反应性膦酸酯的制作方法

专利名称：反应性膦酸酯的制作方法
反应性膦酸酯
本发明涉及一类新的膦酸酯化合物。具体是，具有式Y-X-N (W) (ZP03M2)的新反应性膦酸酯化合物，式中的个体结构部分具有如后文 所说明的具体定义的含义。"反应性"部分，Y，优选的代表是C1、 I、 Br、 HS04、 N03、 CH3S03和对甲苯磺酸根合及其混合物，而氮和反应 性部分之间的烃连接X优选是具有3-30个碳原子的烃链或[A-O]x-A， 其中A是CVC6烃链和x是l-100的整数。本文中的新膦酸酯对于"定 制"合成新膦酸酯化合物尤为有益，例如用于多种用途如分散、水处 理、水垢抑制、螯合作用、腐蚀抑制、药物和药物中间体、纺织、去 污剂、二次采油、造纸业、糖和啤酒业、肥料和微量营养素和金属处 理。
膦酸酯化合物是广为人知的，并且己经用于多种用途。因此现有 技术非常多而且多样化。EP 0 401 833公开了含氨基膦酸酯的聚合物， 并且它们用作浓縮含水颗粒浆料的分散剂以及用作腐蚀和水垢抑制 剂。膦酸酯含有烯属不饱和共聚单体并可通过将聚合的反应物与膦酸 酯卤代醇或与膦酸酯环氧化物反应而制备。
US 5,879,445记载了含有至少一个膦酸氨基亚烷基和至少一个聚 垸氧基化链的化合物，用于液化矿物粒子或水硬性粘合剂糊浆的水性 悬浮液。WO 94/08913公开了相当的技术。
US 4,330,487记载了一种制备N,N' -二取代亚甲基膦酸的方法，是 在水性介质中依照Mannich反应，将a,oo-亚垸基二胺与甲醛和亚磷酸 在通常小于1的pH下进行反应。Zaitsev V.N.等，Russian Chemical Bulletin, (1999)， 48(12), 2315-2320,公开了改性的二氧化硅，其含有共 价键合在二氧化硅表面上的氨基膦酸。
5US 4,260,738记述了含有氨基膦酸基团的淀粉醚衍生物，所述基 团即一个或两个阴离子亚甲基膦酸基团，与阳离子氮相连。该淀粉衍 生物据说表现出阳离子或阴离子性质，这些(性质)可通过用氨基膦 酸试剂一起引入选择的基团而提高。该淀粉衍生物在造纸工艺中能够 有利地用作颜料保持助剂。US 4,297,299涉及新的N-(烷基)-N-(2-卤代 乙基)-氨基亚甲基膦酸，其在用于造纸工艺中时，表现出理想的颜料保 持性质。
US 4,707,306公开了a-氨基亚甲基膦酸酯甜菜碱和用其制备的聚 合物。J. Mortier等公开了从有机二氯代硼垸和oc/(3-叠氮基垸基膦酸酯 通过聚硼膦酸酯合成N-烷基/芳基-oc/p-氨基垸基膦酸。
现有技术已经提供了为数有限的膦酸酯化合物，它们对用于范围
更加宽广的已知和新用途的环境下，通常只是勉强合用和适用。
本发明的主要目的是提供新的膦酸酯化合物，其对于多种多样的 应用来说异乎寻常的合用和适用。本发明的另一个目的在于产生适合 以高选择性"定制"合成膦酸酯化合物的许多新的反应性膦酸酯，所 述化合物能够有利地用于已确立的用途和现有用途之外的其它用途。
上述和其它目的现在可以在通过下面详细限定的反应性膦酸酯化 合物的具体定义类别来达到。
本申请中通篇所用的术语"百分比"或"％"除非有不同的定义， 是代表"重量百分比"或"重量％"。术语"膦酸"和"膦酸酯"也当 然可根据介质的优势碱度/酸度条件而互换使用。术语"反应性"膦酸 酯仅仅意在强调所要求保护的膦酸酯化合物用于合成其它膦酸酯的容 易度。现在发现的膦酸化合物本质上含有通过烃连接X与氨基膦酸部分 相连的反应性部分Y。更详细而言，本发明涉及
具有下式的反应性膦酸酯化合物
Y-X誦N(W) (ZPO美)
其中Y选自取代基，所述取代基的共轭酸的pKa等于或小于4.0;
X选自C3-Cs。链状、支化、环状或芳香性的烃链，任选被CrCu 链状、支化、环状或芳香性的基团取代，(该链和/或该基团能够)任 选被OH、 COOH、 F、 OR'和SR'部分取代，其中R'是Q-Cu链状、支 化、环状或芳香性的烃链；和[A-O]x-A其中A是C2-C9链状、支化、 环状或芳香性的烃链并且x是1-200的整数；
条件是当X被OH取代时，这样的部分可以与除了从Y起的第二 个碳原子以外的任何碳原子相连；
Z是Q-C6亚烷基链；
M选自H和d-C2o链状、支化、环状或芳香性的烃链； W选自H、 ZP03Mjn[V-N(K)]nK，其中V选自(^2-(:5()链状、支
化、环状或芳香性的烃链，任选被Crd2链状、支化、环状或芳香性
的基团取代，(该链和/或该基团)任选被OH、 COOH、 F、 OR'或SR' 部分取代，其中R'是Crd2链状、支化、环状或芳香性的烃链；和选 自[A-O]x-A，其中A是C2-C9链状、支化、环状或芳香性的烃链，并且 x是1-200的整数；和
K是ZP03M2或H，和n是0-200的整数；
其中下列化合物除外
氯丙基亚氨基一(亚甲基膦酸。
在优选的实施方式中，pKa等于或小于l.O，且X是具有3-30个 碳原子的烃或者[A-O]x-A，其中A是C2-C6烃链，并且x是1-100的整 数，且W是ZP03M2。
pKa值是公知的变量，其可表达如下 pKa = -log10Ka
7其中Ka代表热力学平衡酸度常数。所有酸物质的PKa值都可从 文献了解，或者，如果需要的话，能够很方便地测定。这些值都列在 例如Handbook of Chemistry and Physics (化学和物理手册)中。
Y优选选自Cl、 Br、 I、 HS04、 N03、 CH3S03和对甲苯磺酸根合 及其混合物。
在X、 R'、 A和V的定义中，CVCy链状或支化烃链优选是具有相
应链长的链状或支化垸烃-二基。环状烃链优选C3-Cu)环烷烃-二基。芳 香性的烃链优选C6-d2-芳烃-二基。当上述烃链被取代时，优选用相应 链长的链状或支化垸基、C3-do环垸基或CVd2-芳基。所有这些基团 均能够进一步用以相应符号列出的基团取代。
更加和特别优选的烷烃部分链长以特定的符号列出。在环己烷-二 基、特别是环己垸-l,4-二基部分的情况下，环状部分更优选环己烷部分。
在可能是亚苯基特别优选1，4-亚苯基的情况下，芳香部分优选亚苯基或苯基。
膦酸酯化合物中的个体基团在优选的方式下，可以有利地选自下 列种类
部分_^_最优选
X C3-C30 C3-C12x-A [A-0]x-A
V C2-C30 C2-C12x-A [A-O]x-A
8其中，X和V二者独立地是:
A C2-C6 C2-C4;和
x 1-100 1-100
Z C广C3 Ci
M H， d-C6 H, C广C4
n 1-100 1-25
在Y代表卤素的情况下，其OH取代基与X中从Y起的第二碳原 子相连的膦酸酯化合物不是本发明意义上的膦酸酯。优选，在Y代表 卣素的情况下，反应性膦酸酯不应带有与X中从Y起的第二、第三或 第四碳原子的任一个相连的OH取代基。
在本发明的优选实施方案中，X是C3-C3o-烃链或[A-O]x-A，前提 条件是在C3—烃链(W)是ZP03M2的情况下。
在本发明的另一个优选实施方案中，X是C3-C3o-烃链或[A-O]x-A， 且(W)是ZP03M2。
在本发明的又一个优选实施方案中，X是[A-O]x-A。
本文中新膦酸酯化合物的制备通常会需要化学合成领域中常规可 用到的一系列各个公知方法。在一种方法中，可以通过将氯代烷基胺 盐酸盐以常规方式，在水性介质中与酸性介质中的亚磷酸和甲醛于通 常50°C - 140°C、优选90°C - 120°C的温度下进行反应，使氯代烷基胺 盐酸盐膦酸化，而制备膦酸酯化合物。反应配对物的使用摩尔比例与 要合成的膦酸酯产物部分的比率一致。在另一种方法中，可通过在pH 6或更低的水性介质中，将相应的醇例如HO-X-N (ZP03M2)2与合适的Y前体例如氢溴酸、盐酸和/或氢碘酸在明显酸性的介质中、于100°0-200°C、优选110°C - 150°C的温度下进行反应，而合成反应性膦酸酯。 反应性膦酸酯化合物也可按照下面的图示，通过包括例如丙烯腈转化 的反应系列而制备
CH2=CH-CN(H) + HC1/H20 — C1-CH2-CH2-C=N (I)
(1) + 112/催化剂一C1-CH2-CH2-CH2-NH2 (C)
(C) + CH20/H3P03/HC1 — Cl-(CH2)rN(CH2P03H2)2(D)。
或者，本文的膦酸酯化合物可以另外按照下列方式来合成 (H) + H+/H20 — HO-CH2-CH2-CN (E)
(E) + H2/催化剂一HO-(CH2) 3-NH2 (F)
(F) + HC1/H20 — (C) — (D)或
(F) + CH20/H3P03/HC1 — HO-(CH2) 3N (CH2P03H2) 2 (G)
(G) + HC1/H20 — (D)。
丙烯腈起始材料可以被能够产生反应性膦酸酯的其它起始材料取 代。例如，这样的膦酸酯可以常规从二氯乙烷和碱性氰化物开始合成。
在另一种方法中，本发明考虑了制造权利要求1的膦酸酯化合物 的方法，其中Y是I或Br，是通过将氯-膦酸酯化合物与含有无机的、 优选碱性金属、碘化物或溴化物盐的水溶液在10°C - 100°C的温度下进 行离子交换，其中离子交换反应介质的酸性pH等于6或更低，优选在 l-4的范围内。
在制造安排中的pH测量在反应介质中于反应温度下测定。
反应产物的回收优选以本身已被本领域技术人员所知的方式进 行。例如，游离膦酸可以通过例如用浓盐酸酸化反应混合物或通过加 入合适的溶剂例如乙醇来沉淀，过滤，清洗和干燥。例如，通过再结 晶或色谱方法，可以实现进一步纯化。本发明的膦酸酯优选用作化学和制药业、纺织业、石油业、造纸 业、糖业、啤酒业、农用化学业的反应中间体并用于农业中。
优选的用途是作为生产分散剂、水处理剂、水垢抑制剂、药物、 去污剂、二次釆油剂、肥料和(植物用)微量营养素的中间体。
本发明的膦酸酯通过后文叙述的各个实施例制备，实施例I-VI， 来说明
L'
260.04 g3-氯丙基胺盐酸盐(2摩尔)溶解在250 ml水中，并与328g 亚磷酸(4摩尔)和295.72 g 37%的HC1水溶液(3摩尔)混合。将混合物边 搅拌边加热到100。C和11(TC之间。在240分钟内加入361.02g 36.6% 的甲醛水溶液(4.4摩尔)，同时将温度保持在104t和llfC之间。在 110°C再继续加热60分钟时间。然后在50 C下，将反应混合物倒入1 升水和200ml乙醇的混合物中。冷却之下，形成白色沉淀，将其通过 过滤分离。干燥后得到414g (73.5%)的白色粉末。对该白色粉末的"P NMR分析显示，存在93.5 %的3-氯丙基亚氨基双(亚甲基膦酸) (CPIBMPA); 2.7%的相应氮杂环丁鎗盐(azetidinium) ; 3.7%的 CPIBMPA羟基同系物和0.1%的亚磷酸。
II:
将3-羟基丙基亚氨基双(亚甲基膦酸)的44.53%水溶液14.76g (0.025摩尔)放在高压玻璃管中，并与9.86g (0.10摩尔)37% HC1水溶液 混合。将管加盖并将混合物在搅拌下加热到120°C -125C之间7小时。 粗反应产物的"PNMR分析显示，存在67%的3-氯丙基亚氨基双(亚甲 基膦酸)，并主要与起始羟基产物平衡。
III:
将3-羟基丙基亚氨基双(亚甲基膦酸)的44.53%水溶液14.76g
11(0.025摩尔)放在高压玻璃管中，并与17.21g(0.10摩尔)47。/。HBr水溶 液混合。将管加盖并将混合物在搅拌下加热到120°C -125°C之间7小 时。粗反应产物的31P NMR分析显示，存在62%的3-溴丙基亚氨基双(亚 甲基膦酸)，并主要与起始羟基产物平衡。
IV:
将3-羟基丙基亚氨基双(亚甲基膦酸)的44.53%水溶液14.76g (0.025摩尔)放在高压玻璃管中，并与22.44g (0.10摩尔)57% HI水溶液 混合。将管加盖并将混合物在搅拌下加热到120°C -125°C之间7小时。 室温下形成黄色沉淀，并通过过滤从水相中分离。清洗和干燥过的沉 淀的31P NMR分析表明，这是3-碘丙基亚氨基双(亚甲基膦酸) (IPBMPA)。产率为70%。
V:
将2-(2-亚氨基双[亚甲基膦酸]乙氧基)乙醇的68.8%水溶液7.32g (0.025摩尔)放在高压玻璃管中，并与9.86g (0.10摩尔)37% HC1水溶液 混合。将管加盖并将混合物在搅拌下加热到120°C -125°C之间7小时。 粗反应产物的31P NMR分析显示，存在69%的2-(2-亚氨基双[亚甲基膦 酸]乙氧基)氯代乙烷，并主要与起始羟基产物平衡。
VI:
将2-(2-亚氨基双[亚甲基膦酸]乙氧基)乙醇的68.8%水溶液7.32g (0.025摩尔)放在高压玻璃管中，并与1721g (0.1摩尔)47% HBr水溶 液混合。将管加盖并将混合物在搅拌下加热到120°C -125 C之间7小 时。粗反应产物的"PNMR分析显示，存在68%的2-(2-亚氨基双[亚甲 基膦酸]乙氧基)溴代乙烷，并主要与起始羟基产物平衡。
氢碘酸对于醚或硫醚键的反应性在本领域中有记载；常规是这样 的，在制备与实施例V-VI的氯代/溴代物类相对应的碘代物类时，需要 利用无机碘与反应产物的卤素交换。
12试验数据说明和阐明了所要求保护的技术的重要方面。I:显示从 相应的氯胺开始形成氯丙基衍生物，收率为73.5%。 II: ， III:和IV: 分别描述了从相应的醇开始制备3-氯、3-溴和3-碘丙基衍生物。考虑
到并非最佳的反应条件，产率在60%-70%的范围内，必须牢记，未 反应部分(副产物)的主要代表是起始醇，其又能够被再循环。V:和 VI:涉及从相应的羟基垸基醚胺开始形成氯代或溴代衍生物。这些产 物的形成产率为68 % - 69 %，而未反应的起始材料构成了大部分副产 物。
权利要求
1.具有下式的反应性膦酸酯化合物Y-X-N(W)(ZPO3M2)其中Y选自取代基，所述取代基的共轭酸的pKa等于或小于4.0；X选自C3-C50链状、支化、环状或芳香性的烃链，任选被C1-C12链状、支化、环状或芳香性的基团取代，(该链和/或该基团能够)任选被OH、COOH、F、OR′和SR′部分取代，其中R′是C1-C12链状、支化、环状或芳香性的烃链；和[A-O]x-A，其中A是C2-C9链状、支化、环状或芳香性的烃链并且x是1-200的整数；条件是当X被OH取代时，这样的部分可以与从Y起的除了第二碳原子以外的任何碳原子相连；Z是C1-C6亚烷基链；M选自H和C1-C20链状、支化、环状或芳香性的烃链；W选自H、ZPO3M2和[V-N(K)]nK，其中V选自C2-C50链状、支化、环状或芳香性的烃链，任选被C1-C12链状、支化、环状或芳香性的基团取代，(该链和/或该基团)任选被OH、COOH、F、OR′或SR′部分取代，其中R′是C1-C12链状、支化、环状或芳香性的烃链；和选自[A-O]x-A，其中A是C2-C9链状、支化、环状或芳香性的烃链，并且x是1-200的整数；和K是ZPO3M2或H，和n是0-200的整数；其中下列化合物除外氯丙基亚氨基一(亚甲基膦酸。
2. 根据权利要求1的膦酸酯化合物，其中pKa等于或小于l.O。
3. 根据权利要求1或2的膦酸酯化合物，其中各个部分的选择如 下X是C3-C3o或[A-0]x-A; V是CVC30或[A-O]x-A，其中对于X和V 二者独立地，A是C2-Q和x是1-100; Z是CpC3; M是H或C广Q; 和n是1-100。
4. 根据权利要求l-3任一项的膦酸酯化合物，其中X是C3-C3o或[A画O]x-A和(W)是ZP03M2。
5. 根据权利要求l-4任一项的膦酸酯化合物，其中Y选自C1、 I、 Br、 HS04、 N03、 CH3S03和对甲苯磺酸根合及其混合物。
6. 根据权利要求1-5任一项的膦酸酯化合物，其中各个部分的选 择如下X是CVCu或[A-O]x-A; V是CVd2或[A-0]x-A，其中对于X和V二者独立地，A是C2-Ct和X是1-100; Z是Q; M是H、 C广C4;和n是1-25。
7. 根据权利要求l-6任一项的膦酸酯化合物，其中X是链状烃链 和x是1-50的整数。
8. 根据权利要求l-7任一项的膦酸酯化合物，其中在Y代表卤素 的情况下，任选的OH取代基与基团x中从Y起除了第二、第三或第 四以外的任何碳原子相连。
9. 制备权利要求1-8任一项的膦酸酯化合物的方法，通过在pH 等于或小于6的水性介质中，将式"卤素-X-NH2"的胺与亚磷酸和甲 醛在50°C- 140°C范围的温度下反应而成，其中卤素代表Cl、 Br或I 和X的含义如权利要求1-8所限定。
10. 制备权利要求l-8任一项的膦酸酯化合物的方法，通过在酸性 pH等于或小于6的水性介质中，将式HO-X-N(ZP03M2)2的化合物与选 自盐酸、氢溴酸和氢碘酸的氢卤酸反应而成，其中X、 Z和M的含义 如权利要求1-8所限定，条件是氢碘酸不能用于X含有醚或硫醚键的 情况下。
11. 根据权利要求10的制备膦酸酯化合物的方法，其中Y是碘化 物或溴化物，通过氯代化合物与含有无机碘化物或溴化物盐的水性溶液在10°C-100°C的温度下进行离子交换，其中离子交换介质的pH为6 或更低。
12. 根据权利要求1-8任一项的膦酸酯化合物作为中间体用于生 产分散剂、水处理剂、水垢抑制剂、药物、去污剂、二次采油剂、肥 料和微量营养素的用途。
全文摘要
本发明公开了与所提出的结构式相应的新的反应性膦酸酯化合物。反应性部分优选选自Cl、I、Br、HSO₄、NO₃、Cl和I的混合物、CH₃SO₃和对甲苯磺酸根合，而氮和反应性部分之间的烃连接基团最优选是具有3-12个碳原子的链状烃链。本文中的新膦酸酯可用于多种已确立的用途，例如去污、水处理、采油、药物中间体和药品。新化合物对于“定制”合成能够达到有利的性能要求的优化结构安排尤为有用。
文档编号C07F9/38GK101589054SQ200780045902
公开日2009年11月25日 申请日期2007年12月11日 优先权日2006年12月11日
发明者帕特里克·P·诺特, 让·H·J·万博瑞恩, 阿尔伯特·德沃 申请人:塞福斯贸易有限公司