专利名称：新型次膦酸及其硫衍生物以及它们的制备方法
技术领域：
本发明总体涉及有机化学领域。更具体而言，本发明提供了新型有机次膦酸及其硫衍生物，以及它们的制备方法。这些新型化合物可作为金属萃取剂。
发明内容
发明综述 一方面，本发明提供了由式(I)定义的化合物
其中 R1和R2不同，且R1和R2各自独立选自 (a)-CH2-CHR3R4，其中R3为甲基或乙基；而R4为可选地取代的烷基或杂烷基；以及 (b)-CR3(CH2R5)R6，其中 R3为甲基或乙基；且 R5为H或可选地取代的烷基或杂烷基，而R6为可选地取代的烷基或杂烷基；或者 R5，R6及它们连接的乙烯基团形成五或六元的可选地取代的环烷基或杂环烷基环； 且X和Y分别独立为O或S。
因此，在实施方式中，本发明提供了如下式(I)的化合物 (a)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸； (b)(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基己基)次膦酸； (c)(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基己基)次膦酸； (d)(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)次膦酸；以及 (e)(1-甲基-1-乙基戊基)(2-乙基己基)次膦酸； 以及它们的单和二硫代衍生物，及其盐。
如此处所述，式(I)的化合物的示范性制备可通过将式(II)的仲膦
(i)与氧化剂反应以生成相应的次膦酸；(ii)与硫反应以生成相应的二硫代次膦酸；或者(iii)与有限量的氧化剂反应以生成相应的膦氧化物，其随后与硫反应生成相应的单硫代次膦酸。
在另一方面，本发明提供了制备式(II)的仲膦(其中R1和R2如上文定义，且R2为-CH2-CHR3R4)的方法，其中该方法包括使式R1PH2的伯膦和式CH2＝CR3R4的烯烃在自由基条件下反应。
在另一方面，本发明提供了制备式(II)的仲膦(其中其中R1和R2如上文定义，且R2为-CR3(CH2R5)R6)的方法，其中该方法包括使式R1PH2的伯膦和式HR5C＝CR3R6的烯烃在酸催化剂存在下反应。
部分式(II)的仲膦化合物具有新颖性。因此，在实施方式中，本发明提供了如下式(II)的仲膦化合物 (a)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)膦； (b)(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基己基)膦； (c)(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基己基)膦； (d)(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)膦；以及 (e)(1-甲基-1-乙基戊基)(2-乙基己基)膦. 另一方面，本发明提供了式(I)的化合物或其盐作为金属萃取剂的用途。
另一方面，本发明提供了从含金属溶液中萃取金属的工艺，其包括将所述溶液与式(I)的化合物相接触，使式(I)的化合物与该金属形成复合物，并回收该复合物。在实施方式中，式(I)的化合物(其中X和Y均为O)或其盐可用于从包含钴(II)和镍(II)的水溶液中选择性地萃取钴(II)。
发明详述 R1和R2的值通过选择以获得具有较低熔点的式(I)的化合物。在许多应用中，该式(I)的化合物在其液态下进行使用。相应地，在室温下(例如，约15℃至约25℃的温度范围内，更具体为约15℃，约20℃和约25℃的温度)为液体的式(I)的化合物通常更适于在室温或接近室温下进行的应用，而在低温下(例如在小于约30℃，约40℃，约50℃，约60℃，约80℃，约100℃，约150℃的温度下)溶解的式(I)的化合物通常更适于在略微升高的温度下(即，在式(I)的化合物的熔点以上)进行的应用。因此，R1和R2的值通过选择后使得R1和R2不同，因为所得的不对称性趋于降低该化合物的熔点。
支链是熔点的另一决定因素。特别地，当R1和R2的分支程度上升时该熔点趋于下降。通过定义，R1和R2各自独立在alpha或beta碳上分支，但在alpha或omega碳或者任意中间位点上均可能存在其它的分支。在alpha碳和/或beta碳上的分支可以通过提高中心磷原子周围的空间位阻并由此促进次膦酸与钴(II)的配位，提高有机次膦酸相对镍和/或钙选择性结合钴的能力。
在R1和R2中一个或多个手性中心的存在通过提供立体异构体混合物，趋于降低熔点。
该熔点随该化合物中碳原子数的上升而趋于升高，因此R1和R2通常经过选择使得式(I)的化合物包含不超过约20个碳原子。然而，为了实现某些目的(例如从水溶液中萃取金属)，将需要疏水的或是“与水不混溶的”的式(I)的化合物。术语“与水不混溶的”意在描述在与水混合时形成两相系统的化合物，但只要形成两相系统，便不排除溶于水的化合物或是溶解水的化合物。总共具有约12个或更多碳原子的式(I)的化合物可用于实现这些目的。
在许多应用中(例如金属萃取应用)，可通过R1和R2的选择得到与用于特定应用的有机溶剂混溶(优选全比例混溶)的化合物。式(I)的化合物在特定有机溶剂中的混溶性可简单地确定(例如，通过肉眼确定)，无需实施创造性的技术。
R1和R2可包含杂原子(例如，该碳骨架可被一个或多个选自N，O和S的原子所中断)或携带其它的取代基(例如羟基，卤素，烷氧基，烷硫基，羧基以及乙酰基基团)，只要通过不要求创造性的常规实验可确定该取代基或杂原子不影响本发明化合物的制备或使用。然而，杂原子和附加取代基的存在可能会增加成本。因此，针对多种目的，R1和R2不包含杂原子或携带附加的取代基。
因此，针对多种目的，R1和R2分别独立为仅由氢和碳原子组成的烷基基团或环烷基基团，例如C5-C16烷基基团，即具有总碳原子数介于5和16之间(即，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15或16个碳原子)或通常介于6至10之间的烷基基团；或是C5-C16环烷基基团，例如，至少被一个烷基基团取代的五-或六-元环(即，R3和可选地一个或多个附加烷基基团)，从而使得所述环烷基基团具有的碳原子总数介于6和16之间(即，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15或16个)或通常介于6至10之间。此处的术语“烷基”包括直链和支链烷基。
R3，R4，R5和R6经选择以提供所需的R1和R2值。例如，当R1为式-CR3(CH2R5)R6的C5-C16烷基且R3和R5均为甲基，则R6为C2-C12烷基。R4，R5和R6可带支链。
因此，R1和R2的适用的值包括2，4，4-三甲基戊基，1，1，3，3-四甲基丁基，2-乙基己基和1-甲基-1-乙基戊基。
(I)式(I)的化合物的制备方法 式(I)的化合物可采用已知的化学反应进行制备。例如，式(II)的仲膦
(其中R1和R2如上文定义)可通过酸催化加成或在自由基条件下将伯膦加成至烯烃后制备得到。随后，该仲膦可以(i)与氧化剂反应以生成次膦酸；(ii)与硫反应以生成二硫代次膦酸；或者(iii)与有限量的氧化剂反应以生成膦氧化物，其随后与硫反应以制备单硫代次膦酸。
自由基条件可用于制备在beta碳原子处被R基团取代的仲膦，因为自由基条件可促进将膦加成至伯碳原子，例如1-烯的末端碳原子。
酸催化可用于制备在alpha碳原子处被R基团取代的仲膦，因为酸催化可促进将膦加成至叔碳原子。
(A)仲膦在自由基条件下的制备 在自由基条件下将膦加成至烯烃的方法为已知方法。例如，美国专利4,374,780描述了将两摩尔的2，4，4-三甲基戊烯-1通过自由基加成至膦后以过氧化氢氧化制备双(2，4，4-三甲基戊基)次膦酸的方法。
因此，式(II)的仲膦
(其中R1和R2如上文定义，且R2为-CH2-CHR3R4)的制备方法包括，例如，在自由基条件下使式R1PH2的伯膦和式CH2＝CR3R4的烯烃进行反应。
自由基引发剂已为本领域所知，且技术人员能够选择可用于上述反应的自由基引发剂。特别涉及偶氮双自由基引发剂，例如偶氮二异丁腈。
该膦加成反应并不特别受温度限制，它可在较宽的温度范围内发生。因此，通常根据所用引发剂的半衰期来选择进行该反应的温度范围。例如，对于偶氮二异丁腈，该反应可在约40℃至约110℃，优选约60℃至约90℃的温度范围内进行。
为了减少不想要的叔膦的生成，该反应应当用摩尔过量的伯膦进行。
例如，(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基己基)膦可通过在上述自由基条件下加成 (a)(2，4，4-三甲基戊基)膦至2-乙基己-1-烯或 (b)2-乙基己基膦至(2，4，4-三甲基)戊烯-1 制备得到。
(B)通过酸催化加成进行的仲膦制备 通过酸催化加成将膦加成至烯烃的方法为已知的方法(例如参见美国专利2584112)。例如，美国专利5,925,784描述了通过将膦催化加成至二异丁烯，然后以过氧化氢氧化制备双(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的方法。
因此，式(II)的仲膦
(其中R1和R2如上文定义，且R2为-CR3(CH2R5)R6)的制备方法包括，例如，使式R1PH2的伯膦和式HR5C＝CR3R6的烯烃在酸催化剂的存在下进行反应。
该酸催化加成步骤通常可在可质子化有机溶剂(即，包含羟基(OH)基团的有机溶剂)如乙二醇或乙二醇醚的存在下进行。用于该目的的适用乙二醇或乙二醇醚的范例包括乙二醇，丙三醇和乙二肟。
该酸催化剂可以是任意非氧化强酸。优选烷基磺酸(包括但不限于甲磺酸和甲苯磺酸)，因为它们具有可得性、低成本且与多数不锈钢(常被用于制作工业反应器)相容。然而，其它非氧化性强酸(如HCI和H3PO4)可用于本发明的方法，尽管HCl将要求该反应在耐卤化物反应器中进行。酸催化剂与伯膦的摩尔比为约1:1至约5:1，优选约1.5:1.0。摩尔过量的酸催化剂可能会提高产率，但会增加该工艺的成本。
一般而言，该酸催化加成步骤可按如下进行将酸催化剂在惰性气氛(例如氮气)中大气压和提高的温度下(例如，约50℃至约160℃，优选约75℃至约125℃)添加至含有伯膦和烯烃的容器中，并使该反应进行约2至约88小时(优选介于约8至约20小时)。温度提高可提高产率并减少反应时间。该反应产物可通过标准方法进行分析，例如，气相色谱(GC)和/或核磁共振(NMR)分析 过量烯烃的存在可提高膦加成步骤的产率，但也会导致烯烃二聚体和三聚体。烷基膦可能会过量存在，但该过量的烷基膦通常应在氧化前除去。因此，多数情况下，该反应将包含摩尔比从约0.5:1至约3:1，优选约1.5:1.0的烯烃和伯膦。
酸催化加成步骤完成后，该反应混合物可通过处理(例如，用碱水洗涤，回收该有机相，并在提高的温度下(例如，约80℃)真空除去任意未反应的起始物质和溶剂)以提供可不经纯化直接用于氧化步骤的粗仲膦制备物。
该烯烃可以是单个种类或两个相关烯烃种类(分别具有对相邻碳原子的叔碳双键)的混合物。例如，二异丁烯通常作为(2，4，4-三甲基)戊烯-1和(2，4，4-三甲基)戊烯-2的混合物进行市售。在酸催化剂的存在下，伯膦可加成至两种烯烃的beta碳(叔碳)。
例如 (a)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基)膦可由(2，4，4-三甲基戊基)膦和二异丁烯在酸催化剂的存在下制备； (b)(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基己基)膦可由2-乙基己基膦和二异丁烯在酸催化剂的存在下制备； (c)(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)膦可由(2，4，4-三甲基戊基)膦和2-乙基己烯-1在酸催化剂的存在下制备； (d)(1-甲基-1-乙基戊基)(2-乙基己基)膦可由2-乙基己基膦和2-乙基己烯-1在酸催化剂的存在下制备。
(C)仲膦的氧化 上述仲膦可通过氧化制备相应的次膦酸。
在分子水平，仲膦的氧化通过两个步骤完成。首先，该仲膦被氧化为膦氧化物，其随后被氧化形成次膦酸。在实践中，仲膦的完全氧化可在单个反应中实现。例如，该仲膦可通过与氧化剂(优选过氧化氢)在酸催化剂(例如，硫酸)和水存在下于大气压下和提高的温度(例如，约50℃至约110℃，优选约80℃至约100℃)下反应约4至约16小时或直至完全反应后被氧化。较低的温度会减缓反应，导致更长的反应时间。然而，更高的温度倾向于除去一个烷基基团，导致部分单烷基膦酸副产物的形成。反应的过程可通过如31P NMR进行追踪。
适用的氧化剂包括过氧化氢，这是一种便宜并且方便的氧化剂。该氧化反应的化学计量学要求在该反应中两当量的过氧化氢与1当量的膦进行反应。然而，过量过氧化氢的存在可以较低的额外成本提高产率(即，促使氧化反应趋于完全)。因此在许多情况下，过氧化氢将相对仲膦过量存在，例如其当量比可介于约2:1至约4:1，优选约3:1。
该反应完成后，可对该反应混合物进行处理(例如，以碱水(例如，氢氧化钠)洗涤，然后以酸水(例如，硫酸)洗涤，然后在提高的温度下(例如，约80℃)真空干燥)以提供包含目标次膦酸产物的液体产物。
前述方法通常提供包含目标次膦酸以及副产物的液体终产物。当该工艺在适当条件下进行时，该目标次膦酸可以是该液体终产物的主要成分(例如，占重量的80-95％或更多)。
所述方法的液体终产物可不经进一步纯化用于金属萃取工艺，因为多数副产物预计不会干扰金属萃取工艺。然而，该氧化步骤可导致膦酸副产物(即R1PO(OH)2和R2PO(OH)2)的形成，其可例如减少该终产物相对钙和镍对于钴的选择性。如果需要，可选择反应条件(如上文指出，特别是温度)以最小化膦酸副产物的生成。如果需要，可通过一次或多次碱水洗涤该液体终产物以将单膦酸的水平降低至可接受的水平，例如，约1％或更少。
(D)仲膦或膦氧化物与硫的反应 上述仲膦还可用作中间体来制备相应的单硫代次膦酸和二硫代次膦酸。
例如，二硫代次膦酸可参照已知的方法(例如，如美国专利5925784或GB902802所述)由仲膦与硫的反应进行制备。之前定义的仲膦可与硫、水和碱性试剂(例如氢氧化铵)反应生成相应的仲二硫代次膦酸的盐，例如其铵盐。该类反应通常在约0℃至约100℃，优选约15℃至约75℃的温度范围内进行。由此制备的盐可与酸(例如HCl，稀硫酸或甲磺酸)反应生成仲二硫代次膦酸。这些反应通常在约-30℃至约75℃，优选约10℃至约50℃的温度范围内进行。
例如，单硫代次膦酸可通过如下步骤制备 (i)使仲膦与有限量的氧化剂反应生成仲膦氧化物；并 (ii)使该仲膦氧化物与硫反应生成单硫代次膦酸。
适用的制备单硫代次膦酸的方法可参见，例如，美国专利4555368。简单而言，仲膦可被氧化形成相应的二有机膦氧化物，且不形成明显数量的相应二有机次膦酸。为了实现这一点，可通过逐渐或递增添加该氧化剂，以从约40℃至约60℃，优选从约50℃至约55℃的受控温度，进行该氧化反应。所添加的氧化剂数量应当足以充分氧化所有的仲膦，通常使用等摩尔量的氧化剂。添加的时间可随所用的仲膦起始量而变化。一般而言，逐渐或递增添加氧化剂的在受控温度条件下进行的氧化可在约1至约3小时的期间内完成。
只要氧化剂能够将该仲膦氧化为仲膦氧化物，则具体氧化剂的选择并非关键。过氧化氢是此处所用的优选氧化剂，因而它价格低廉，易于获取，且在其使用时的氧化反应温度和速率易于控制。
在基本上所有的仲膦被转化为相应的仲膦氧化物之后，可将所得的仲膦升温至介于约60℃至约90℃，优选约65℃至约75℃的更高温度，并添加过量的硫和过量的氢氧化物以将该仲膦氧化物转化为相应的单硫代次膦酸盐化合物。该种碱存在下的硫化反应可在介于约60℃至约90℃的温度下进行，并持续至反应基本完全。一般而言，该反应可于约60℃至约90℃的温度下在约1至约5小时内完成。
所得的单硫代次膦酸可进行互变异构化，在如下互变异构体之间互变。
(II)式I化合物的用途 本领域已知有机次膦酸可用于金属萃取，特别是钴(II)萃取(例如，参见美国专利4373780；4353883；4348367和5925784)。还已知有机次膦酸可用于萃取其它金属，例如稀土金属，锕系以及铂族金属。
另据发现有机单-和二硫代次膦酸可用作金属萃取剂(例如，参见美国专利5028403和4721605)。这些含磷酸的酸性随硫含量的上升而上升，这可能会提高该酸在低pH溶液中萃取金属的能力，但也可能会增加后续从中洗提金属的难度。
因此，可以理解式(I)的化合物可用作金属萃取剂(例如，用于从单含某金属或混合了其它不太想要的金属的水溶液中回收各类金属)。在实施方式中，式(I)的化合物可用于钴萃取工艺。
双(2，4，4-三甲基戊基)-次膦酸(披露于美国专利4374780并由Cytec Industries销售，商品名CYANEX 272)被广泛用于从硫或低氯化物介质中分离钴和/或镍。CYANEX 272可选择性地结合钴，且同时排斥经常在含钴(II)水溶液中存在的钙，镁和镍。CYANEX272还可用于分离重稀土金属以及从钴溶液选择性分离铁和锌。然而，CYANEX 272具有一定的局限和缺陷。具体而言，CYANEX 272在负载钴后会逐渐变得粘稠并难以使用，因此，在工艺过程中它通常仅负载其最大理论能力的70-75％。
在此处所述的实施例中，据观察(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(此处示范的式(I)的化合物)具有与CYANEX 272相当的钴负载能力，但与CYANEX 272不同的是，它即使在最大钴负载时仍不会过度粘稠。因此，在实施方式中，(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3四甲基丁基)次膦酸可在工业过程中允许理论能力的100％的钴负载，较CYANEX 272提高25-30％，且不会出现粘度问题。钴负载能力的提高和/或粘度问题的减少(可在此处所述的实施例中的(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸观察到)可在特定的应用(例如商业钴(II)萃取工艺)中提高总体的效率和生产率。
在此处所述的实施例中观察到(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸比CYANEX 272能更好地排斥钙。在商业钴萃取工艺中，钴通常通过以硫酸从有机相洗提进行回收。人们不希望与钙进行共萃取，因为钙可导致从有机相洗提钴的过程中在有机相和水相的界面上石膏的形成，并因此会干扰并降低洗提步骤的生产率。因此，在实施方式中，更好的钙排斥(可在此处所述的实施例中的(2，4，4-三甲基-戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸观察到)可减少在钴萃取工艺中共萃取的钙的量，从而提高钴洗提步骤的生产率和效率。
此外，在此处所述的实施例中观察到与CYANEX 272相比，(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸对钴相对镍具有更高的选择性。
美国专利5925784披露了双(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸并启示了该化合物可用作分离钴和/或镍的试剂。然而，双(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的某些属性限制了它的工业实用性；例如它在室温下为固体，且在工业中常用于钴萃取工艺的芳香族和脂肪族溶剂中具有有限的溶解度。相反地，根据本发明，可通过选择R1和R7的值以提供在室温下为液体和/或与用于钴萃取的芳香族和脂肪族溶剂混溶(优选全比例)的式(I)的化合物。
该式(I)的化合物可参照已知的方法(例如，美国专利5925784，4353883和4348367所述的方法)用于钴萃取。例如，(2，4，4-三甲基-戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸可直接替换CYANEX 272，尽管需要对该工艺进行一定程度的改造以适应这两种化合物之间的化学和物理属性差异。本领域技术人员能够不经创造性的步骤，通过常规实验将式(I)的化合物用于该种已知的方法。
本说明书中所涉及的所有出版物和专利申请均引用作为参考，其引用程度如同每一个单独的出版物和专利申请均为特定的单独的引用作为参考。
任意出版物的引用均针对其在申请日前的披露，不应视为承认本发明由于在先发明而未能先于该出版物提出。
具体实施例方式 实施例1化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的合成。
该(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的二次合成终产物以下称为“批次1”。
(I)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)膦的合成 将2，4，4-三甲基戊基膦(302.7g，99％GC，2.07mol，1.0eq.)，二异丁烯(2，4，4-三甲基-戊烯-1和2，4，4-三甲基-戊烯-2的混合物；348.3g，3.11mol，1.5eq.)和二乙二醇(295g，重量比～0.97)在氮气下加入三口烧瓶。将混合物加热至80℃，此时将甲磺酸(298.9g，3.11mol，1.5eq.)通过加液漏斗在50分钟内缓慢滴入该烧瓶。将该混合物继续加热，在120℃下回流，并消化过夜(16小时)。
冷却该反应混合物并加入甲苯(300ml)，然后缓慢添加NaOH水溶液(125g溶于500g水中，3.11mol，1.5eq.)，从而使反应温度保持在60℃以下。剧烈混合后将内含物转移至分液漏斗以实现澄清相分离。然后收集该有机相，并在80℃下真空去除溶剂和未反应的起始物质。所得的产物(452g，85％产率)为澄清无色液体，并通过31P NMR和GC分析。结果31P NMRδ-23.54(双峰)；GC/MS保留时间(m/e)12.70min(258)。
(II)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的合成 将水(500g，1.0相对二烷基膦体积的重量比)和催化量的硫酸(5g，1％相对水的重量)添加至三口圆底烧瓶。该烧瓶以氮气封住，并配备了机械搅拌设备。将该(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)膦(443g，1.7mol，1.0eq.；由上述步骤(I)得到)添加至该反应容器以形成双相系统，其中上层为有机相。然后将该反应混合物在搅拌和氮气下加热至50℃。移走热源，并将～25％过氧化氢水溶液(700g，5.2mol，3.0eq.)缓慢滴加至该反应混合物，以确保温度缓慢并稳定地上升，同时避免温度大幅度和突然的变化。添加一当量H2O2(～50min)后，采用外部热源以在以同样方式(～45min)添加第二当量的H2O2前提供>95℃的反应温度。此时添加过量的H2O2，以确保起始物质的完全氧化。将反应混合物在>95℃下消化过夜(16小时)，此时萃取样本进行31P NMR分析，以确定反应是否完全。结果31P NMR峰值δ 63.53。
当反应完成时，向该混合物添加甲苯(～200ml)以降低有机层的粘度。然后以等体积的水洗涤该有机相。随后进一步以NaOH水溶液(100g溶于1L的水)洗涤该有机相以得到pH～7-8。去除水层，并通过酸洗(含于水的H2SO4，10g/L)恢复该次膦酸。然后将目标产物脱水并在80℃下真空干燥以得到澄清透明液体(405g，82％产率)。
实施例2化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的合成。
该(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的二次合成终产物以下称为“批次2。” (I)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)膦的合成 将2，4，4-三甲基戊基膦(412.4g，2.82mol，1.0eq.)，二异丁烯(2，4，4-三甲基-戊烯-1和2，4，4-三甲基-戊烯-2的混合物；474.3g，4.23mol，1.5eq.)和二乙二醇(413.3g，重量比～1.00)在氮气下加入三口烧瓶。将混合物加热至80℃，此时将甲磺酸(407.6g，4.24mol，1.5eq.)通过加液漏斗在50分钟内缓慢滴入该烧瓶。将该混合物继续加热，在113℃下回流过夜(16小时)。
冷却该反应混合物并加入甲苯(400ml)，然后缓慢添加NaOH水溶液(174.8g溶于500g水中，4.37mol，1.5eq.)，从而使反应温度保持在60℃以下。剧烈混合后将内含物转移至分液漏斗，并添加500ml水和300ml甲苯。观察到澄清的相分离，去除水层，然后以1L的水额外洗涤该有机层。然后收集该有机相，并在80℃下真空去除溶剂和未反应的起始物质。所得的产物(562.1g，77％产率)为澄清无色液体，并通过31P NMR和GC分析。结果31P NMRδ-24.76(双峰)；GC/MS保留时间(m/e)14.98min(258)。
(II)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的合成 将水(578g，～1.0相对二烷基膦体积的重量比)和催化量的硫酸(5.8g，1％相对水的重量)添加至三口圆底烧瓶。该烧瓶以氮气封住，并配备了机械搅拌设备。将该(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)膦(556.9g，2.16mol，1.0eq.；由上述步骤(I)得到)添加至该反应容器以形成双相系统，其中上层为有机相。然后将该反应混合物在搅拌和氮气下加热至50℃。移走热源，并将～25％过氧化氢水溶液(889.8g，6.54mol，3.0eq.)缓慢滴加至该反应混合物，以确保温度缓慢并稳定地上升，同时避免温度大幅度和突然的变化。添加1当量H2O2(～120min)后，采用外部热源以在以同样方式(～90min)添加第二当量的H2O2前提供>95℃的反应温度。此时添加过量的H2O2，以确保起始物质的完全氧化。将反应混合物在>95℃下消化过夜(16小时)，此时萃取样本进行31P NMR分析，以确定反应是否完全。结果31P NMR峰值δ 63.52。
当反应完成时，向该混合物添加甲苯(～500ml)以降低有机层的粘度。去除水相后进一步以NaOH水溶液(100g溶于1L的水)处理该有机相以得到pH～7-8。去除水层，并通过酸洗(含于水的H2SO4，100g/L)恢复该次膦酸。然后将目标产物脱水并在80℃下真空干燥以得到澄清透明粘稠液体(551.7g，88％产率)。取样本进行NMR分析并进行甲基化以供GC/MS分析。结果31P NMR峰值δ 65.73；GC/MS保留时间(m/e)19.02min(272)。
实施例3 对两种新型萃取剂((2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(批次1和批次2))的样本通过气相色谱/质谱检测器(GC/MSD)进行检测以完全鉴定活性成分，以及所有其它的微量组分和杂质。酸性组分首先被转化为其各自的甲基酯，从而可以从气相色谱柱洗脱。
1.实验 精确称量(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(批次1和批次2)的两个样本至极为接近0.1毫克，并以甲苯稀释至终浓度为20％的重量百分比。取500μL的该种溶液与等体积的甲基化试剂(N，N-二甲基甲酰胺二甲基缩醛)反应，并将0.2μL的所得混合物注入气相色谱。
2.结果 表1显示了(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(批次1和批次2)的两个样本各个组分的GC/MSD分析结果(面积％)。
表1.(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(批次1和批次2)组成
3.讨论 (2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的两个样本(批次1和批次2)的色谱在存在的成分和杂质的组成上比较相似，在成分的数量上略有不同。除了主要成分((2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸)之外，该分析揭示了对应杂质，即二烷基次膦酸，单烷基膦酸和膦氧化物的存在。单烷基膦酸的存在必需尽量减少，因为它们趋于减少该萃取剂的钴/镍选择性。
实施例4化合物2，4，4-三甲基戊基(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的表征。
以下试验工作涉及新型萃取剂(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(TEST 1)和CYANEX 272的性能的研究。该实验考察了从硫酸盐溶液中萃取单个金属以及作为pH、钴负载能力函数的相互选择性以及作为钴负载函数的有机溶液粘度。
A 部分-在变化的pH下由单种金属磷酸盐溶液进行萃取 A.1 实验 该单金属水溶液可通过将称重的相应硫酸盐和称重的硫酸钠溶解于去离子水中制备得到。在各溶液中的金属浓度为0.001M，而Fe(III)为0.0015M。所有溶液的硫酸钠浓度均为0.5M。所研究的金属为Co(II)，Ni(II)，Ca(II)，Mg(II)，Mn(II)，Zn(II)，Fe(III)和Cu(II)。
该有机溶液可通过以ISOPAR M稀释剂稀释(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸或CYANEX 272至0.1M的次膦酸制备得到。ISOPAR M是可从Imperial Oil(加拿大)购得的脂族(>99.5％)烃稀释剂。
各种金属在有机和水相之间的平衡分布为pH的函数，其可通过在50℃下在带夹套烧杯中使等体积(300mL)的两相接触并进行机械搅拌混合后测定。通过循环浴将萃取过程中的溶液温度维持在50℃。向水相添加已知体积的氢氧化钠或硫酸来调节pH。在每次pH调节之间均采用15分钟的接触时间。取各个相的样本(15mL)并进行分析。
水提取液样本的平衡pH可通过在室温下以pH1.00(氯化钾-盐酸缓冲液)，4.00(苯二甲酸氢钾缓冲液)，以及7.00(磷酸钾单碱-氢氧化钠缓冲液)缓冲液校正的ROSS联合pH电极进行测定。
所有实验中的水性样本均通过原子吸收光谱(AAS)分析。各个样本有机相中的金属浓度可通过将投料溶液中的初始金属浓度减去提余液浓度后推出。
A.2 结果 除了钴，镍和钙外，本发明还考察了其它金属(即，锌，铁，铜，镁和锰)。然而(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸和CYANEX 272对这些金属并无明显差异，因此它们的数值未在此报道。表2显示了作为pH的函数的(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸和CYANEX 272对钴，钙和镍的萃取数据。表3显示了分别使用(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(“试验”)和CYANEX 272时各个金属的pH50值以及ΔpH50(ΔpH50＝pH50Co-pH50金属)值。pH50值可采用分布比例的对数(log D)作为pH函数作图后确定。分布系数D定义为在有机相中的总金属含量与水相中的金属含量的比例。
该结果揭示了(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸对钴-镍，钴-锌，钴-铁以及钴-钙的选择性。此外，(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸显示的对钴相对钙和镍的选择性远高于CYANEX 272。这种更高的钴-钙选择性可通过减少循环中石膏的形成在溶剂萃取工厂中形成巨大的优势。
表2 CYANEX 272和(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸对钴，镍和钙的萃取
表3.使用(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸和CYANEX272时各个金属的pH50和ΔpH50(ΔpH50＝pH50Co-pH50金属)值
B 部分-钴负载能力和粘度 B.1 钴负载能力的实验 将称重的钴硫酸盐溶于去离子水以制备水溶液。该溶液的金属浓度为40g/L。该有机溶液可通过以ISOPAR M稀释剂将(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸萃取剂或CYANEX 272稀释至0.14M的次膦酸制备得到。ISOPAR M是可从Imperial Oil(加拿大)购得的脂族(>99.5％)烃稀释剂。
钴在有机和水相之间的平衡分布可在50℃下将水体积(250mL)和有机体积(50mL)接触，得到水和有机相比例为5后测定。该两相在带夹套烧杯中接触并以机械搅拌混合。通过循环浴将萃取过程中的溶液温度维持在50℃。向水相添加已知体积的氢氧化钠来调节pH。为确保最大的金属负载需要将6.13±0.03的恒定pH保持15分钟。进行相分离，通过相分离(P/S)纸过滤有机相以确保不存在夹带水。有机相中的金属浓度通过在室温下以100g/L H2SO4洗提同等体积(40mL)的两相后确定。将洗提液收集在样品瓶中。对一份(35mL)洗提的有机相以等体积的新鲜酸(35mL)进行再次洗提。以30mL的洗提有机相和30mL的新鲜酸第3次重复洗提。
这三次洗提液独立放置并以ICP单独分析。将三份洗提液浓度相加得到负载的钴的量。总共进行三次负载试验(试验1，试验2和试验3)。
水相样本的平衡pH可参照上述章节的描述进行测定。
B.2 作为钴负载函数的有机溶液粘度的实验 将称重的钴硫酸盐溶于去离子水以制备水溶液。该溶液中的金属浓度为40g/L。
该有机溶液可通过以ISOPAR M稀释剂将称重的CYANEX272(200克，Lot# WE2060451)或(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基-丁基)次膦酸萃取剂(200克，试验3)稀释至20％(w/w)后制备得到。该溶液被分成两等份以制备不同百分比的钴负载。
钴在有机和水相之间的平衡分布可参照上述章节的描述，但将温度设为室温，水相和有机相的比例改为相等(各相均为500mL体积)后进行测定。为确保最大的金属负载需要分别针对CYANEX272和(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基-丁基)次膦酸萃取剂(试验3)将5.90±0.02和6.05±0.02的恒定pH保持15分钟。分离相，并将有机相3000rpm离心30分钟以确保未夹带水相或沉淀物。
然后通过以不同体积混合100％负载和0％负载制备样本，从而可在不同温度下测定0％，10％，30％，45％，60％，75％，90％和100％钴负载的粘度。
该样本可通过TA Instruments的Ar1000N流变仪进行测试。在10至60℃下90秒的间隔内采用逐步流动法(step flow method)。多数情况下至少每10℃采集数据点。通过Peltier板提供温度控制(+/-0.1℃)。其几何位置包括60mm的锥和2°角的板。我们发现所有的样本均为牛顿流体，即，它们的粘度独立于剪切速率。因此，所报道的在不同温度下的试验均在相同的剪切速率(500/s)下完成。
B.3 结果 测定(2，4，4-三甲基-戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的三个样本(试验1，试验2和试验3)和CYANEX 272的有机相中的计算钴浓度并显示于表4。
该结果提示这两种萃取剂的负载能力略有不同，CYANEX 272比(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸具有略高的最大钴负载能力。
下文的两个表(5和6)显示了(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸和CYANEX 272的粘度。结果显示(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的钴溶液负载变化时，其粘度并未改变太多。另一方面，对于CYANEX 272，样本的钴溶液负载在75，90和100％之间时，其粘度急剧上升。从实际使用的角度看，这意味着(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸可实现100％钴负载，而CYANEX 272的钴负载由于粘度问题的限制被局限在70-75％。
权利要求
1.由式(I)定义的化合物
其中
R1和R2不同，且R1和R2各自独立选自
(a)-CH2-CHR3R4，其中R3为甲基或乙基；而R4为可选地取代的烷基或杂烷基；以及
(b)-CR3(CH2R5)R6，其中
R3为甲基或乙基；且
R5为H或可选地取代的烷基或杂烷基，而R6为可选地取代的烷基或杂烷基；或者
R5，R6及它们连接的乙烯基团形成五或六元的可选地取代的环烷基或杂环烷基环；
且X和Y分别独立为O或S。
2.如权利要求1所述的化合物，其中R1和R2仅包含碳原子和氢原子。
3.如权利要求2所述的化合物，其包含总数介于12和20的碳原子。
4.如权利要求2或3所述的化合物，其中R1和R2各自独立为C5-C16烷基或C5-C16环烷基。
5.如权利要求2所述的化合物，其中R1和R2各自独立为C6-C10烷基。
6.如权利要求2所述的化合物，其中R1和R2各自独立为C8烷基。
7.如权利要求2所述的化合物，其中R1和R2各自独立选自2，4，4-三甲基戊基，1，1，3，3-四甲基-丁基，2-乙基己基以及1-甲基-1-乙基戊基。
8.如权利要求1至7任意一项所述的化合物，其中X和Y均为O。
9.如权利要求1至7任意一项所述的化合物，其中X和Y之一为O，另一个为S。
10.如权利要求1至7任意一项所述的化合物，其中X和Y均为S。
11.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸
12.化合物(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基-己基)次膦酸。
13.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基己基)次膦酸。
14.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)次膦酸。
15.化合物(1-甲基-1-乙基戊基)(2-乙基-己基)次膦酸。
16.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)二硫代次膦酸。
17.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)单硫代次膦酸。
18.化合物(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基-己基)二硫代次膦酸。
19.化合物(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基-己基)单硫代次膦酸。
20.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基-己基)二硫代次膦酸。
21.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基-己基)单硫代次膦酸。
22.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)二硫代次膦酸。
23.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)单硫代次膦酸。
24.化合物(1-甲基-1-乙基戊基)(2-乙基-己基)二硫代次膦酸。
25.化合物(1-甲基-1-乙基戊基)(2-乙基-己基)单硫代次膦酸。
26.式(II)的仲膦的制备方法
其中R1和R2如权利要求1所定义，且R2为-CH2-CHR3R4，其中该方法方法包括在自由基条件下使式R1PH2的伯膦和式CH2＝CR3R4的烯烃进行反应。
27.式(II)的仲膦的制备方法
其中R1和R2如权利要求1所定义，且R2为-CR3(CH2R5)R6，其中该方法包括使式R1PH2的伯膦和式HR5C＝CR3R6的烯烃在酸催化剂的存在下进行反应。
28.如权利要求27所述的方法，其中乙二醇被用作进行该反应的溶剂。
29.如权利要求27或28所述的方法，其中该酸催化剂为甲磺酸。
30.如权利要求27至29任意一项所述的方法，其中该伯膦为(2，4，4-三甲基戊基)膦，而该烯烃为二异丁烯。
31.如权利要求1定义的式(I)的制备方法，该方法包括
(a)参照权利要求26或27所述的方法制备仲膦；并(b)使该仲膦
(i)与氧化剂反应以生成相应的次膦酸；
(ii)与硫反应以生成相应的二硫代次膦酸；或者
(iii)与有限量的氧化剂反应以生成相应的膦氧化物，其随后与硫反应生成相应的单硫代次膦酸。
32.如权利要求31所述的方法，其中该仲膦为参照权利要求18的方法制备的(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基-丁基)膦。
33.如权利要求31或32所述的方法，其中该式(I)的化合物为次膦酸，而该氧化剂为过氧化氢。
34.如权利要求1至25任意一项所述的化合物或其盐作为金属萃取剂的用途。
35.如权利要求1至15任意一项所述的化合物或其盐作为金属萃取剂的用途，其中X和Y均为O且该金属为钴。
36.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)膦。
37.化合物(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基-己基)膦。
38.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基己基)膦。
39.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)膦。
全文摘要
本发明提供了具有以下式(I)的次膦酸及其硫衍生物其中R1和R2不同，且R1和R2各自独立选自在α碳处具有分支的有机基和在β碳处具有分支的有机基，且X和Y分别独立选自O或S，且其中所述化合物在室温下为液体。据发现式(I)的化合物可用于如金属萃取剂等用途。本发明还提供了制备式(I)的化合物及其相应的膦中间体的方法。
文档编号C07F9/00GK101472934SQ200780022303
公开日2009年7月1日 申请日期2007年6月12日 优先权日2006年6月14日
发明者周跃辉, 杰弗里·查尔斯·亨利·戴克, 博班·雅科夫列维奇, 西里尔·克里斯汀·亨利·布尔热, 艾伦·詹姆斯·罗伯逊, 多纳托·努恰罗内 申请人:氰特加拿大有限公司