phenylenrest und R ein gegebenenfalls substituierter Phenylrest ist.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es mit Verbindungen durchgeführt wird, in denen Ar ein p-Phenylenrest und R ein gegebenenfalls substituierter niederer Alkylrest ist.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Base ein Alkali- oder Erdalkalihydroxid ist.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Säure zur Freisetzung des p-Hydroxiarylphosphinoxids und/oder -sulfids aus ihrem Salz eine Mineralsäure ist.
7. Tertiäre Arylphosphinsulfide der Formel worin Ar Arylenreste, R gegebenenfalls substituierte Alkyl-, Cycloalkyl- oder Arylreste, X Halogen oder Hydroxi und m die Zahl 1 oder 2 oder 3 bedeuten.
8. Tertiäres Arylphosphinsulfid nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es Bis(chlorphenyl)phenylphosphinsulfid ist.
9. Tertiäres Arylphosphinsulfid nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es Bis(fluorphenyl)phenylphosphinsulfid ist.
10. Tertiäres Arylphosphinsulfid nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es Bis(4-hydroxiphenyl)methylphosphinsulfid ist.
11. Tertiäres Arylphosphinsulfid nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es Tris(4-hydroxiphenyl)phosphinsulfid ist.
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EP0664296A1 (de) * 1994-01-20 1995-07-26 GREAT LAKES CHEMICAL ITALIA S.r.l. Reaktive flammverzögernde Additive, die Phosphinoxid-Gruppen enthalten

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0664296A1 (de) * 1994-01-20 1995-07-26 GREAT LAKES CHEMICAL ITALIA S.r.l. Reaktive flammverzögernde Additive, die Phosphinoxid-Gruppen enthalten
US5500285A (en) * 1994-01-20 1996-03-19 Great Lakes Chemical Italia S.R.L. Reactive flame retardant additives containing phosphino oxide moieties

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