PL230431B1

PL230431B1 - Sposób wytwarzania kwasów alkiloiminobis(metylofosfinowych)

Info

Publication number: PL230431B1
Application number: PL410348A
Authority: PL
Inventors: Mirosław Soroka; Marzena Dmowska; Alicja Skoczylas; Andrzej Hendrys; Aleksandra Kabus; Katarzyna Gębala
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2018-10-31
Also published as: PL410348A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kwasów alkiloiminobis(metylofosfinowych), znajdujących zastosowanie jako substraty do syntezy kwasów alkiloiminobis(metylofosfonowych), kwasów alkiloiminobis-[metylo(organo)fosfinowych] oraz poliamfolitów zawierających grupy alkiloaminowe i dimetylofosfinowe.

Znany z publikacji B. Dhawan i D. Redmore w J. Chem. Soc. Research (S) 1988, 34-35 sposób wytwarzania kwasów alkiloiminobis(metylofosfinowych) polega na reakcji kwasu fosfinowego z aminami pierwszorzędowymi i formaldehydem, w temperaturze 80°C. Na przykład: benzyloaminę (5,3 g, 0,050 mola) dodaje się do silnie mieszanego roztworu 50% kwasu fosfinowego (13,2 g, 0,10 mola) i 37% formaliny (8,2 g, 0,10 mola), z taką szybkością, aby temperatura egzotermicznej reakcji nie przekraczała 80°C. Następnie miesza się jeszcze 18 godzin w temperaturze około 298 K, po czym lotne składniki mieszaniny odparowuje się na wyparce rotacyjnej pod zmniejszonym ciśnieniem i otrzymuje oleistą pozostałość, którą rozpuszcza się w metanolu (50 cm³) i pozostawia do krystalizacji. Krystaliczny osad sączy się, przemywa metanolem i otrzymuje 5,3 g (zaledwie 40% wydajności) kwasu benzyliminobis(metylofosfinowego) w postaci białych kryształów, którego strukturę potwierdza analiza elementarna, widmo ¹H NMR i widmo ³¹P NMR.

Reakcja ta była również przedmiotem studiów, których wyniki opublikował A. A. Kapura i I. M. Shermergon w Zh. Obshch. Khim. 1989, 59(6), 1283-1290. Na przykład: miesza się aminę pierwszorzędową (0,050 mola), 12M kwas solny (8,7 cm³, 0,10 mola), 26,8% formalinę (6,20 cm³, 0,060 mola) i 96% etanol (20 cm³). Ten roztwór dodaje się w czasie 1,5 godziny do wrzącego i silnie mieszanego roztworu kwasu fosfinowego (0,10-0,30 mola), HCI (0,10 mola), 96% etanolu (50 cm³) i wody (30 cm³), po czym mieszaninę reakcyjną ogrzewa się jeszcze godzinę. Autorzy opisują, że wydziela z niej kwas heksadecyloaminometylofosfinowy z wydajnością 66%, a mieszanina poreakcyjna nie zawiera kwasu alkiloaminobis(metylofosfinowego). Na podstawie tych studiów autorzy twierdzą, że aminometylowanie kwasu podfosforawego (fosfinowego) pierwszorzędowymi aminami alifatycznymi i formaldehydem przebiega w dwóch zasadniczych kierunkach: 1) powstaje kwas alkiloaminometylofosfinowy [RNHCH2P(O)(H)OH] lub (i) 2) w wyniku wyczerpującego aminometylowania powstają związki, które posiadają motyw strukturalny >NCH2P(O)(OH)CH2N<, natomiast nie obserwuje się powstawania kwasów alkiloiminobis(metylofosfinowych).

W naszych badaniach okazało się, że reakcja aminometylowania kwasu fosfinowego alifatyczną aminą pierwszorzędową i formaldehydem daje w wyniku mieszaninę kilku produktów. Na przykład reakcja kwasu fosfinowego z propyloaminą i formaldehydem, daje zawsze mieszaninę związków, której skład zależy od temperatury, czasu reakcji, stosunku reagentów i ilości katalizatora w postaci kwasu Br0nsteda. Otrzymuje się mieszaninę, w której głównymi składnikami są:

PrN[CH₂P(O)(H)OH]₂,

HOP(O)(H)CH2N(Pr)CH2P(O)(OH)CH2N(Pr)CH₂P(O)(H)OH i

HOP(O)(H)CH2N(Pr)CH2P(O)(OH)CH2N(Pr)CH2P(O)(OH)CH2N(Pr)CH₂P(O)(H)OH.

Mieszanina poreakcyjna zawiera także inne związki zawierające fragmenty strukturalne >NCH2P(O)(OH)CH2N< o charakterze polimerycznym, ale w niewielkiej ilości. Nie powstaje natomiast kwas alkiloaminometylofosfinowy [RNHCH2P(O)(H)OH],

W przeciwieństwie do danych literaturowych, nieoczekiwanie stwierdzono, że wydajność kwasów alkiloiminobis(metylofosfinowych) jest znacznie większa w niższej temperaturze i przy niższym stężeniu kwasu Br0nsteda, a najkorzystniej jest, jeśli jako kwas Br0nsteda stosuje się kwas fosfinowy, który jest jednym z substratów reakcji.

Sposób wytwarzania kwasów alkiloiminobis(metylofosfinowych), przedstawionych wzorem ogólnym 1, w którym R oznaczają podstawniki alkilowe korzystnie propyl, butyl, oktyl lub arylowe korzystnie benzyl, fenyloetyl, polega na tym, że co najmniej trzy części molowe kwasu fosfinowego poddaje się reakcji z trzema częściami molowymi formaldehydu w substancji wybranej z grupy obejmującej formalinę, trioksan i paraform i jedną częścią molową 1,3,5-trialkiloheksahydro-1,3,5-triazyny, a reakcję prowadzi się w możliwie najniższej, akceptowalnej technologicznie temperaturze, korzystnie w temperaturze 273-300 K, w wodzie, aż do przereagowania substratów, i otrzymuje się w wyniku kwas alkiloiminobis(metylofosfinowy). Czysty kwas wydziela się z roztworu korzystnie przez odparowanie lotnych składników pod zmniejszonym ciśnieniem i krystalizację zwody, alkoholu, acetonu lub eteru.

PL 230 431 Β1

Wariant sposobu według wynalazku polega na tym, że 1,3,5-trialkiloheksahydro-1,3,5-triazynę wytwarza się in situ przed reakcją z kwasem fosfinowym i formaldehydem, w reakcji aminy pierwszorzędowej z formaldehydem.

Zaleta sposobu według wynalazku polega na znacznym zwiększeniu wydajności otrzymywanych kwasów alkiloiminobis(metylofosfinowych), zwykle powyżej 80%, co powoduje, że poprawia się również czystość tych związków, a to umożliwia ich bezpośrednie stosowanie w stanie surowym do dalszych syntez, a także ułatwia wydzielanie i oczyszczanie produktu.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładach wykonania, wykresach i na schemacie reakcji.

Przykład 1

Do mieszaniny 1,3,5-tribenzyloheksahydro-1,3,5-triazyny (3,58 g, 0,010 mola), wody (5 cm³) i 37% formaliny (2,22 cm³, 0,030 mola) dodaje się porcjami, przy energicznym mieszaniu i chłodzeniu w łaźni woda-lód, w temperaturze poniżej 290 K, 50% kwasfosfinowy (6,25 cm³, 0,060 mola). W trakcie wkraplania, a także w czasie pierwszej godziny, obserwuje się wyraźny efekt egzotermiczny, wobec czego kontynuuje się energiczne mieszanie i chłodzenie. Po tym czasie zmienia się temperaturę w łaźni do około 293 K i pozostawia mieszaninę do przereagowania, co można obserwować, stosując ³¹P NMR. Po około 200 godzinach zaszczepia się mieszaninę reakcyjną kryształkami kwasu benzyloiminobis(metylofosfinowego), co powoduje, że po kilku minutach zaczyna krystalizować biały, puszysty osad produktu, który poddaje się dojrzewaniu przez kolejne 100-200 godzin. Następnie osad sączy się lub odwirowuje, przemywa dwukrotnie lodowatą wodą (po około 3 cm³), starannie odciska i suszy na płycie grzejnej o temperaturze poniżej 320 K. Otrzymuje się czysty kwas benzyloiminobis(metylofosfinowy), którego strukturę potwierdzają widma NMR:

³¹P NMR (w D₂O): 10,75dt (Jhp = 555 Hz, Jhcp = 10,6 Hz);

¹H NMR (w D2O): 3,23dd (4H, CH2P, Jpch = 10,6 Hz, Jhpch = 1,4 Hz), 4,39s (2H, CH₂Ph), 6,87dt (2H, H-P, Jph = 555 Hz, Jhcph = 1,6 Hz), 7,26m (5H, Ph).

Przykład 2

Postępuje się tak jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że zamiast 1,3,5-tribenzyloheksahydro-1,3,5-triazyny, stosuje się 1,3,5-tripropyloheksahydro-1,3,5-triazynę (2,13 g, 0,010 mola), otrzymuje się w wyniku koncentrat kwasu propyloiminobis(metylofosfinowego), którego identyczność potwierdzają widma NMR: ³¹P NMR (w H2O, niekalibrowane): 13,6dt (Jhp = 552 Hz, Jhcp = 10,6 Hz). Na widmie widać jeszcze ślady kwasu fosfinowego przy 13,5t (Jhp = 543 Hz) i związku zawierającego fragment struktury H-PCH2NCH2PCH2NCH2P-H: około 14,5dt (2P, H-PCH2N, J = nie oznaczono) oraz około 19,5tt (1P, CH2PCH2, J = nie oznaczono).

Przykład 3

Postępuje się tak jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że zamiast 1,3,5-tribenzyloheksahydro-1,3,5-triazyny, stosuje się 1,3,5-tributyloheksahydro-1,3,5-triazynę (2,55 g, 0,010 mola), otrzymuje się w wyniku koncentrat kwasu butyloiminobis(metylofosfinowego), którego identyczność potwierdzają widma NMR: ³¹P NMR (w H2O, niekalibrowane): 13,6dt (Jhp = 551 Hz, Jhcp = 10,6 Hz). Na widmie widać jeszcze ślady kwasu fosfinowego przy 13,5t (Jhp = 544 Hz) i związku zawierającego fragment struktury H-PCH2NCH2PCH2NCH2P-H: około 14,5dt (2P, H-PCH2N, J = nie oznaczono) oraz około 19,5tt (1P, CH2PCH2, J = nie oznaczono).

Przykład 4

Postępuje się tak jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że zamiast 1,3,5-tribenzyloheksahydro-1,3,5-triazyny, stosuje się 1,3,5-trioktyloheksahydro-1,3,5-triazynę (4,24 g, 0,010 mola), otrzymuje się w wyniku koncentrat kwasu oktyloiminobis(metylofosfinowego), którego identyczność potwierdzają widma NMR: ³¹P NMR (w H2O, niekalibrowane): 13,6dt (Jhp = 551 Hz, Jhcp = 10,6 Hz). Na widmie widać jeszcze ślady kwasu fosfinowego przy 13,9t (Jhp = 547 Hz) i związku zawierającego fragment struktury H-PCH2NCH2PCH2NCH2P-H: około 14dt (2P, H-PCH2N, J = nie oznaczono) oraz około 19tt (1P, CH2PCH2, J = nie oznaczono).

Przykład 5

Postępuje się tak jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że zamiast 1,3,5-tribenzyloheksahydro-1,3,5-triazyny, stosuje się 1,3,5-tris(1-fenyloetylo)heksahydro-1,3,5-triazynę (4,00 g, 0,010 mola), otrzymuje się w wyniku koncentrat kwasu l-fenyloetyloiminobis(metylofosfinowego), którego identyczność potwierdzają widma NMR: ³¹P NMR (w H2O, niekalibrowane): 14,5dt (Jhp = 558 Hz, Jhcp = 10,8 Hz). Na widmie widać jeszcze ślady kwasu fosfinowego przy 14,3t (Jhp = 551 Hz) i związku zawierającego

PL 230 431 Β1 fragment struktury H-PCH2NCH2PCH2NCH2P-H: około 15,5dt (2P, H-PCH2N, J = nie oznaczono) oraz około 20tt (1P, CH2PCH2, J = nie oznaczono).

Przykład 6

Do mieszaniny benzyloaminy (3,22 g, 0,030 mola) i wody (5 cm³) wkrapla się 37% formalinę (4,44 cm³, 0,060 mola) w temperaturze poniżej 300 K, a następnie pozostawia na godzinę do przereagowania, po czym chłodzi się właźni woda-lód do temperatury poniżej 290 K i utrzymując tę temperaturę, dodaje się porcjami przy energicznym mieszaniu 50% kwas fosfinowy (6,25 cm³, 0,060 mola). Dalej postępuje się jak w przykładzie 1 i otrzymuje produkt o podobnych właściwościach jak w przykładzie 1.

Przykład 7

Postępuje się jak w przykładzie 6 z tą różnicą, że zamiast benzyloaminy dodaje się propyloaminę (1,77 g, 0,030 mola), i otrzymuje się produkt o podobnych właściwościach jak w przykładzie 2.

Przykład 8

Postępuje się jak w przykładzie 6 z tą różnicą, że zamiast benzyloaminy dodaje się butyloaminę (2,19 g, 0,030 mola), i otrzymuje się produkt o podobnych właściwościach jak w przykładzie 3.

Przykład 9

Postępuje się jak w przykładzie 6 z tą różnicą, że zamiast benzyloaminy dodaje się oktyloaminę (3,88 g, 0,030 mola), i otrzymuje się produkt o podobnych właściwościach jak w przykładzie 4.

Przykład 10

Postępuje się jak w przykładzie 6 z tą różnicą, że zamiast benzyloaminy dodaje się 1 -fenyloetyloaminę (3,64 g, 0,030 mola), i otrzymuje się produkt o podobnych właściwościach jak w przykładzie 5.

Przykład 11

Do roztworu benzyloaminy (5,36 g, 0,050 mola) w wodzie (15 cm³) wkrapla się w temperaturze około 300 K 50% kwas fosfinowy (10,4 cm³, 0,10 mola), a następnie dodaje porcjami paraform (3,0 g, 0,10 mola), chłodząc w łaźni woda-lód. Następnie podnosi się temperaturę łaźni do około 293 K. Po około 4 godzinach paraform ulega całkowitemu rozpuszczeniu, a po 99 godzinach zaczyna krystalizować biały osad, który poddaje się dojrzewaniu przez dalsze 72 godziny, a następnie sączy, odsysając przesącz pod zmniejszonym ciśnieniem, przemywa zimną wodą (5 cm³) i suszy na płycie grzejnej o temperaturze poniżej 325 K. Otrzymuje się z wydajnością 70% produkt o podobnych właściwościach jak w przykładzie 1.

Przykład 12

Do roztworu benzyloaminy (5,36 g, 0,050 mola) w wodzie (10 cm³) wkrapla się w temperaturze około 300 K 50% kwas fosfinowy (10,4 cm³, 0,10 mola), a następnie dodaje porcjami 37% formalinę (7,50 cm³, 0,10 mola). Mieszaninę utrzymuje się w łaźni woda-lód. Po około 0,5 godziny obserwuje się wzrost temperatury mieszaniny, a mieszanina reaguje z wyraźnym efektem egzotermicznym. Po 215 godzinach zaszczepia się roztwór kryształkami kwasu benzyloiminobis(metylofosfinowego) i po kilku minutach zaczyna krystalizować biały puszysty osad, który poddaje się dojrzewaniu przez dalsze 168 godzin, a następnie sączy przez odsysanie przesączu pod zmniejszonym ciśnieniem, przemywa zimną wodą (5 cm³) i suszy na płycie grzejnej o temperaturze poniżej 325 K. Otrzymuje się z wydajnością 75% produkt o podobnych właściwościach jak w przykładzie 1.

Przykład 13

Postępuje się jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że 1,3,5-tribenzyloheksahydro-1,3,5-triazynę (3,58 g, 0,010 mola) dodaje się porcjami, przy energicznym mieszaniu i chłodzeniu w łaźni woda-lód, w temperaturze poniżej 290 K, do roztworu wody (5 cm³), 37% formaliny (2,22 cm³, 0,030 mola) i 50% kwas fosfinowy (6,25 cm³, 0,060 mola). Otrzymuje się produkt o podobnych właściwościach jak w przykładzie 1.

Przykład 14

Postępuje się jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że otrzymaną mieszaninę benzyloaminy (3,22 g, 0,030 mola), wody (5 cm³) i 37% formaliny (4,44 cm³, 0,060 mola), dodaje się porcjami przy energicznym mieszaniu do 50% kwasu fosfinowego (6,25 cm³, 0,060 mola). Dalej postępuje się jak w przykładzie 1 i otrzymuje produkt o podobnych właściwościach jak w przykładzie 1.

Przykład 15

Udowodnienie stechiometrii reakcji: PrNH2 + H2P(O)OH + HCHO produkty. W temperaturze 293 K miesza się kolejno: wodę (5,00 cm³), propyloaminę (4,21 cm³, 0,050 mola), kwas fosfinowy (5,20 cm³, 0,050 mola) i kwas solny (2,50 cm³, 0,030 mola). Następnie dodaje się 37% formaldehyd (8,21 cm³, 0,11 mola), dokładnie miesza i kontynuuje reakcję w temperaturze 293 K. W czasie trwania reakcji pobiera się okresowo próbki po 0,10 cm³, które rozcieńcza się 0,50 cm³ wody, odpowiednio

PL 230 431 Β1 po 4, 21 i 45 godzinach, w celu przeprowadzenia badania składu mieszaniny reakcyjnej ³¹P NMR. Po czterech godzinach obserwuje się następujące sygnały na widmie (w [mol P]):

H₂P(O)OH	>NCH2PH	>NCH₂P(O)(OH)CH₂N<	HP(O)(OH)₂
Substrat	a b c	d
0,02	0,53 0,24 0,02 ।	I _ ^0J7 .	0,02 i .

Na widmie³¹P NMR widać trzy wyraźnie oddzielone sygnały a, b i c (odpowiednio od fragmentów >NCH2PH w związkach A, B i C), nakładające się sygnały d (od fragmentów >NCH2P(O)(OH)CH2N<), niewielki sygnał substratu i produktu ubocznego.

Sygnał a pochodzi od dwóch atomów fosforu w związku A o strukturze:

H-P(O)(OH)-CH2-N(Pr)-CH2-P(O)(OH)-H.

Zatem 0,53 mola atomów P odpowiada około 0,27 mola związku A.

Sygnał b pochodzi od dwóch skrajnych atomów fosforu w związku B:

H-P(O)(OH)-CH2-N(Pr)-CH2-P(O)(OH)-CH2-N(Pr)-CH2-P(O)(OH)-H.

Zatem 0,24 mola atomów P odpowiada około 0,12 mola związku B.

Sygnał c pochodzi od dwóch skrajnych atomów fosforu w związku C:

H-P(O)(OH)-CH2-N(Pr)-CH2-P(O)(OH)-CH2-N(Pr)-CH2-P(O)(OH)-CH2-N(Pr)-CH2-P(O)(OH)-H.

Zatem 0,02 mola atomów P odpowiada około 0,01 mola związku C.

Bilans atomów fosforu: 2*0,27 mola (w A) + 3*0,12 mola (w B) + 4*0,01 mola (w C) + 0,02 mola (w H₂P(O)OH) + 0,02 mola (w HP(O)(OH)₂) = 0,98 mola P (teoret. 1,00).

Bilans atomów azotu (grup >N-Pr): 1*0,27 mola (w A) + 2*0,12 mola (w B) + 3*0,01 mola (w C) = 0,54 mola (teoret. 1,00).

To oznacza, że przereagowała połowa propyloaminy, a ponieważ przereagowało jednocześnie 0,98 mola kwasu fosfinowego, to w konsekwencji stechiometria tej reakcji wynosi 1 : 2, to znaczy, że reakcją główną jest:

PrNH₂ + 2HCHO + 2H₂P(O)OH = ΡγΝ[ΟΗ₂Ρ(Ο)(ΟΗ)Η]₂ (produkt główny A), natomiast produktami ubocznymi są związki B i C.

Przykład 16.

Wpływ HCI na wydajność i selektywność reakcji kwasu fosfinowego z propyloaminą i formaldehydem w temperaturze 293 K.

Do pięciu reaktorków dodaje się odpowiednio do każdego: wodę (po 5,00 cm³), propyloaminę (4,21 cm³, 0,050 mola) i kwas fosfinowy (5,20 cm³, 0,050 mola). Następnie do każdego reaktorka dodaje się kolejno następujące ilości 12M kwasu solnego: 1) (0,00 cm³, 0,00 mola); 2) (1,25 cm³, 0,015 mola); 3) (2,50 cm³, 0,030 mola); 4) (5,00 cm³, 0,060 mola); 5) (7,50 cm³, 0,090 mola); po czym do wszystkich probówek dodaje się 37% formaldehyd (po 8,21 cm³, 0,11 mola) i pozostawia do przereagowania w temperaturze 293 K. Po 4, 21 i 45 godzinach pobiera się próbki po 0,10 cm³, które rozcieńcza się 0,50 cm³ wody, a następnie wykonuje pomiary³¹P NMR. Wyniki przedstawia tabela 1 i wykres 1.

[HCl]/[ H>P(O)OH]	Integracja sygnałów [mol P]
H₂P(O)OH	>nch₂ph	>NCH₂P(O)(OH)CH₂N<	h₃po<	HP(OXOH)_?	inne
		a	b	ć	d
0,0	0,95	0,02	-	0,01		-	0.02	-
0,3	0,02	0,53	0,24	0,02	0,17	•	0,02	-
0,6	0,10	0,56	0,19	0,01	0,12	-	0,02	-
1,2	0,92	0,05	•			-	0,02	0,01
1,8	0,95	0,03		-	-	-	0,02	-

Tabela 1

Zależność składu mieszaniny reakcyjnej od stosunku [HCI]/[H2P(O)OH] po 4 godzinach w temperaturze 293 K.

PL 230 431 Β1

nHCVnH2P(O)OH

Wykres 1

Z tabeli i wykresu wynika, że optimum dla tej reakcji znajduje się w zakresie 0,3-0,7 mola kwasu solnego na mol kwasu fosfinowego. Dodanie powyżej 1,2 mola kwasu solnego na mol kwasu fosfinowego powoduje prawie całkowite zahamowanie reakcji. W związku z tym, że stechiometria reakcji (przykład 13) wynosi 1 : 2, kwas fosfinowy jest wystarczająco silnym kwasem Bransteda, żeby przy stosunku [RNH2]: [H2P(O)OH] = 1:2, skutecznie katalizować tę reakcję.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania kwasów alkiloiminobis(metylofosfinowych), przedstawionych wzorem ogólnym 1, w którym R oznaczają podstawniki alkilowe korzystnie propyl, butyl, oktyl lub arylowe korzystnie benzyl, fenyloetyl, znamienny tym, że co najmniej trzy części molowe kwasu fosfinowego poddaje się reakcji z trzema częściami molowymi formaldehydu w substancji wybranej z grupy obejmującej formalinę, trioksan i paraform i jedną częścią molową 1,3,5-trialkiloheksahydro-1,3,5-triazyny, a reakcję prowadzi się w możliwie najniższej, akceptowalnej technologicznie temperaturze, korzystnie w temperaturze 273-300 K, w wodzie, aż do przereagowania substratów, i otrzymuje się w wyniku kwas alkiloiminobis(metylofosfinowy).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że 1,3,5-trialkiloheksahydro-1,3,5-triazynę wytwarza się in situ przed reakcją z kwasem fosfinowym i formaldehydem, w reakcji aminy pierwszorzędowej z formaldehydem.