专利名称：制备位阻氨基磷酸酯的无溶剂方法
相关申请的交叉参考本申请要求通过引用并入本文的临时申请系列号60/151,193和60/164,909的优先权。
已经发现使用位阻氨基磷酸酯如N，N’-双[二-(2，6-二甲苯氧)氧膦基]哌嗪(后文有时称为“XPP”)作为合成树脂(特别是热塑性树脂如聚碳酸酯、ABS树脂及其共混物)的阻燃添加剂具有特别的优越性，这些优越性包括改善了所获得的共混物的高温稳定性。参见例如美国专利5,973,041和同时等审的共同拥有的申请系列号09/235,679和09/364,915。
XPP和类似的化合物可方便地通过氯代磷酸二芳酯如氯代磷酸二-(2，6-二甲苯基)酯与含两个碱性N-H基团的杂环化合物如哌嗪反应来制备。按照Talley在J.Chem.Eng.Data，33，221-222(1983)所描述的先有技术，该反应可在作为酸受体的三乙胺存在下以氯仿作为溶剂进行。三乙胺的用量为化学计算量或超过化学计算量，并且与副产物氯化氢反应来驱使反应完成。
Talley的文章描述了包括源于氮化合物如苄胺、环己胺、苯胺、乙二胺和对苯二胺以及哌嗪的多种类似化合物的制备。对与苯胺的反应来说报导的收率高达90％，而对于与对苯二胺的反应来说则低至61％。哌嗪形成XPP只有68％的收率(所报导的最低收率之一)。
如果XPP作为阻燃添加剂在工业上可行，则必需大幅度提高其收率。还有，需要尽可能减少毒性较高的溶剂氯仿以及可给反应增加复杂性(需要将产品与溶剂分离，以及需要将溶剂和外加酸受体如三乙胺进行处理或循环使用)的其它溶剂在工业规模的使用。
因此开发采用极少单元操作来制备XPP和类似化合物的高收率方法具有实际意义。
因此，本发明的一个实施方案提供了一种制备位阻氨基磷酸酯的方法，所述方法包括将位阻氯代磷酸二芳酯和含至少两个碱性N-H基团的碱性含氮化合物在基本液态的无溶剂反应混合物中接触，所述碱性含氮化合物以能与所述氯代磷酸二芳酯和副产物氯化氢两者反应的有效量使用。
本发明的一个实施方案提供了一种制备氨基磷酸酯的方法，所述方法包括将氯代磷酸二芳酯和含至少两个碱性N-H基团的碱性含氮化合物在基本液态的无溶剂反应混合物中接触，所述碱性含氮化合物以能与所述氯代磷酸二芳酯和副产物氯化氢两者反应的有效量使用，所述氨基磷酸酯具有至少约0℃、优选至少约10℃并最优选至少约20℃的玻璃化转变温度。详细说明；优选的实施方案在本发明的说明书中，位阻氨基磷酸酯是指其中至少一个与杂原子-磷连接的芳基取代基在其芳环上与芳基-杂原子-磷键相邻的位置位上具有至少一个取代基的氨基磷酸酯。在本发明方法中使用的位阻氯代磷酸二芳酯包括那些具有下式的化合物 式中Ar是芳基，R1各自独立为烷基、芳基或卤基，Q1为氧或硫，Q2为氧、硫或NR1，n为1至最高可达芳环或环上自由价位数的值，并且至少一个在芳基环上的R1取代基与杂原子-磷键相邻。优选Ar为苯环，n具有1-5的值。优选R1各自为C1-4伯或仲烷基，最优选甲基；n为2，各取代基与杂原子-磷键相邻。因此，优选的氯代磷酸酯是氯代磷酸二-(2，4，6-三甲基苯基)酯和也称为氯代磷酸二-(2，6-二甲苯基)酯的氯代磷酸二-(2，6-二甲基苯基)酯。
可使用任何含至少两个碱性N-H基团的无环或环状化合物。适合的化合物包括下式的化合物(II)R2NH-CH2CH2-NHR2式中R2各自为C1-4伯或仲烷基或者两个R2基团一起为亚乙基。示例性的无环化合物有N，N’-二甲基乙二胺和N，N’-二乙基乙二胺。通常优选杂环化合物；它们的例子有未取代和取代的哌嗪和1，2，3，4-四氢喹喔啉。最优选哌嗪。
在一优选的实施方案中，本发明的方法可用于制备具有至少约0℃、优选至少约10℃并最优选至少约20℃的玻璃化转变温度的氨基磷酸酯。具体地说，本发明的方法可用于制备式III的氨基磷酸酯 式中Q1各自独立为氧或硫；A1-4各自独立为烷氧基、烷硫基、芳氧基或芳硫基残基，或者含至少一个烷基或卤素取代基的芳氧基或芳硫基残基，或它们的混合物；或胺残基。在本发明的一个特别优选的实施方案中，Q1各自为氧，A1-4部分各自是2，6-二甲基苯氧基部分或2，4，6-三甲基苯氧基部分。这些氨基磷酸酯为哌嗪型氨基磷酸酯。在上式中当Q1各自为氧并且A1-4部分各自为2，6-二甲基苯氧基部分时，所述氨基磷酸酯的玻璃化转变温度为约62℃并且熔点为约192℃。
在另一优选的实施方案中，本发明的方法可用于制备式IV的具有至少约0℃、优选至少约10℃并最优选至少约20℃的玻璃化转变温度的氨基磷酸酯 式中Q1各自独立为氧或硫；A5-9各自独立为烷氧基、烷硫基、芳氧基或芳硫基残基，或者含至少一个烷基或卤素取代基的芳氧基或芳硫基残基，或它们的混合物；或胺残基；n为0到约5。在一个更优选的实施方案中，Q1各自为氧并且A5-9部分各自独立为苯氧基、2，6-二甲基苯氧基或2，4，6-三甲基苯氧基，n为0到约5。
在另一实施方案中，本发明方法可用于制备式V的具有至少约0℃、优选至少约10℃并最优选至少约20℃的玻璃化转变温度的氨基磷酸酯 式中Q1各自独立为氧或硫；A10-15各自独立为烷氧基、烷硫基、芳氧基或芳硫基残基，或者含至少一个烷基或卤素取代基的芳氧基或芳硫基残基，或它们的混合物；或胺残基。在一个更优选的实施方案中，Q1各自为氧并且A10-15部分各自独立为苯氧基、2，6-二甲基苯氧基或2，4，6-三甲基苯氧基。
在另一实施方案中，本发明方法可用于制备式VI的具有至少约0℃、优选至少约10℃并最优选至少约20℃的玻璃化转变温度的氨基磷酸酯 式中Q1各自独立为氧或硫；A16-19各自独立为烷氧基、烷硫基、芳氧基或芳硫基残基，或者含至少一个烷基或卤素取代基的芳氧基或芳硫基残基，或它们的混合物；或胺残基；并且R3各自为烷基，或者两个R3一起为亚烷基或烷基取代的亚烷基。在一个优选的实施方案中，Q1各自为氧；两个R3基团一起为未取代的(CH2)m亚烷基，其中m为2到10；并且A16-19部分各自独立为苯氧基、2，6-二甲基苯氧基或2，4，6-三甲基苯氧基。在一个更优选的实施方案中，Q1各自为氧；R3各自为甲基；A16-19部分各自独立为苯氧基、2，6-二甲基苯氧基或2，4，6-三甲基苯氧基。
在另一实施方案中，本发明方法可用于制备式VII的具有至少约0℃、优选至少约10℃并最优选至少约20℃的玻璃化转变温度的氨基磷酸酯 式中Q1为氧或硫，并且R4符合下式VIII 式中Q1各自独立为氧或硫；A20-22各自独立为烷氧基、烷硫基、芳氧基或芳硫基残基，或者含至少一个烷基或卤素取代基的芳氧基或芳硫基残基，或它们的混合物；或胺残基；Z1各自为烷基、芳基或含至少一个烷基或卤素取代基的芳基或其混合物；X1各自为亚烷基、芳基或含至少一个烷基或卤素取代基的芳基，或其混合物；n为0到约5；R5和R6各独立为烷氧基、烷硫基、芳氧基或芳硫基残基，或含至少一个烷基或卤素取代基的芳氧基或芳硫基残基，或它们的混合物；或胺残基。在一个优选的实施方案中，Q1各自为氧；A20-22部分各自独立为苯氧基、2，6-二甲基苯氧基或2，4，6-三甲基苯氧基。Z1各自为甲基或苄基；X1各自为含2-24个碳原子的亚烷基；n为0到约5；R5和R6各独立为苯氧基、2，6-二甲基苯氧基或2，4，6-三甲基苯氧基。
在另一实施方案中，本发明方法可用于制备式IX的具有至少约0℃、优选至少约10℃并最优选至少约20℃的玻璃化转变温度的氨基磷酸酯 式中Q1为氧或硫，并且R7符合下式X 式中Q1各自独立为氧或硫；X2各自为亚烷基或烷基取代的亚烷基残基、芳基残基或烷芳基残基；Z2各自为亚烷基或烷基取代的亚烷基残基；R10、R11和R12各自独立地为烷氧基、烷硫基、芳氧基或芳硫基残基，或者含至少一个烷基或卤素取代基的芳氧基或芳硫基残基，或它们的混合物；或胺残基；n为0到约5；R8和R9各独立地为烷氧基、烷硫基、芳氧基或芳硫基残基、或含至少一个烷基或卤素取代基的芳氧基或芳硫基残基，或它们的混合物；或胺残基。在一个优选的实施方案中，Q1各自为氧；X2各自为亚烷基或烷基取代的亚烷基残基；Z2各自为亚烷基或烷基取代的亚烷基残基；R8、R9、R10、R11和R12各自独立为苯氧基、2，6-二甲基苯氧基或2，4，6-三甲基苯氧基；n为0到约5。在一更优选的实施方案中，Q1各自为氧；X2和Z2各自独立为式(CH2)m的未取代的亚烷基残基，其中m为2到10；R8、R9、R10、R11和R12各自独立为苯氧基、2，6-二甲基苯氧基或2，4，6-三甲基苯氧基；n为0到约5。在一特别优选的实施方案中，所述氨基磷酸酯衍生自哌嗪(即X2和Z2各为-CH2-CH2-)。
在另一优选实施方案中，本发明方法可用于制备式XI的具有至少约0℃、优选至少约10℃并最优选至少约20℃的玻璃化转变温度的环状氨基磷酸酯 式中R13-16各自独立为氢或烷基，X3为亚烷基，Q1为氧或硫，A23为源于具有相同或不同基团(可以为脂族、脂环族、芳族或烷芳基)的伯胺或仲胺的基团，或者A23为源于杂环胺的基团，或者A23为肼化合物。优选Q1为氧。应该注意当n为0时，两个芳环在与磷酰基键邻、邻’的位置上通过单键在该处(即无X3处)连接一起。
在另一优选实施方案中，本发明方法可用于制备式XII的具有至少约0℃、优选至少约10℃并最优选至少约20℃的玻璃化转变温度的双(环)氨基磷酸酯
式中Q1为氧或硫；R17-24各自独立为氢或烷基；X4为亚烷基；m和n各独立地为0或1；A24为 式中G1为硫、亚烷基、烷基取代的亚烷基、芳基、或烷芳基，Z3各自独立为烷基、芳基、或者含至少一个烷基或卤素取代基的芳基，或者它们的混合物，或者其中A24为 式中G2为亚烷基、芳基或烷芳基；Y2为亚烷基或烷基取代的亚烷基。优选的氨基磷酸酯是那些其中Q1为氧、A24为哌嗪残基的氨基磷酸酯，并且所述氨基磷酸酯具有一个通过A24的对称面的氨基磷酸酯。高度优选的氨基磷酸酯包括其中Q1为氧、A24为哌嗪残基的氨基磷酸酯；所述氨基磷酸酯具有一个通过A24的对称面；在每个芳基环上至少一个R取代基为与氧取代基相邻的甲基；n和m各为1；X4为CHR25，其中R25为氢或约1到约6个碳原子的烷基残基。应该指出当m或n之一或两者为0时，两个芳环在与磷酰基键邻、邻’的位置上通过单键在该处(即无X4处)连接在一起。
本方法也可通过使用在所述氨基磷酸酯范围内的各种取代和未取代芳基部分而用于制备具有中等玻璃化转变温度的氨基磷酸酯。
按照本发明，氯代磷酸二芳酯和碱性含氮化合物之间的反应在基本液态的无溶剂反应混合物中进行。在本发明的一个实施方案中，所述反应在熔融态下进行。该实施方案一般需要从反应混合物的熔点至最高可达约250℃、优选约125-175℃、最优选约140-160℃的反应温度。
在另一实施方案中，所述反应混合物也包含至少一种非产物溶剂的液态载体。这里的“非产物溶剂”是指在一些条件下至少所述产物氨基磷酸酯从所述液体载体中沉淀出来。这可能是因为所述产物在任何条件下均不溶于其中，或者因为产物在较低的温度如在约20-50℃的温度下不溶于其中。
适合的载体包括可以是直链或支链的脂族烃，特别是C5-16脂族烃，如正己烷、正庚烷、正癸烷和正十二烷和异辛烷；和脂环烃，如环戊烷、环己烷和甲基环己烷。也可使用它们的混合物以及这种化合物与C6-14芳香烃如甲苯和二甲苯的混合物，条件是所述混合物具有上述的满足作为非溶剂的性质。通常特别优选正庚烷。使用载体液体的反应温度通常在约90-150℃、优选约95-125℃的范围。
在某些条件下，在反应混合物中混入小比例的至少一种对质子惰性的含氮化合物诸如4-二甲基氨基吡啶、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺将是有利的。这种化合物可提高尤其在较低温度下的反应速率。但是，重要的是它们应以足够低的比例存在以维持所述混合物不含溶剂。
本发明的另一特征是使用过量的碱性含氮化合物，其中过量的含氮化合物另外起酸受体的作用。在诸如循环的操作中这提供了明显的好处，因为可以回收哌嗪盐酸盐等并通过用碱简单处理重新转变成可循环使用的碱性含氮化合物。
在另一实施方案中，本发明方法包括在基本无水的条件下通过氯代磷酸二芳酯与碱性含氮化合物在基本液态的无溶剂反应混合物中接触来制备氨基磷酸酯。水的基本消除导致焦磷酸盐副产物量的显著降低。这里的“基本无水”是指水与氯代磷酸酯的当量比低于约0.05、优选低于约0.01、更优选低于约0.005的反应条件。最大程度降低水含量的方法为本领域技术人员熟悉并且包括干燥反应装置、干燥可能存在的任何非溶剂并且使用具有最低水含量的反应剂。还有，在本发明中优选使用惰性气氛，诸如氮气或氩气。
可使用各种混合反应剂的方法。例如，可将氯代磷酸二芳酯和碱性含氮化合物简单混合并加热到熔融温度，或者可将碱性含氮化合物一次性或分批加入到氯代磷酸二芳酯和载体液体的混合物中。
碱性含氮化合物与氯代磷酸二芳酯的当量比通常在约0.9-6.0∶1、优选约1.9-5.0∶1、更优选约2.0-5.0∶1、再更优选约2.0-3.0∶1、还再更优选约2.0-2.5∶1、最优选约2.0-2.2∶1的范围。显然1∶1的摩尔比率将至少理论上便于含两个碱性氮原子(因此当量等于其分子量一半)的碱性含氮化合物与氯代磷酸二芳酯(当量等于分子量)和副产物氯化氢(其中碱性含氮化合物与氯代磷酸酯当量比为2∶1)在化学计算量水平上的反应。
反应的进程可通过本领域承认的分析方法监测。通常大约15-25小时的反应时间足以让反应进展到有效完成。然后可通过常规操作分离所生成的氨基磷酸酯，这些操作通常包括与含水无机酸和任选的溶剂接触、有机层的分离、洗涤和溶剂的挥发(如果需要)。如果反应在熔融态进行，可使用非溶剂分离技术诸如熔体结晶、升华或区域精制。非溶剂载体液体的使用提供了产物易通过过滤等从反应混合物进行分离、接着如需要通过洗涤来制备所需纯度产物的优点。
下面将通过实施例来阐述本发明。
将剩余的物质溶解于50毫升(ml)氯仿中并将溶液用稀盐酸、水洗涤并然后浓缩成固体。分析表明已经除去了所有过量哌嗪和哌嗪盐酸盐。随后从甲乙酮重结晶形成了具有205℃熔点的纯XPP。实施例2往250ml烧瓶中装入25g(76.9mmol)的氯代磷酸二(2，6-二甲苯基)酯和50ml庚烷，并然后充入氮气形成氮气气氛。加入2.5g无水哌嗪，15分钟后再加入另外2.0g无水哌嗪。搅拌反应混合物并加热至回流。注意到快速形成固体，样品的HPLC分析表明4小时后XPP的转化率达到54％。加入另外的1.5g(总共69.7mmol)哌嗪，搅拌所述混合物并回流过夜。第二天早晨(总反应时间22小时)形成了大量固体并且搅拌已经停止。加入另外的50ml庚烷，样品的HPLC分析表明具有83％的转化率。将该悬浮液过滤并悬浮于沸水中约1小时。得到的固体物质的HPLC分析表明完全除去了未反应的氯代磷酸二(2，6-二甲苯基)酯和任何形成的磷酸三(二甲苯基)酯。将所述固体悬浮于甲醇中并再过滤。得到物质的HPLC分析表明焦磷酸盐杂质的完全去除提供了XPP优质的整体纯度和回收率。
虽然为了进行说明而提出了典型的实施方案，前述的说明和实施例不应该看作是对本发明范围的限定。因此在没有背离本发明的宗旨和范围下，本领域技术人员可进行各种修改、调整和替换。
权利要求
1.一种制备位阻氨基磷酸酯的方法，所述方法包括使位阻氯代磷酸二芳酯和含至少两个碱性N-H基团的碱性含氮化合物在基本液态的无溶剂反应混合物中接触，所述碱性含氮化合物以能与所述氯代磷酸二芳酯和副产物氯化氢两者反应的有效量使用。
2.权利要求1的方法，其中所述氯代磷酸二芳酯具有下式 式中Ar是芳基，R1各自独立为烷基、芳基或卤基，Q1为氧或硫，Q2为氧、硫或NR1，n为1至最高可达芳环或环上自由价位数的值，并且在芳环上的至少一个R1取代基与杂原子-磷键相邻。
3.权利要求2的方法，其中Ar为苯基，Q1和Q2为氧，n为2或3，并且R1各自为甲基。
4.权利要求1的方法，其中所述碱性含氮化合物具有式R2NH-CH2CH2-NHR2式中R2各自为C1-4伯或仲烷基或者两个R2基团一起为亚乙基。
5.权利要求4的方法，其中所述碱性含氮化合物为杂环化合物。
6.权利要求5的方法，其中所述碱性含氮化合物为哌嗪。
7.权利要求1的方法，其中所述接触在熔融状态下进行。
8.权利要求7的方法，其中所述接触温度为约125-175℃。
9.权利要求8的方法，其中所述接触在至少一种非产物溶剂的液体载体存在下进行。
10.权利要求8的方法，其中所述载体是至少一种脂族或脂环族烃或其与至少一种芳香烃的混合物。
11.权利要求10的方法，其中所述载体是C5-16脂族烃。
12.权利要求11的方法，其中所述载体是正庚烷。
13.权利要求10的方法，其中所述接触温度为约90-150℃。
14.权利要求13的方法，其中所述碱性含氮化合物与氯代磷酸二芳酯的当量比为约0.9-6.0∶1。
15.权利要求13的方法，其中所述碱性含氮化合物与氯代磷酸二芳酯的当量比为约2.0-3.0∶1。
16.权利要求1的方法，其中所述接触在基本无水的条件下进行。
17.权利要求7的方法，其中所述接触在基本无水的条件下进行。
18.权利要求9的方法，其中所述接触在基本无水的条件下进行。
19.一种制备氨基磷酸酯的方法，所述方法包括将氯代磷酸二芳酯和含至少两个碱性N-H基团的碱性含氮化合物在基本液态的无溶剂反应混合物中接触，所述碱性含氮化合物以能与所述氯代磷酸二芳酯和副产物氯化氢两者反应的有效量使用，所述氨基磷酸酯具有至少约0℃的玻璃化转变温度。
20.权利要求18的方法，其中所述氨基磷酸酯具有至少约10℃的玻璃化转变温度。
21.权利要求18的方法，其中所述氨基磷酸酯具有至少约20℃的玻璃化转变温度。
22.一种制备N，N’-双[二-(2，6-二甲苯氧)氧膦基]哌嗪的方法，所述方法包括使氯代磷酸二(2，6-二甲苯基)酯与哌嗪在熔融态接触，所述哌嗪与所述氯代磷酸二(2，6-二甲苯基)酯的摩尔比率为约1.0-1.25∶1。
23.一种制备N，N’-双[二-(2，6-二甲苯氧)氧膦基]哌嗪的方法，所述方法包括使氯代磷酸二(2，6-二甲苯基)酯与哌嗪在至少一种作为液体载体的C5-16脂族烃的存在下接触，所述哌嗪与所述氯代磷酸二(2，6-二甲苯基)酯的摩尔比率为约1.0-1.25∶1。
全文摘要
本发明涉及通过位阻氯代磷酸二芳酯如氯代磷酸二(2,6－二甲苯基)酯与含至少两个碱性N－H基团的碱性含氮化合物(优选杂环化合物如哌嗪)在基本为液态的无溶剂反应混合物中反应来制备位阻氨基磷酸酯,如N,N’－双[二－(2,6－二甲苯氧)氧膦基]哌嗪。所述反应可在熔融态下进行或在非溶剂载体(通常为脂族烃)的存在下进行。使用过量的碱性含氮化合物作为酸受体。
文档编号C09K21/12GK1382148SQ00814719
公开日2002年11月27日 申请日期2000年7月31日 优先权日1999年8月27日
发明者J·R·坎贝尔, J·A·塞拉, G·R·吉莱特, J·E·科钱诺夫斯基, M·L·雷茨 申请人:通用电气公司