DE3628916A1 - Phosphorsaeureester - Google Patents

Phosphorsaeureester

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Description

Die Erfindung betrifft neue Phosphorsäureester und insbesondere Phosphorsäureester der folgenden, allgemeinen Formel (I) wobei R1 eine lineare oder verzweigte Alkyl- oder Alkenylgruppe mit 1 bis 36 Kohlenstoffatomen oder eine Phenylgruppe bedeutet, die substituiert ist mit einer linearen oder verzweigten Alkylgruppe mit 1 bis 15 Kohlenstoffatomen; R2 eine Alkylengruppe mit 2 bis 3 Kohlenstoffatomen darstellt; R3, R4 und R5 unabhängig ein Wasserstoffatom oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 36 Kohlenstoffatomen bedeuten, mit der Maßgabe, daß einer der Reste R3, R4 und R5 5 oder mehr Kohlenstoffatome aufweist; und n für eine Zahl von 0 bis 30 steht.
Phosphorsäureester werden auf verschiedene Gebieten verwendet, z. B. als Detergentien, Hilfsmittel bei der Faserverarbeitung, Emulgatoren, Rostschutzmittel, flüssige Ionenaustauscher oder Pharmazeutika.
Für Detergentien hat man bisher Alkylsulfate, Alkylbenzolsulfonate, α-Olefinsulfonate und dergl. verwendet. Da viele dieser oberflächenaktiven Mittel die Haut rauh machen, besteht ein Bedarf zur Schaffung von Detergentien, welche eine geringere Reizwirkung auf die Haut ausüben. In jüngster Zeit hat man als derartige oberflächenaktive Mittel mit geringerer Hautreizwirkung Phosphorsäuremonoestersalze verwendet.
Im lebenden Körper sind verschiedene Surfaktantien vom Phosphat-Typ enthalten, welche im Molekül quaternäre Ammoniumsalze aufweisen und als Phospholipide bezeichnet werden. Lecithin und Phosphatidylserin sind typische Beispiele der Phospholipide. Diese Phospholipide werden auf verschiedenen Gebieten genutzt wegen ihrer Oberflächenaktivität, ihrer Emulgierfähigkeit und ihrer physiologischen Eigenschaften. Man kann im Hinblick auf diese Verbindungen erwarten, daß Substanzen mit ähnlichen Strukturen wie die Phospholipide beim lebenden Körper eine geringere Reibwirkung haben als die zuvor erwähnten Phosphorsäuremonoestersalze. Es wurden folglich bereits verschiedene Phospholipid-artige Substanzen synthetisiert. Bei den bekannten Synthesen handelt es sich jedoch um mehrstufige Reaktionen und die Ausbeuten der angestrebten Verbindungen sind daher niedrig [E. Baer et al., Journal of the American Chemical Society, 72, 942 (1950)].
Ausgehend von diesem Stand der Technik, haben einige der Erfinder der vorliegenden Anmeldung neue Verbindungen mit einem quaternären Ammoniumsalz im Molekül, welche die folgende Formel aufweisen, mittels eines einfachen Verfahrens erhalten: wobei R6 eine lineare oder verzweigte, gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffgruppe bedeutet, die substituiert sein kann und 8 bis 32 Kohlenstoffatome aufweist; R8, R9 und R10, welche gleich oder verschieden sein können, unabhängig für eine gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen stehen; R7 eine Alkylengruppe mit 2 bis 3 Kohlenstoffatomen bedeutet und n für eine ganze Zahl von 0 bis 50 steht (japanische Patentanmeldung 39 042/ 1984). Es wurde festgestellt, daß diese Verbindung leicht hergestellt werden kann, indem man ein Monoalkalimetallsalz einer Monoalkylphosphorsäure der Formel (III) mit einem Glycidyltrialkylammoniumsalz der Formel (IV) gemäß dem nachfolgend angegebenen Reaktionsschema umsetzt. Ferner wurde festgestellt, daß eine repräsentative Verbindung, nämlich Dodecyl-2-hydroxy-3-N,N,N- trimethylammoniopropylphosphat [R6=C12H25, R8=R9= R10=CH3 und m=0 in der Verbindung (II)], einen ausgezeichneten Detergenseffekt aufweist und eine äußerst geringe Reizwirkung auf den lebenden Körper hat. wobei M1 für ein Alkalimetall steht, X1 ein Anion bedeutet und R6, R7, R8, R9, R10 und m die oben angegebene Bedeutung besitzen.
Unter den Glycidyltrialkylammoniumsalzen steht jedoch lediglich Glycidyltrimethylammoniumchlorid derzeit als industriell hergestelltes Produkt zur Verfügung. Es hat sich als schwierig erwiesen, Verbindungen mit unterschiedlichen Alkylammoniogruppen in industriellem Maßstab zu erhalten.
Hiervon ausgehend, haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung festgestellt, daß nicht nur die Phosphorsäureester der Formel (II), sondern auch neue Phosphorsäureester der Formel (I) mittels eines einfachen Verfahrens mit hoher Reinheit und in hoher Ausbeute erhalten werden können unter Verwendung von Ausgangsmaterialien, die einfach und wirtschaftlich zugänglich sind.
Mit der vorliegenden Erfindung werden somit neue Phosphorsäureester der allgemeinen Formel (I) zur Verfügung gestellt.
Die Figur zeigt das Infrarot-Absorptionsspektrum für Dodecyl-2-hydroxy-3-N,N-dimethyl-N-dodecyl-ammoniopropylphosphat.
Bei den erfindungsgemäßen Phosphorsäureestern der Formel (I) kann die lineare oder verzweigte Alkyl- oder Alkenylgruppe mit 1 bis 36 Kohlenstoffatomen, die durch R1 dargestellt wird, beispielsweise die folgenden Gruppen umfassen: Methyl, Ethyl, Butyl, Octyl, Decyl, Dodecyl, Tetradecyl, Hexadecyl, Octadecyl, Docosyl, Tetracosyl, Triacontyl, 2-Ethylhexyl, 2-Octyldodecyl, 2-Dodecylhexadecyl, 2-Tetradecyloctadecyl, Monomethyl-verzweigtes-isostearyl, Octenyl, Decenyl, Dodecenyl, Tetradecenyl, Hexadecenyl, Octadecenyl, Dococenyl, Tetracocenyl und Triacontenyl. Die Phenylgruppen, welche mit linearen oder verzweigten Alkylgruppen mit 1 bis 15 Kohlenstoffatomen substituiert sind, können beispielsweise die folgenden Gruppen umfassen: Ethylphenyl, Butylphenyl, Hexylphenyl, Octylphenyl und Nonylphenyl.
Die erfindungsgemäßen Phosphorsäureester (I) können hergestellt werden nach einem neuen Herstellungsverfahren gemäß dem folgenden Reaktionsschema. wobei X für ein Halogenatom steht, R11, R12 und R13 unabhängig ein Wasserstoffatom oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 36 Kohlenstoffatomen bedeuten, M ein Wasserstoffatom oder ein Salz eines Alkalimetalls oder Erdalkalimetalls darstellt und R1, R2 und n die oben angegebene Bedeutung haben.
Der Phosphorsäureester der Formel (VII), umfassend die Verbindung (I) der vorliegenden Erfindung, wird hergestellt durch Umsetzung des Phosphorsäureesters der Formel (V) und des Amins der Formel (VI).
Der Phosphorsäureester der allgemeinen Formel (V) kann nach beliebigen, bekannten Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann der Ester leicht und in industriellem Maßstab hergestellt werden, indem man gemäß einem Vorschlag der Erfinder der vorliegenden Anmeldung ein hochreines Monoalkalimetallsalz des Phosphorsäureesters mit Epihalogenhydrin umsetzt.
Speziell kann die Verbindung leicht gemäß dem folgenden Reaktionsschema hergestellt werden, indem man ein Monoalkalimetallsalz eines Phosphorsäuremonoesters der allgemeinen Formel (VIII) mit einem Epihalogenhydrin der Formel (IX) umsetzt und gegebenenfalls ansäuert und ferner mit einer Base neutralisiert. wobei R1, R2, M1, X und n die oben angegebene Bedeutung haben.
Die durch die Formel (VI) dargestellten Amine können beispielsweise umfassen: Triethylamin, Tributylamin, Tripentylamin, Trihexylamin, Trioctylamin, Tridecylamin, Tridodecylamin, Dimethyloctylamin, Dimethyldecylamin, Dimethyldodecylamin, Dimethyltetradecylamin, Dimethylhexadecylamin, Dimethyloctadecylamin, Didodecylmonomethylamin, 2-Hexyldecyldimethylamin, 2-Octyldodecyldimethylamin und Monomethyl-verzweigtes Isostearyldimethylamin.
Bei der Umsetzung des Phosphorsäureesters (V) mit dem Amin (VI) wird das Amin (VI) vorzugsweise in einer Menge von 1 bis 10 Mol und insbesondere von 1 bis 3 Mol/Mol Phosphorsäureester (V) umgesetzt.
Als brauchbare Lösungsmittel für die Umsetzung kommen vorzugsweise inerte, polare Lösungsmittel in Frage, z. B. Wasser, Methylalkohol, Ethylalkohol und 2-Propanol, und zwar entweder einzeln oder als Mischung.
Die Umsetzung erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 30 bis 100°C und insbesondere bei 60 bis 90°C.
Die auf diese Weise erhaltene Reaktionslösung enthält zusätzlich zu der angestrebten Verbindung der Formel (VII) anorganische Salze als Nebenprodukt oder nichtreagiertes Amin, je nach dem Reaktions-Molverhältnis. Das auf diese Weise erhaltene Reaktionsprodukt kann so, wie es ist, verwendet werden, wenn der Verwendungszweck dies zuläßt, oder es kann durch eine weitere Reinigung in ein hochreines Produkt überführt werden. Beispielsweise kann man im Falle von Dodecyl-2-hydroxy-3- N,N-dimethyl-N-dodecylammoniopropylphosphat [R1=R11= C12H25, R12=R13=CH3, n=0 in der Verbindung der Formel (VII)] das angestrebte Produkt mit hoher Reinheit erhalten, indem man Natriumdodecyl-2-hydroxy-3- chlorpropylphosphat mit Dimethyldodecylamin in einem gemischten Lösungsmittel aus Wasser und Ethylalkohol umsetzt, anschließend das Lösungsmittel abdestilliert und Wasser entfernt, Ethylalkohol zusetzt und das unlösliche Natriumchlorid abfiltriert, die Lösung in eine große Menge Aceton gibt und auf diese Weise das Dodecyl-2-hydroxy-3-N,N-dimethyl-N-dodecylammoniopropylphosphat ausfällt.
Als weiteres Verfahren zur Reinigung kann man eine elektrische Dialyse unter Verwendung von Ionenaustauschmembranen durchführen. Mit diesem Verfahren lassen sich speziell ionische Verbindungen auf elektrischem Wege unter Verwendung von im Handel erhältlichen Ionenaustauschermembranen entfernen. Beispielsweise werden kationische Austauschermembranen, wie 66-5T (von Tokuyama Soda) und CMV (von Asahi Glass), oder anionische Austauschermembranen, wie ACH-45-T (Tokuyama Soda) und AMV (Asahi Glass), eingesetzt. Bei diesem Reinigungsverfahren bleibt lediglich der amphotere Phosphorsäureester (VII) in dem Reaktionsprodukt zurück, während andere Verunreinigungen eliminiert werden. Nach Abdestillation des Lösungsmittels von dem Rückstand kann der Phosphorsäureester (VII) in hochreiner Form erhalten werden.
Bei der Umsetzung zur Herstellung des als Ausgangsmaterial eingesetzten Phosphorsäureesters (V) bildet sich manchmal eine geringe Menge des Phosphorsäureesters der folgenden, allgemeinen Formel (X) zusätzlich zu dem Phosphorsäureester der Formel (V), und zwar abhängig von den Reaktionsbedingungen: wobei R1, R2, M, X und n die oben angegebene Bedeutung besitzen.
Ferner kann, wenn die Umsetzung mit dem Amin (VI) unter Verwendung der auf obige Weise hergestellten Verbindung der Formel (V) erfolgt, zur Bildung geringer Mengen einer Verbindung der Formel (XI) kommen wobei R1, R2, R11, R12, R13 und n die oben angegebene Bedeutung haben.
Die erfindungsgemäßen Phosphorsäureester (I), die in den Phosphorsäureestern (VII) enthalten sind, welche wie oben beschrieben erhalten werden können, haben ausgezeichnete Oberflächenspannungs- und Schäumungseigenschaften und führen einer äußerst geringen Hautreizung. Die Verbindungen können daher mit Vorteil als Detergentien, kosmetische Mittel, Emulgatoren, Dispersionsmittel und antistatische Mittel verwendet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen erläutert.
Beispiel 1
50 g (0,13 Mol) Natriumdodecyl-2-hydroxy-3-chlorpropylphosphat werden in einen Reaktor gefüllt. Dazu gibt man 210 ml Wasser und 16,6 ml Ethylalkohol und löst bei erhöhter Temperatur von 80°C. Anschließend werden 28,8 g (0,13 Mol, 97% Reinheit) Dimethyldodecylamin bei dieser Temperatur zugesetzt und 12 h umgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Chloridionenmenge in dem Reaktionssystem der Gesamtchlormenge, was anzeigt, daß die Reaktion vollständig ist. Das Reaktionsgemisch wird in 4000 ml Ethylalkohol aufgelöst und nach Abdestillation des Lösungsmittels unter verringertem Druck und Entfernung von Wasser werden 400 ml Ethylalkohol zugegeben. Unlösliches Natriumchlorid wird durch Filtration entfernt. Das Produkt wird in 4000 ml Aceton eingetropft. Die Kristalle werden durch Filtration gesammelt und unter verringertem Druck getrocknet. Man erhält 64,5 g Dodecyl-2-hydroxy-3-N,N- dimethyl-N-dodecylammoniopropylphosphat (Ausbeute 91,9%).
1H-NMR [δ (ppm), Standardprobe: Si(CH3)4]: 0,9 (t, 6H, -CH2(CH2)10CH 3 X 2), 1,3 (brs, 4OH, -CH2(CH2) 10 - CH3 X 2), 3,2 (s, 6H, N(CH3)2 ), 3,3-4,0 (br, 1OH, 13C-NMR: δ (ppm): a=14,4, b=23,7, c=27,0, d=27,4,
e=29,2, f=30,8, g=32,2, h=33,1,
i=50,4, j=67,1
IR (KBr): Figur
Elementaranalyse:
Beispiel 2
50 g (0,13 Mol) Natriumdodecyl-2-hydroxy-3-chlorpropylphosphat werden in einen Reaktor gefüllt. Dazu gibt man 105 ml Wasser und 8,3 ml Ethylalkohol und löst bei erhöhter Temperatur von 80°C. Bei der gleichen Temperatur setzt man 34,6 g (0,13 Mol) Trihexylamin zu und setzt 12 h um. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Chloridionenmenge in dem Reaktionssystem der Gesamtchlormenge, was anzeigt, daß die Reaktion vollständig ist. Das Reaktionsgemisch wird in 4000 ml Ethylalkohol aufgelöst und nach Abdestillation des Lösungsmittels unter verringertem Druck und Entfernung des Wassers gibt man 400 ml Ethylalkohol zu, entfernt unlösliches Natriumchlorid durch Filtration und tropft das Produkt in 4000 ml Aceton. Die Kristalle werden durch Filtration gesammelt und unter verringertem Druck getrocknet. Man erhält 73,9 g Dodecyl-2-hydroxy-3-N,N,N-trihexylammoniopropylphosphat (Ausbeute 95,8%).
Elementaranalyse:
Beispiel 3
50 g (0,19 Mol) Natriumbutyl-2-hydroxy-3-chlorpropylphosphat werden in einen Reaktor gefüllt. Dazu gibt man 105 ml Wasser und 8,3 ml Ethylalkohol und löst bei erhöhter Temperatur von 90°C. Dann gibt man 60,6 g (0,19 Mol) Dimethyl-2-octyldodecylamin bei der gleichen Temperatur zu und setzt 8 h um. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Chloridionenmenge in dem Reaktionssystem der Gesamtchlormenge, was anzeigt, daß die Reaktion vollständig ist. Nach Verdünnen der Reaktionsmischung mit 1000 ml Wasser wird sie durch eine elektrische Dialysevorrichtung geleitet, um ionische Verunreinigungen durch Entsalzung zu entfernen. Dann wird das Lösungsmittel abdestilliert; man erhält 90,1 g Butyl-2-hydroxy-3-(dimethyl-2-octyldodecylammonio)- propylphosphat (Ausbeute 90,3%).
Elementaranalyse:
Beispiel 4
Natriumtrioxyethylendodecyl-2-hydroxy-3-chlorpropylphosphat wird in einer Menge von 10 g (0,019 Mol) in einen Reaktor gefüllt. Dazu gibt man 21 ml Wasser und 1,7 ml Ethylalkohol und löst bei erhöhter Temperatur von 90°C. Bei der gleichen Temperatur gibt man 7,0 g (0,019 Mol) Didodecylmonomethylamin zu und setzt 8 h um. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Chloridionenmenge in dem Reaktionssystem der Gesamtchlormenge, was anzeigt, daß die Reaktion vollständig ist. Das Reaktionsprodukt wird einer Hochleistungs-Flüssigkeits- Chromatographie(HPLC)-Analyse unterworfen. Dabei beobachtet man Signale der neuen Produkte. Das Produkt wird mittels HPLC fraktioniert und das Lösungsmittel abdestilliert. Man erhält 14,8 g Trioxyethylendodecyl- 2-hydroxy-3-N,N-didodecyl-N-methylammoniopropylphosphat (Ausbeute 94,7%).
Elementaranalyse:
Beispiel 5
Kaliumnonylphenyl-2-hydroxy-3-chlorpropylphosphat wird in einer Menge von 10 g (0,023 Mol) in einen Reaktor gefüllt. Man setzt 20 ml Wasser und 20 ml Ethylalkohol zu und löst bei erhöhter Temperatur von 90°C. Dann gibt man 4,9 g (0,023 Mol) Dimethyldodecylamin bei der gleichen Temperatur zu und setzt 8 h um. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Chloridionenmenge in dem Reaktionssystem der Gesamtchlormenge, was anzeigt, daß die Umsetzung vollständig ist. Das Reaktionsprodukt wird der HPLC unterworfen, wobei man Signale der neuen Produkte beobachtet. Das Produkt wird mittels HPLC fraktioniert und das Lösungsmittel abdestilliert. Man erhält 12,8 g Nonylphenyl-2-hydroxy-3-N,N-dimethyl-N-dodecylammoniopropylphosphat (Ausbeute 96,8%).
Elementaranalyse:
Beispiel 6
Ein Reaktor wird mit 30 g (0,079 Mol) Natriumdodecyl- 2-hydroxy-3-chlorpropylphosphatsäure beschickt. Dazu gibt man 65 ml Wasser und 5,0 ml Ethylalkohol und löst bei erhöhter Temperatur von 80°C. Bei der gleichen Temperatur werden 8,0 g (0,079 Mol) Triethylamin zugegeben und man setzt 8 h um. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Chloridionenmenge in dem Reaktionssystem der Gesamtchlormenge, was anzeigt, daß die Umsetzung vollständig ist. Nach Verdünnen der Reaktionsmischung mit 100 ml Wasser wird diese durch eine elektrische Dialysevorrichtung geleitet, um ionische Verunreinigungen durch Aussalzen zu entfernen. Nach Abdestillation des Lösungsmittels erhält man 32,1 g Dodecyl-2-hydroxy- 3-N,N,N-triethylammoniopropylphosphat (Ausbeute 96,2%).
Elementaranalyse:
Referenzbeispiel
Die folgenden Verbindungen werden auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten.
(1) Dodecyl-2-hydroxy-3-N,N,N-trimethylammoniopropylphosphat
Elementaranalyse:
(2) Hexadecyl-2-hydroxy-3-N,N,N-trimethylammoniopropylphosphat
Elementaranalyse:
(3) Octyl-2-hydroxy-3-N,N,N-trimethylammoniopropylphosphat
Elementaranalyse:
(4) Trioxyethylendodecylether-2-hydroxy-3-N,N,N-trimethylammoniopropylpho-sphat
Elementaranalyse:

Claims (3)

1. Phosphorsäureester der folgenden, allgemeinen Formel (I) wobei R1 eine lineare oder verzweigte Alkyl- oder Alkenylgruppe mit 1 bis 36 Kohlenstoffatomen oder eine Phenylgruppe bedeutet, die mit einer linearen oder verzweigten Alkylgruppe mit 1 bis 15 Kohlenstoffatomen substituiert ist; R2 eine Alkylengruppe mit 2 bis 3 Kohlenstoffatomen darstellt; R3, R4 und R5 unabhängig für ein Wasserstoffatom oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 36 Kohlenstoffatomen stehen, mit der Maßgabe, daß einer der Reste R3, R4 und R5 5 oder mehr Kohlenstoffatome aufweist; und n für eine Zahl von 0 bis 30 steht.
2. Verfahren zur Herstellung eines Phosphorsäureesters der folgenden allgemeinen Formel wobei R11, R12 und R13 unabhängig ein Wasserstoffatom oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 36 Kohlenstoffatomen bedeuten und R1, R2 und n die in Anspruch 1 angegebene Bedeutung haben, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Verbindung der Formel (V) wobei X für ein Halogenatom steht, M ein Wasserstoffatom oder ein Alkalimetall- oder Erdalkalimetallsalz bedeutet und R1, R2 und n die in Anspruch 1 angegebene Bedeutung haben, mit einem Amin der Formel (VI) umsetzt wobei R11, R12 und R13 die oben angegebene Bedeutung haben.
3. Verwendung der Phosphorsäureester gemäß Anspruch 1 als oberflächenaktive Mittel.
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