制备亚烷基二胺三乙酸的方法

专利名称：制备亚烷基二胺三乙酸的方法
技术领域：
本发明涉及制备亚烷基二胺三乙酸(衍生物)的方法。
亚烷基二胺三乙酸(衍生物)，如乙二胺三乙酸及其盐在螯合化学领域如金属清洗中已有应用。制备亚烷基二胺三乙酸的方法可从EP0,546,867中得知。在该参考文献中公开的方法从纯乙二胺-N，N’-二乙酸开始，包括四个反应步骤，即(i)使乙二胺二乙酸或其盐(优选钠盐)与甲醛接触，(ii)使所得产物与氰化物来源反应以形成单腈二酸，(iii)水解步骤(ii)的产物，和在需要的情况下，将单酰胺二乙酸环化成酮基哌嗪二酸，和(iv)使所得的酮基哌嗪二乙酸与碱金属或碱土金属氢氧化物(优选氢氧化钠)反应以获得乙二胺三乙酸。
该参考文献的方法因此包括了四个单独的工艺步骤。本发明的目的是减少工艺步骤的数目。
此外，该方法的起始原料，即乙二胺二乙酸难以合成，因此是昂贵的。更尤其，乙二胺二乙酸的合成需要两步法即通过乙二胺与甲醛和氰化物反应、随后将所得的腈皂化，或者通过乙二胺与乙醇腈(HO-CH-CN)反应、随后将所得的腈皂化来合成乙二胺二乙酸。请注意，如果这些反应的任何一种是在单个工艺步骤中进行，那么获得了乙二胺单乙酸、乙二胺二乙酸和乙二胺三乙酸的混合物。因此，为获得纯乙二胺二乙酸(例如在以上方法中需要作为起始原料的那些)，两步法是必不可少的。这使得起始原料的合成十分复杂。因此，本发明的另一个目的是使用其中能够应用廉价和容易合成的起始原料的方法。
最后，本发明的目的是生产高纯度的亚烷基二胺三乙酸。
现在令人惊奇地发现，所有上述目的能够用包括将亚烷基二胺(衍生物)转化为亚烷基二胺三乙酸(衍生物)的盐的方法来获得，其中反应是在多价金属离子Ma+的存在下进行，以及如果任何反应剂含有或形成了腈或酰胺基团，则整个反应是在水解条件下进行。
尤其，已经发现，如果亚烷基二胺(衍生物)在多价金属离子的存在下被转化为亚烷基二胺三乙酸(衍生物)，获得了高纯度的所需的亚烷基二胺三乙酸(衍生物)，然而，如果在同一方法中使用单价金属离子代替多价金属离子，则获得了亚烷基二胺二乙酸、亚烷基二胺三乙酸和亚烷基二胺四乙酸(衍生物)的混合物。在这种情况下，必须进行进一步的纯化步骤以获得高纯度的亚烷基二胺三乙酸或其衍生物。
在本发明的方法中，可以在从亚烷基二胺起始的单一工艺步骤中形成亚烷基二胺三乙酸(衍生物)的盐。因此，能够明显减少工艺步骤的数目和能够使用比在以上参考文献的方法中使用的乙二胺三乙酸明显更便宜的起始原料，即亚烷基二胺。
以下更详细地描述本发明。为了方便起见，使用以下术语ADA亚烷基二胺AD1A亚烷基二胺单乙酸AD2A亚烷基二胺二乙酸AD3A亚烷基二胺三乙酸AD4A亚烷基二胺四乙酸EDA乙二胺ED1A乙二胺单乙酸ED2A乙二胺二乙酸ED3A乙二胺三乙酸ED4A乙二胺四乙酸。
本发明涉及制备亚烷基二胺三乙酸(衍生物)的方法，包括将下式的亚烷基二胺(衍生物) 或 其中B选自未取代或取代的亚烷基桥基，以及R独立地选自H或-CH2-COOH(的盐)，-CH2-CN或-CH2-CONH2，转化为下式的亚烷基二胺三乙酸(衍生物)的盐 其中反应是在多价金属离子Ma+的存在下进行，以及如果任何反应剂含有或形成了腈或酰胺基，那么整个反应是在水解条件下进行。
优选，在ADA(衍生物)起始原料中的亚烷基桥基B是未取代或取代的亚乙基或亚丙基桥基。如果桥基是取代的，一个或多个桥碳原子一般可以独立地被C1-C6烷基和优选C1-C4烷基取代。优选的是，桥基是未取代的，和优选B选自-CH2-CH2-或-CH2-CH2-CH2-和更优选B是-CH2-CH2-。换句话说，优选的ADA(衍生物)是EDA(衍生物)。优选，R代表H和/或CH2COOH结构部分，其中H是最优选的。EDA(衍生物)因此优选包括ED2A，ED1A，和EDA(的盐)，更优选包括ED1A和EDA(的盐)，还更优选它基本由ED1A和/或EDA(的盐)组成，甚至更优选它包括EDA(的盐)，和最优选它基本由EDA(的盐)组成。
本发明方法的产物是AD3A(衍生物)的盐。该盐至少部分由带负电的AD3A(衍生物)和带正电的多价金属离子的配合物组成。当然，如果在反应过程中存在其它阳离子，除了该配合物以外，所述盐可以另外包括这些阳离子。然而，对于本发明的方法，必要的是，在反应过程中形成的至少部分或优选全部AD3A(衍生物)即时通过多价金属离子复合。不希望束缚于任何理论，申请人相信，由于该配合物的形成，在AD3A(衍生物)中第二个还保留的NH官能团被封闭。该NH官能团因此不能转化为N-CH2-COOH结构部分，因此避免了AD4A(衍生物)的形成。本发明的方法因此使得有可能制备高纯度的AD3A(衍生物)。已经发现，在相同的反应条件下，如果使用单价金属离子如钠代替多价金属离子，除了AD3A以外，还确实形成了AD4A。再次不希望束缚于任何理论，申请人相信，单价金属离子不能形成其中剩余NH官能团被封闭的配合物。这在以下示意说明 本发明的AD3A-多价金属配合物 AD3A盐≠AD3A-金属配合物注意，除了存在多价金属离子以外，对于本发明的方法还必需的是，如果任何反应剂含有或形成腈或酰胺基团，那么整个反应是在水解条件下进行。“水解条件”在本发明的意义上是指使得加到反应混合物中或在反应过程中形成的任何腈和/或酰胺基团立即转化为羧酸结构部分或其盐的反应条件。一般，当在整个反应过程中选择pH为9以上，优选10以上，更优选11以上，和最优选12以上时，就存在这种水解条件。适合的pH值可以通过添加碱来获得。适合的碱例如是多价金属离子本身的氢氧化物或碱金属氢氧化物。
如果在反应过程中存在腈或酰胺基团，则由于这些基团的水解而形成了氨。因此，至少当反应剂含有或形成腈或酰胺基团时，优先选择这样的反应条件，使得氨从反应混合物中分离并且能够被除去。如果在反应过程中应用大气压，可以选择温度例如在25℃和反应混合物的沸腾温度之间，优选在50℃和反应混合物的沸腾温度之间，更优选在70℃和反应混合物的沸腾温度之间，和最优选在100-110℃的范围内。另外，如果施加较低的压力，较低的温度也是可行的。
ADA(衍生物)向AD3A(衍生物)的转化优选是在单一工艺步骤中进行，这意味着在反应过程中没有形成明确的可分离的中间产物。最优选，反应用单罐法进行。
本发明的方法不局限于与ADA(衍生物)合并以形成AD3A(衍生物)的盐的任何特定的反应剂。
在一个工艺方案中，ADA(衍生物)与甲醛和氰化物来源在多价金属离子Ma+的存在下在水解条件下反应。
适合的甲醛来源例如是甲醛或低聚甲醛。适合的氰化物来源包括气体氰化氢，氰化氢的水溶液，和氰化物盐，例如碱金属氰化物如氰化钠或氰化钾及其水溶液，或多价金属离子和氰化物的盐，如氰化钙。另外，可以使用结合的甲醛和氰化物来源，即在反应条件下能转化为甲醛和氰化物来源的分子。这种结合的甲醛和氰化物来源例如是乙醇腈(glyconitrile)。
如上所述，必要的是，在该工艺方案中，反应是在水解条件下进行。优选，在整个反应工艺过程中选择pH为至少9，更优选至少10，和最优选至少12。
不希望受任何理论的束缚，申请人相信，非水解条件导致形成了反应性的含NH的AD3A衍生物，它含有腈或酰胺基团而非游离酸基。进一步相信，这种AD3A衍生物不与多价金属离子形成配合物。反应性NH官能团因此没有被封闭，导致了AD4A(衍生物)的形成。与其中应用非水解条件的情况相反，水解条件导致形成了本发明的AD3A(衍生物)，它含有三个羧酸基团。如在以上阐述的那样，该AD3A(衍生物)据信形成了与多价金属的配合物，从而封闭了反应性NH官能团和避免了AD4A(衍生物)的形成。这在以下示意说明 本发明的AD3A-多价金属配合物 顺便提一下，应当注意，在EP0 546 867中，通过选择反应条件，使得在第一步骤中形成单腈二酸和随后单腈化合物部分水解成酰胺，获得下式的酮基哌嗪二乙酸，从而封闭反应性NH官能团 该化合物被分离和最后水解成ED3A。因此，在第一步中，腈基保持完整，因此没有发生水解；在第二步中，腈基被部分水解成酰胺基，它在第三步中被完全水解。这是包括几个单独的工艺步骤的非常复杂的方法，其中各工艺步骤在非常特殊的pH下进行。与之相反，在本发明的方法中，在整个反应中，选择如此高的pH，使得在反应过程中存在的腈和/或酰胺基立即和完全水解。所以，整个工艺控制和尤其pH控制要比EP0,546,867简单得多。此外，本发明方法的应用使得反应在单一工艺步骤中完成。再次注意到，本发明的整个反应可以在水解条件下进行而不形成AD4A(衍生物)，这是由于多价金属离子的存在。
由于腈基的水解，在反应过程中形成了氨。因此，如上所述，如果应用大气压，反应温度优选在25℃和反应混合物的沸腾温度之间，更优选在50℃和反应混合物的沸腾温度之间，还更优选在70℃和反应混合物的沸腾温度之间，和最优选在100-110℃的范围内。在较低的反应压力下可以应用较低的温度。
在以下用图解方式示例了用EDA、ED1A和ED2A作为AD3A起始原料的本发明的以上工艺方案 优选的是，反应剂以化学计算量的±10％和更优选±5％的量使用。最优选使用化学计算量的反应剂。对于上述反应，这意味着最优选的是每摩尔EDA各使用3摩尔的甲醛和氰化物来源(反应I)，每摩尔ED1A各使用2摩尔甲醛和氰化物来源(反应II)，和每摩尔ED2A各使用1摩尔的甲醛和氰化物来源(反应III)。
一般，在该工艺方案中可以使用各种可能的添加次序。优选将甲醛和氰化物来源同时添加至ADA(衍生物)中。最优选的是，以这样的方式加入甲醛和氰化物来源，使得在各时间点下相同摩尔量的甲醛和氰化物进入反应混合物。
在本发明的另一工艺方案中，ADA(衍生物)与含有活化的β-碳原子的乙酸衍生物，如选自CH2X-COOH(的盐)、CH2X-CN、CH2X-CONH2或它们的混合物中的化合物在多价金属离子Ma+的存在下反应，其中X是卤素原子。
优选，X选自Cl、Br和I，更优选Br和I，和最优选X是Cl。
进一步优选的是，乙酸衍生物包括CH2X-COOH，最优选基本由CH2X-COOH组成。最优选，乙酸衍生物是一氯乙酸(“MCA”)。如上所述，优选ADA(衍生物)的取代基R包括-CH2COOH结构部分和最优选由-CH2COOH结构部分组成。在这种情况下，所有反应剂仅仅包括游离酸基，以及在反应过程中不需应用水解条件。在这种情况下的pH一般不是关键的，优选是在6以上和更优选在7以上。此外，因为在这种情况下在反应过程中不产生氨，所以温度没有第一工艺方案中的温度要求严格。它一般是在5℃和反应混合物的沸腾温度之间，优选在10℃和反应混合物的沸腾温度之间，和最优选在25℃和反应混合物的沸腾温度之间。
如果应用含有腈和/或酰胺基的ADA(衍生物)或乙酸衍生物，因为如以上对于第一工艺方案所给出的相同原因，反应必须在水解条件下进行。在这种情况下，一般选择在整个反应过程中的pH为至少9，优选至少10，和最优选至少12。此外，如果应用大气压，反应温度优选在25℃和反应混合物的沸腾温度之间，更优选在50℃和反应混合物的沸腾温度之间，还更优选70℃和反应混合物的沸腾温度之间，和最优选是在100-110℃的范围内。在较低的反应压力下可以应用较低的温度。
如在第一工艺方案中那样，反应直接在多价金属离子和AD3A(衍生物)的配合物中进行。因此，在第二工艺方案中，反应也能够在单一工艺步骤中进行，不必分离中间产物。
在以下示例了用EDA、ED1A和ED2A作为起始原料的第二工艺方案 优选，反应剂以化学计算量的±10％和更优选±5％的量使用。最优选使用化学计算量。对于上述反应，这意味着每摩尔EDA使用3摩尔的一氯乙酸(反应I)，每摩尔的ED1A使用2摩尔的一氯乙酸(反应II)，和每摩尔的ED2A使用1摩尔的一氯乙酸(反应III)。
在本发明的方法中，多价金属离子以多价金属来源的形式在将其它反应剂加入ADA(衍生物)之前或过程中添加。
多价金属来源优选以至少60摩尔％，更优选至少80摩尔％，和最优选至少100摩尔％的量添加，按金属计算并且以存在于反应混合物中的ADA(衍生物)的摩尔量为基准。一般，多价金属的摩尔量少于400摩尔％，更优选少于300摩尔％，和最优选少于200摩尔％，按金属计算并且以存在于反应混合物中的ADA(衍生物)的摩尔量为基准。
当然，还可以使用较低摩尔量的多价金属来源。然而，在该情况下，只有所得AD3A(衍生物)的一部分通过多价金属复合，未复合的部分至少部分转化为AD4A(衍生物)。这就减少了该方法对AD3A(衍生物)的选择性。
多价金属来源优选是多价金属盐，它优选是至少部分水溶性和最优选完全水溶性的。“至少部分水溶性”在本发明的意义上是指在室温下，至少0.01g，优选至少0.05g，和更优选至少0.1g的盐溶解在100ml水中。部分水溶性多价金属盐的实例是碱土金属氢氧化物。该氢氧化物的优点是，它能够同时作为多价金属来源和pH调节剂使用。多价金属来源还可以是多价金属和ADA(衍生物)的盐，多价金属和氰化物的盐，或多价金属和乙酸衍生物的盐。优选，盐的阴离子包括无机阴离子，如硝酸盐或卤化物阴离子，和最优选基本由其组成，其中氯化物是最优选的。
在多价金属来源中含有的多价金属优先选自三价和/或二价金属。适合的三价金属是铝。更优选，多价金属基本由二价金属，如碱土金属或过渡金属如Mn2+，Fe2+，Co2+，Ni2+，Zn2+或Cu2+组成。还更优选的是，多价金属包括碱土金属，如钙、镁或钡，以及甚至更优选基本由其组成。最优选，多价金属基本由钙组成。适合的钙源例如是氢氧化钙、氯化钙和硝酸钙。
任选，该方法可以包括在形成亚烷基二胺三乙酸(衍生物)的盐之后除去多价金属离子的另一步骤。这可以通过任何常用方式如沉淀多价金属离子来进行。沉淀例如可以通过调节pH和/或通过添加阴离子来诱发，该阴离子与多价金属离子形成沉淀。诱发沉淀的适合的pH或温度条件或阴离子对本领域的熟练技术人员来说是已知的。例如，经pH调节的沉淀能够通过增加pH至8以上，和优选至10以上来进行。经添加阴离子的沉淀可以例如通过添加硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐或氟化物来进行，如果例如钙离子用作多价金属离子。沉淀的多价金属离子可以通过任何普通方式如过滤来除去。在除去多价金属离子之后，AD3A(衍生物)能够以其完全质子化(三个乙酸基)、部分质子化(两个乙酸基或一个乙酸基)或完全去质子化的形式分离。此外，如果需要，所得AD3A可以被环化。适合的环化条件对熟练技术人员来说是已知的。一般，使用在5-120℃范围内的温度和13以下、优选12以下、更优选4以下和最优选2以下的pH。
通过以下实施例来进一步解释本发明。
从ED3A中除去钙446g的以上产物与500g水一起搅拌。接着，添加555g的50％氢氧化钠(6.9摩尔)，形成了氢氧化钙的沉淀。用使用hyflo助滤剂的压力过滤器过滤掉沉淀的氢氧化钙。从滤液中蒸发水，和所得滤液在真空烘箱中干燥。
830g的反应混合物含有6.0％的Na2ED2A(22摩尔％)，18.9％的Na3ED3A(51摩尔％)和10.7％的EDTA(23摩尔％)。
这表明，ED2A、ED3A和ED4A在根据其反应性的范围内存在，和该反应不会在ED3A阶段停止。
权利要求
1.一种制备亚烷基二胺三乙酸(衍生物)的方法，包括将下式的亚烷基二胺(衍生物) 或 其中B选自未取代或取代的亚烷基桥基，以及R独立地选自H或-CH2-COOH(的盐)，-CH2-CN或-CH2-CONH2，转化为下式的亚烷基二胺三乙酸(衍生物)的盐 其特征在于反应是在多价金属离子Ma+的存在下进行，以及如果任何反应剂含有或形成了腈或酰胺基，那么整个反应是在水解条件下进行。
2.根据权利要求1的方法，其中B为未取代或取代的亚乙基或亚丙基，优选亚乙基。
3.根据权利要求1或2的方法，其中亚烷基二胺(衍生物)基本由乙二胺组成。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中亚烷基二胺(衍生物)与甲醛和氰化物来源在多价金属离子的存在下在水解条件下、优选在10以上的pH下反应。
5.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中亚烷基二胺(衍生物)与选自CH2X-COOH(的盐)、CH2X-CN、CH2X-CONH2或其混合物中的化合物反应，其中X是卤素原子。
6.根据前述权利要求任一项的方法，其中多价金属离子Ma+是二价金属离子。
7.根据权利要求7的方法，其中二价金属离子是II族金属，优选钙。
8.根据前述权利要求任一项的方法，其中将多价金属离子Ma+以至少部分可溶于水中的金属盐的形式加到亚烷基二胺(衍生物)中。
9.根据前述权利要求任一项的方法，其中多价金属离子Ma+以至少与在该方法中应用的亚烷基二胺(衍生物)的量等摩尔的量加入。
10.根据前述权利要求任一项的方法，包括在形成亚烷基二胺三乙酸(衍生物)的盐之后除去多价金属离子的另一步骤。
全文摘要
本发明涉及一种制备亚烷基二胺三乙酸(衍生物)的方法，该方法包括将亚烷基二胺(衍生物)转化为亚烷基二胺三乙酸(衍生物)的盐，其中反应是在多价金属离子M
文档编号C07C229/16GK1414948SQ00818183
公开日2003年4月30日 申请日期2000年12月15日 优先权日2000年1月5日
发明者M·A·万多恩, J·W·德里森, T·O·布恩斯特拉, M·厄斯 申请人:阿克佐诺贝尔股份有限公司