專利名稱：制備氨基聚亞烷基膦酸化合物的方法
專利說明制備氨基聚亞烷基膦酸化合物的方法 本發(fā)明涉及在基本上排除氫鹵酸、副產(chǎn)物和中間體的條件下制造氨基聚亞烷基膦酸化合物的方法，特別是制備其中在大部分胺或氨原料中全部可用的N-H官能團(tuán)已經(jīng)被亞烷基膦酸酯化的化合物。更具體地，氨基聚亞烷基膦酸化合物可以有益地通過在pKa等于或小于3.1的酸催化劑存在下，使限定在窄比例范圍的亞磷酸、胺和甲醛反應(yīng)來制造，條件是酸催化劑均勻地加入到反應(yīng)介質(zhì)中。
氨基亞烷基膦酸化合物一般是本技術(shù)領(lǐng)域中早就有的，并且在各種各樣的應(yīng)用中取得廣泛的商業(yè)認(rèn)可，所述應(yīng)用包括水處理、抑制水垢、洗滌劑添加劑、多價螯合劑、海上石油鉆井輔助劑和作為藥品組分。眾所周知，這樣的工業(yè)應(yīng)用較佳地需要其中氨/胺原料中的大部分N-H官能團(tuán)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的亞烷基膦酸的氨基亞烷基膦酸。如所預(yù)料，本領(lǐng)域研究活躍并擁有制造此類化合物的方法。本領(lǐng)域的氨基亞烷基膦酸制造方法的前提是轉(zhuǎn)化從三氯化磷水解得到的亞磷酸或通過添加鹽酸轉(zhuǎn)化亞磷酸，其中的鹽酸可以部分地或全部地采用氫氯化胺的形式加入。
氨基亞烷基膦酸的制造描述在GB1.142.294中。該技術(shù)的前提是專用三鹵化磷，通常是三氯化磷，作為亞磷酸反應(yīng)物來源。該反應(yīng)實際上要求有相當(dāng)大量的水，往往是每一摩爾的三鹵化磷需要多達(dá)7摩爾的水。水用于水解三氯化磷，因而產(chǎn)生亞磷酸和鹽酸。反應(yīng)在30-60℃的中等溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，隨之是在100-120℃的短時加熱步驟，在此過程中甲醛會發(fā)生損失。GB 1.230.121描述了對GB 1.142.294技術(shù)的改進(jìn)，改進(jìn)之處在于可以通過使用三鹵化磷替代亞磷酸在一步法中制備亞烷基聚氨基亞甲基膦酸，因此確保降低經(jīng)濟(jì)成本。氨基亞甲基膦酸的合成由Moedritzer和Irani描述在J.Org.Chem.，第31卷，第1603-1607頁(1966)。實際上揭示了曼尼希(Mannich)型反應(yīng)和其他學(xué)院派理論上的反應(yīng)機(jī)理。最優(yōu)化的曼尼希條件要求低pH值，如使用2-3摩爾濃鹽酸/摩爾氫氯化胺來達(dá)到所述pH值。將甲醛組分在回流溫度下滴加到氨基氫氯酸(aminohydrochloride)、亞磷酸和濃鹽酸的反應(yīng)溶液混合物中。美國專利3,288,846還描述了通過以下方式制備氨基亞烷基膦酸的方法，即形成pH低于4，含胺、有機(jī)羰基化合物(如醛或酮)的含水混合物，并加熱該混合物至高于70℃的溫度，因而形成氨基亞烷基膦酸。該反應(yīng)可以在鹵化物離子存在下進(jìn)行，因此抑制原亞磷酸氧化為正磷酸。WO96/40698是關(guān)于通過同時將水、亞氨基二乙酸、甲醛、亞磷酸和一種強(qiáng)酸的來源注入反應(yīng)混合物中來制造N-膦酰基甲基亞氨基二乙酸。亞磷酸和強(qiáng)酸的來源可由三氯化磷為代表。
此外，多個作者說明并強(qiáng)調(diào)了三氯化磷在氨基聚亞烷基膦酸制備中的應(yīng)用，比如Long等人和Tang等人分別在Huaxue Yu Nianhe，1993(1)，第27-9頁和1993 34(3)，第111-14頁中說明的。類似的技術(shù)也可參見匈牙利專利申請36825和匈牙利專利199488。EP125766類似地描述了此類化合物在鹽酸存在下的合成；順此線索，JP57075990建議從亞磷酸開始，使其與胺在濃鹽酸存在下進(jìn)行反應(yīng)來制備這類化合物。
日本專利申請57075990描述了制備四(膦?；谆?二氨基烷烴的方法，即，使甲醛與二氨基烷烴和亞磷酸在大量濃鹽酸存在下反應(yīng)。
本發(fā)明的一個主要目的是提供一種在基本上沒有氫鹵酸(特別是鹽酸)、副產(chǎn)物和中間體的情況下制備氨基聚亞烷基膦酸(AAP)的方法。本發(fā)明的另一目的是關(guān)于從氨或胺原料開始制備氨基亞烷基膦酸，由此，將全部的可用N-H官能團(tuán)大部分地轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的亞烷基膦酸衍生物。具體地，在50％或50％以上的胺/氨原料中的所有N-H官能團(tuán)通過反應(yīng)產(chǎn)生亞烷基膦酸衍生物。以相對于其中所有的N-H官能團(tuán)都已經(jīng)轉(zhuǎn)化為亞烷基膦酸(100％)的胺原料表示，不超過60％，較佳地不超過40％的已經(jīng)反應(yīng)的胺原料帶有至少一個沒有轉(zhuǎn)化為亞烷基膦酸衍生物的N-H官能團(tuán)。本發(fā)明的另一目的是在AAP制備過程中更有效地使用甲醛反應(yīng)物，該甲醛反應(yīng)物可能具有在甲醛蒸餾物中存在氫鹵酸的缺點。本發(fā)明的再一個目的是提供制備AAP的方法，從而最大限度地減少亞磷酸氧化為磷酸。本發(fā)明的又一目的在于制備AAP，由此基本上完全消除向大氣中排放對環(huán)境較為不利的副產(chǎn)物如氯甲烷，或者通過例如熱氧化減少這種副產(chǎn)物。本發(fā)明的又一目的是建立一種不會受到嚴(yán)重腐蝕問題影響的AAP制造技術(shù)。本發(fā)明的再一個目的是提供有效的非資本密集型AAP制造技術(shù)。本發(fā)明的另一目的是生成用于在基本上沒有氫鹵酸或其前體的情況下制造AAP的酸催化劑。以上及其他目的可以通過下述本發(fā)明的技術(shù)得到實現(xiàn)。
如無不同的定義，“百分?jǐn)?shù)”或“％”在下文中表示“重量百分?jǐn)?shù)”。術(shù)語“膦酸”和“膦酸酯”在整個的說明書和權(quán)利要求書中可互換使用?！皻浠蹃喭榛⑺帷敝械男g(shù)語“聚”指化合物中存在至少兩個亞烷基膦酸部分。反應(yīng)物名稱“亞磷酸”包含了各個反應(yīng)物本身和其前體。術(shù)語“胺”包含了胺本身和氨。術(shù)語“甲醛”可以互換地指指醛類和酮類，狹義的(sensu stricto)指甲醛。以亞磷酸組分為 業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在存在不超過0.4％(相對以亞磷酸組分為100％表示)氫鹵酸的情況下，通過使以下組分反應(yīng)，適宜制備氨基聚亞烷基膦酸化合物，從而在50％或50％以上的胺原料中所有可用的N-H官能團(tuán)轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的亞烷基膦酸 (a)亞磷酸； (b)胺；和 (c)甲醛； 反應(yīng)物的比例如下 (c)∶(a)為5∶1至0.25∶1； (a)∶(b)為0.05∶1至2∶1；和 (c)∶(b)為0.05∶1至5∶1； 其中，(a)和(c)表示要使用的摩爾數(shù)，而(b)表示乘以胺中的N-H官能團(tuán)數(shù)的摩爾數(shù)，反應(yīng)是在pKa等于或小于3.1的酸催化劑存在下進(jìn)行，所述酸催化劑(d)相對于反應(yīng)介質(zhì)而言為均相的，并且在反應(yīng)物中所用比例如下 (b)∶(d)為40∶1至1∶5； 其中，(d)表示乘以每摩爾催化劑中可用的質(zhì)子數(shù)的催化劑摩爾數(shù)，隨后按照本身已知的方式回收形成的氨基聚亞烷基膦酸。
在優(yōu)選的實施方案中，反應(yīng)物比例如下 (a)∶(b)為0.1∶1至1.5∶1， (c)∶(b)為0.2∶1至2∶1，和 (c)∶(a)為3∶1至0.5∶1。
在特別有用的實施方案中，反應(yīng)物比例定義在以下的窄范圍內(nèi) (a)∶(b)為0.4∶1至1.0∶1.0， (c)∶(b)為0.4∶1至1.5∶1，和 (c)∶(a)為2∶1至1.0∶1。
可以直接使用亞磷酸組分，也可以以其磷氧化物的形式進(jìn)入反應(yīng)。亞磷酸和其相應(yīng)的磷氧化物可以得自于任何適當(dāng)?shù)那绑w，包括天然存在的含磷巖石，其可以按照已知的方式轉(zhuǎn)化成單質(zhì)磷，隨后氧化成磷氧化物和可能為亞磷酸。亞磷酸反應(yīng)物還可以從水解PCl3開始、并通過消除源自水解過程的鹽酸及其他氯化物中間物來純化如此得到的亞磷酸進(jìn)行制備。
在此，該方法可以在以相對于亞磷酸組分(100％)表示的不超過0.4％，較佳地是2000ppm或更低，更佳地是200ppm或更低的鹽酸存在下進(jìn)行。
盡管知道用直接氧化單質(zhì)磷、然后將所得磷氧化物進(jìn)行水解的方式制備亞磷酸是困難的，但在這方面有各種各樣的技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上是可以接受的。加拿大專利申請2.070.949公布了一種制造亞磷酸或其相應(yīng)的P2O3氧化物的方法，做法是將氣態(tài)的磷和水蒸汽引入處于1500°K至2500°K范圍溫度的氣體等離子體反應(yīng)區(qū)，以進(jìn)行向P2O3的轉(zhuǎn)化，隨后迅速地用水將處于1500°K以上溫度的氧化磷(phosphorus oxides)驟冷至低于1100°K的溫度，產(chǎn)生高純度亞磷酸。在另一途徑中，磷(I)和磷(III)的氧化物可以依照US6,440,380的描述通過催化還原磷(V)的氧化物來制備。這些氧化物可以水解產(chǎn)生亞磷酸。EP-A-1.008.552揭示了一種在醇存在下氧化單質(zhì)磷，產(chǎn)生P(III)和P(V)的酯、然后選擇性水解亞磷酸酯生成亞磷酸來制備亞磷酸的方法。WO99/43612描述了一種高選擇性地制備P(III)含氧酸的催化方法。關(guān)于單質(zhì)磷催化氧化成三價磷氧化態(tài)的方法也可參見美國專利6,476,256和US6,238,637。
在另一途徑中，亞磷酸可以有益地通過使三氯化磷與羧酸或磺酸或醇的試劑反應(yīng)來制備。在酸試劑或者氯化物(例如由三氯化磷與相應(yīng)的醇的反應(yīng)產(chǎn)生的烷基氯)的情況，三氯化磷與試劑反應(yīng)生成亞磷酸和酰氯。含氯產(chǎn)物，例如烷基氯和/或酰氯，可以方便地通過本技術(shù)領(lǐng)域中熟知的方法例如通過蒸餾與亞磷酸分離。盡管這樣制造的亞磷酸可以直接用在本發(fā)明權(quán)利要求書的方案中，但是，可能理想的并且常常是優(yōu)選的做法是通過以下方法對所形成的亞磷酸進(jìn)行純化，所述方法是基本上清除或減少含氯產(chǎn)物和未反應(yīng)原料的含量。這樣的純化為大家所熟知，并且在相關(guān)制造技術(shù)領(lǐng)域中是相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的。此類技術(shù)的適當(dāng)例子包括將有機(jī)雜質(zhì)選擇吸附在活性炭上或利用水相分離來分離亞磷酸組分。有關(guān)三氯化磷與試劑如羧酸或醇反應(yīng)的信息可以參見Kirk-Othmer的化學(xué)技術(shù)百科全書(Encyclopedia of Chemical Technology)，亞磷化合物一章，2000年12月4日，John Wiley Sons Inc.出版。
在優(yōu)選的實施方案中，在本發(fā)明方法中使用的亞磷酸反應(yīng)物是在基本上排除鹵素的情況下制備的物質(zhì)。在本技術(shù)領(lǐng)域中，這樣的在排除鹵素條件下制備亞磷酸的方法為人們所熟知。以下歸納了可用于制備這樣的亞磷酸反應(yīng)物的方法的具體例子。
在一個方法(i)中，亞磷酸可以采用以下方式制備使單質(zhì)磷，較佳地為四磷與水接觸，該接觸在低于200℃溫度，在可有效促進(jìn)磷通過與水反應(yīng)而發(fā)生氧化的催化劑，如貴金屬催化劑(例如Pd)存在下進(jìn)行，從而高選擇性地產(chǎn)生亞磷酸。這個方法的描述參見美國專利US 6,238,637B1。基本上等同的內(nèi)容可以參見WO99/43612和US6,476,256B1。在另一途徑(ii)中，占主導(dǎo)的P(III)物質(zhì)，如亞磷酸可以通過使P(V)物質(zhì)與還原劑例如氫在還原催化劑存在下接觸來制備。這個方法的詳細(xì)描述參見美國專利US 6,440,380B1。在又一個方法(iii)中，亞磷酸可以通過選擇地水解亞磷酸酯來制造。包括亞磷酸酯和磷酸酯的水解進(jìn)料混合物與液態(tài)水和水蒸汽接觸，將亞磷酸酯選擇性地水解為亞磷酸。EP1.008.552A1給出了實現(xiàn)該技術(shù)的說明。
主要的胺組分可以廣義地由傳統(tǒng)的含氮反應(yīng)物表示。更具體地，胺組分可以選自下組 -氨； -伯胺和仲胺，各含有具有1至100個碳原子，較佳地為1至50個碳原子的烴基，所述烴部分是直鏈或支鏈烷基部分、或環(huán)烷基部分、或芳基或多芳香基部分、或它們的組合； -多胺；和 -伯胺、仲胺和多胺，其含有烷氧基化或硫代烷氧基化的基團(tuán)和/或官能團(tuán)，其包括官能化的甲硅烷基基團(tuán)如三烷基甲硅烷基、羥基、羧酸或磺酸或此類酸的酯或它們的組合。
烷基胺的具體例子是甲胺、乙胺、丁胺、辛胺、癸胺、十二烷胺、十八烷胺、二甲胺、二乙胺、二丁胺、萘胺、芐胺、苯胺和環(huán)己胺。也可以使用含有取代的烷基的脂族伯胺或脂族仲胺。
合適的多胺包括1，2-乙二胺、二亞乙基三胺、三亞乙基四胺、二(亞丙基)亞乙基四胺、二(1，6-亞己基)三胺、1，6-己二胺、和聚合物胺比如聚乙烯亞胺和聚烯丙基胺。
盡管可以游離形式使用胺，但常常優(yōu)選使用其鹽，如硫酸鹽。
主要的甲醛組分是眾所周知的商品成分。甲醛sensu stricto稱作具有式CH2O的甲醛(oxymethylene)，其以含有數(shù)量不定，但通常為較少量，例如0.3-3％的甲醇的水溶液形式制備和銷售，其中甲醇的含量通常以37％甲醛為基準(zhǔn)報道，雖然可以采用不同的濃度。甲醛溶液以低聚物的混合物存在。這種甲醛前體可以由例如低聚甲醛來表示，所述低聚甲醛是一種鏈長通常相當(dāng)短(n＝8-100)的線型聚(甲醛二醇)和分別用術(shù)語三噁烷和四噁烷表示的甲醛的環(huán)狀三聚體和四聚體的固體混合物。
甲醛組分還可以由通式R1R2C＝O的醛和酮表示，其中R1和R2可以相同或相異，選自氫和有機(jī)基團(tuán)。當(dāng)R1是氫時，該物質(zhì)是醛。當(dāng)R1和R2都是有機(jī)基團(tuán)時，該物質(zhì)是酮。除甲醛之外，可用的醛類物質(zhì)是乙醛、已醛、煙堿醛、巴豆醛、戊二醛、對甲苯甲醛、苯甲醛、萘甲醛和3-氨基苯甲醛。在此可用的適當(dāng)?shù)耐愇镔|(zhì)是丙酮、甲乙酮、2-戊酮、二丙基甲酮、苯乙酮和2-丙酮基環(huán)己酮。
本文的技術(shù)要求存在酸催化劑，該酸催化劑的pKa等于或小于3.1，優(yōu)選等于或小于2.75，最優(yōu)選等于或小于1.9，特別是小于1.9，所述催化劑與反應(yīng)介質(zhì)是均相相容的。pKa值是已知的變量，可表示如下 pKa＝-log10Ka 該式中，Ka代表熱動力學(xué)平衡酸度常數(shù)。
實際上所有酸物質(zhì)的pKa值都可以從文獻(xiàn)中獲知，或者如果需要的話也可以方便地測定。均相催化劑是適合于在反應(yīng)條件下在反應(yīng)介質(zhì)內(nèi)形成單一液相的催化劑。應(yīng)理解，不溶于反應(yīng)介質(zhì)或與反應(yīng)介質(zhì)不混溶，并因此在環(huán)境條件如20℃時為非均相的催化劑在如反應(yīng)溫度時成為可混溶或溶解的，因此可看作是“均相”的。酸催化劑可以通過已知的技術(shù)從反應(yīng)介質(zhì)中回收，已知的技術(shù)例如，不溶酸的過濾、不混溶酸的相分離，或者通過其它常規(guī)可采用的技術(shù)，如離子交換、納米過濾或電滲析。酸催化劑的均相特性通常可以通過如對沉淀或相分離性質(zhì)的可視檢測來確定。
在反應(yīng)混合物中，酸催化劑的用量比例為如下(b)∶(d)在40∶1至1∶5范圍，優(yōu)選20∶1至1∶3，最優(yōu)選10∶1至1∶2。在此方面，(b)代表乘以胺中N-H官能團(tuán)數(shù)的胺的摩爾數(shù)；(d)表示為乘以每摩爾催化劑可利用的質(zhì)子數(shù)的酸催化劑摩爾酸。適用于此的酸催化劑的種類可以由以下物質(zhì)代表，如硫酸、亞硫酸、三氟乙酸、三氟甲磺酸、甲磺酸、草酸、對甲苯磺酸和萘磺酸。還可以使用多種酸催化劑的混合物。
根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)可以按照本領(lǐng)域公知方式進(jìn)行。如試驗展示中廣義圖示的，該方法可以通過混合主要的反應(yīng)物并加熱反應(yīng)混合物至通常在45-200℃范圍的溫度，如果升高壓力則可以在更高溫度，更優(yōu)選70-150℃下進(jìn)行。上限溫度實際的目的是要防止亞磷酸反應(yīng)物發(fā)生任何明顯不適當(dāng)?shù)臒岱纸?。?yīng)理解并了解的是，亞磷酸反應(yīng)物和更一般而言任何其它單獨(dú)反應(yīng)物的分解溫度可能視另外的物理參數(shù)，例如壓力和反應(yīng)混合物中共反應(yīng)物的定性和定量的參數(shù)而變化。
本發(fā)明的反應(yīng)可以在環(huán)境壓力下進(jìn)行，并依據(jù)反應(yīng)溫度，在蒸餾水條件下進(jìn)行，因而還可以消除最少量的未反應(yīng)的甲醛。反應(yīng)持續(xù)的時間可以從實際上的瞬間如1分鐘到延長的時間如4小時內(nèi)變化。該持續(xù)時間通常包括在反應(yīng)期間逐步添加甲醛和可能的其它反應(yīng)物。在一種提議的方法中，在反應(yīng)器中加入亞磷酸、胺和酸催化劑，然后在例如處于70℃至150℃范圍內(nèi)的溫度開始逐步加入甲醛組分下加熱該混合物。該反應(yīng)可以在環(huán)境壓力下進(jìn)行，通常還蒸餾水和一些未反應(yīng)的甲醛，或不進(jìn)行蒸餾。
在另一種操作過程中，反應(yīng)可以在處于所積聚的自生壓力下的密閉容器中進(jìn)行。這種方法中，開始時將反應(yīng)物全部或一部分加入反應(yīng)器。在部分反應(yīng)物混合物的情況下，一旦達(dá)到有效的反應(yīng)溫度，其余的反應(yīng)物可以單獨(dú)或者與任何一種或多種其它的反應(yīng)物一起逐步加入。在實施例所示的有效反應(yīng)期間，將甲醛單獨(dú)或者與其它反應(yīng)物的混合物逐步加入。甲醛反應(yīng)物例如可以在反應(yīng)期間單獨(dú)或者與部分的胺或亞磷酸或酸催化劑一起逐步加入。
在又一種操作過程中，反應(yīng)可以在同時設(shè)置蒸餾和壓力的條件下進(jìn)行。具體而言，將含反應(yīng)混合物的反應(yīng)器保持在環(huán)境壓力和選定的反應(yīng)溫度下。然后，該混合物可以連續(xù)地循環(huán)通過在所積聚的自生壓力(高壓釜原理)下操作的反應(yīng)器，因而可以根據(jù)需要逐步添加甲醛或另外的反應(yīng)物。反應(yīng)在壓力下基本上完成，然后反應(yīng)混合物離開該密閉的反應(yīng)器，并再循環(huán)到反應(yīng)器，此時依據(jù)反應(yīng)變量(特別是溫度)可以進(jìn)行水和其它未反應(yīng)組分的蒸餾。
因此，前述的過程變量顯示，該反應(yīng)可以通過各種基本上互補(bǔ)的排列過程進(jìn)行，因此，反應(yīng)可以按間歇式過程進(jìn)行，通過在以下條件下加熱起始反應(yīng)物，通常是亞磷酸、胺和酸催化劑至優(yōu)選在70-150℃范圍的溫度，所述條件如下(1)在自形成壓力的密閉容器中，或(2)在回流條件下，或(3)在蒸餾水和少量未反應(yīng)甲醛的條件下，這樣就可以如實施例中所示在反應(yīng)期間逐步加入甲醛組分。在特別優(yōu)選的實施方式中，反應(yīng)在100-150℃溫度的密閉容器中進(jìn)行，同時逐步添加甲醛，添加時間為1-30分鐘，在更優(yōu)選的實施方式中為1-10分鐘。
另一種途徑中，反應(yīng)以連續(xù)方式，可能在自發(fā)壓力下進(jìn)行，因而反應(yīng)物可以連續(xù)注入到反應(yīng)混合物中，優(yōu)選在70-150℃的溫度下，并且可以以連續(xù)方式回收膦酸反應(yīng)產(chǎn)物。
在又一種方式中，所述方法可以為半連續(xù)方式，因而膦酸反應(yīng)可以連續(xù)進(jìn)行，而部分組分之間的初步反應(yīng)可以以間歇方式進(jìn)行。
以下實施例對權(quán)利要求書中的技術(shù)方案加以說明和并便于理解。
實施例1 氨基三亞甲基膦酸(ATMP)是通過在甲磺酸催化劑存在下使亞磷酸、氨和甲醛反應(yīng)制備的。各組分按以下所列的比例使用。

首先，在反應(yīng)器中加入亞磷酸，然后加入水、甲磺酸和氨。然后加熱該反應(yīng)混合物至105℃，在此溫度下開始逐步加入甲醛。在2小時內(nèi)加入甲醛，添加甲醛之后，該反應(yīng)在回流條件下再持續(xù)2小時。
反應(yīng)產(chǎn)物采用31P-NMR分光鏡法進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)形成ATMP的產(chǎn)率為59.1％。
采用實施例1提出的方法，進(jìn)行另外的ATMP制備，并按照實施例1進(jìn)行反應(yīng)，只是使用以下量的甲磺酸催化劑。

形成的反應(yīng)產(chǎn)物按照實施例1所述進(jìn)行分析，顯示ATMP產(chǎn)率在實施例2中為76.8％，在實施例3中為72.7％。
這些實施例(1-3)證明了本發(fā)明技術(shù)的未預(yù)期到的益處，并顯示與本領(lǐng)域使用PCl3的路線相比，本發(fā)明的氨基多亞甲基膦酸可以在排除氫鹵酸反應(yīng)物條件下、在短周期時間內(nèi)、以高產(chǎn)率制備。發(fā)現(xiàn)在實施例1中，除了含有59.1％ATMP外，還含有15.9％N-甲基亞氨基二(亞甲基膦酸)(N-MelBMPA)和16.5％亞磷酸。實施例2除含有76.8％ATMP，還含有6.8％N-MelBMPA和9％亞磷酸。實施例3除了含有較高量的ATMP外，還含有8.3％N-MelBMPA和12％亞磷酸。對這三個實施例，一步法反應(yīng)都可以在約4小時內(nèi)完成，與之相比，由三氯化磷開始的多步法一般要持續(xù)6小時以上。
因此，采用按照實施例1的方法制備ATMP樣品，不同之處是，該反應(yīng)在反應(yīng)溫度下在連續(xù)蒸餾條件下進(jìn)行。在實施例4-8中，除了催化劑和添加的水外，按照以下的同樣比例使用各反應(yīng)物
甲磺酸和添加的水的用量如下。

反應(yīng)物按照實施例1中所述的順序加入。于105℃開始，實施例4中在3小時內(nèi)，實施例5-8中在1.5小時內(nèi)加入甲醛。這些實施例都在連續(xù)蒸餾水的條件下，在反應(yīng)溫度進(jìn)行制備，因而也消除了少量的未反應(yīng)的甲醛。按照實施例1對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分析。分析結(jié)果如下。

這些結(jié)果說明了歸屬于本發(fā)明技術(shù)所顯示的不尋常的益處，特別是，在基本排除歸屬于鹽酸技術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)的負(fù)面影響條件下，以短時一步反應(yīng)周期，高產(chǎn)率地形成氨基聚亞烷基膦酸。特別值得注目的是，餾出物不需要進(jìn)行存在鹽酸時所需要的額外純化步驟，可以循環(huán)/使用。特別引起注意的是基本上不存在氯代甲烷，尤其在氣態(tài)副產(chǎn)物中。
其它的氨基聚亞烷基膦酸按照實施例4-8中所述進(jìn)行，但是具體如下。在實施例9、11-13中使用以下相同量的所列組分。

催化劑種類和量以及水的加入量選擇如下。

反應(yīng)物按照實施例1的順序加入。在105℃開始加入甲醛，在連續(xù)蒸餾條件下，在反應(yīng)溫度下持續(xù)以下時間 1.5小時-實施例9和11， 3小時-實施例12和13。
反應(yīng)產(chǎn)物按照實施例1所述進(jìn)行分析，該反應(yīng)產(chǎn)物包含以下量的所列產(chǎn)物。

按照實施例1，制備氨基聚亞甲基膦酸，具有以下組成。

所用催化劑的種類和量如下
按照實施例1的順序加入反應(yīng)物。從105℃開始加入甲醛，在按照實施例9，10-13的連續(xù)蒸餾條件下，持續(xù)以下時間 3小時-實施例16和17； -2小時-實施例15。
反應(yīng)產(chǎn)物按照實施例1所述進(jìn)行分析，該產(chǎn)物含有以下磷酸酯組分。

實施例18，20和21中，亞乙基二氨基四(亞甲基膦酸)(EDTMPA)是按照實施例1所示使以下所列的組分以相同量反應(yīng)來制備。

催化劑-按照所列的量使用單獨(dú)的甲磺酸或其與硫酸的組合。

按照實施例1加入各組分，實施例18中，在蒸餾條件下從105℃開始加入甲醛，持續(xù)4小時。實施例20中，90％的1，2-乙二胺與甲醛一起從105℃開始加入，在蒸餾條件下持續(xù)4小時。在實施例21中，90％的1，2-乙二胺與甲醛一起從105℃開始加入，在蒸餾條件下持續(xù)4小時20分鐘。
按照實施例1所述對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)含有以下組分
(z)＝亞乙基二氨基二亞甲基膦酸和亞乙基二氨基三亞甲基膦酸之和。
在實施例22-24，制備二亞乙基三氨基五(亞甲基膦酸)-DTPMP，按照實施例1所示使所列組分按以下比例反應(yīng)。

甲磺酸催化劑的用量如下所列。

(c)＝比較例 按照實施例1的順序加入反應(yīng)物。在實施例22中，在蒸餾條件下，從105℃開始加入甲醛，持續(xù)3小時。實施例23與實施例22相同，只是添加甲醛持續(xù)的時間為2小時40分鐘。實施例24按照實施例23進(jìn)行制備，只是將10％二亞乙基三胺與其它組分一起加入，而90％的所述三胺與甲醛一起在4小時20分鐘時間內(nèi)加入。
反應(yīng)產(chǎn)物按照實施例1所述進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)物含有以下化合物。

比較例22中的反應(yīng)產(chǎn)物含有86％磷酸但不含DTPMP。
實施例25-30中氨基亞烷基膦酸的制備是在密閉容器內(nèi)，在自形成壓力的條件下，采用實施例1列出的操作順序，使所列量的組分進(jìn)行反應(yīng)。

使用以下所列量的甲磺酸催化劑。

按照實施例1所述引入反應(yīng)物。在實施例25中，10％的二亞乙基三胺組分與其它組分一起加入，而90％的所述三氨基物質(zhì)與甲醛一起，從115℃開始加入，持續(xù)3小時。實施例26的制備過程與實施例25相同，只是甲醛/三胺的加入時間為1小時30分鐘。在實施例27中，40％二亞乙基三胺與其它組分一起加入，而60％的所述三氨基組分與甲醛一起從125℃開始加入，持續(xù)30分鐘。實施例28的操作順序與實施例27相同，只是甲醛-三胺組分的添加時間需要4分鐘。實施例29的制備方式與實施例28相同，只是甲醛-三胺組分的添加時間需要30分鐘。實施例30的制備順序與實施例28相同，只是甲醛-三胺組分的添加時間需要3分鐘。
反應(yīng)產(chǎn)物按照實施例1所述進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)物含有以下組分。

實施例31(c) 制備比較的氨基聚亞甲基膦酸化合物，具體是，按照實施例1，使以下所列量的組分反應(yīng)。

在蒸餾條件下，從105℃開始加入甲醛，持續(xù)時間為4小時。
按實施例1所述分析反應(yīng)產(chǎn)物，其含有0.4％-EDTMPA，3.7％亞磷酸和58.1％磷酸。
實施例32 制備氨基聚亞甲基膦酸化合物，具體是在密閉容器內(nèi)，在積聚的自生壓力下，按照實施例1的方式使所列組分進(jìn)行反應(yīng)。

氨(32％溶液)9.56 0.18 甲醛(36.6％溶液)46.470.567 10％的氨與其它組分一起加入，而剩余的90％的氨與甲醛一起，從105℃開始加入，持續(xù)3小時。
反應(yīng)產(chǎn)物按照實施例1所述進(jìn)行分析，該產(chǎn)物含有以下化合物。
％-ATMP 55.3 ％-N-MelBMPA4.6 ％-亞磷酸 17.5 在實施例33-46中制備另外的氨基聚亞甲基膦酸，具體是，在密閉容器內(nèi)，在自形成壓力的條件下，按照實施例1所示，使所列組分按以下比例反應(yīng)。

各實施例中甲醛/氨的添加方式如下。


反應(yīng)產(chǎn)物按照實施例1所述進(jìn)行分析，所述產(chǎn)含有以下膦酸酯化合物。

在實施例47-59中制備一系列的氨基聚亞甲基膦酸化合物，具體是在密閉容器內(nèi)，在自形成壓力的條件下，使用實施例1的方法，但有以下具體變化。


使用的酸催化劑種類和比例如下
該反應(yīng)按照實施例1的操作順序進(jìn)行，但改變的條件如下。

反應(yīng)產(chǎn)物按照實施例1所述進(jìn)行分析，表明存在以下膦酸酯化合物。


如實施例47中所用的丙二酸催化劑在溫度超過約125℃的反應(yīng)期間可以分解為pKa為4.75的乙酸和CO2。因此，雖然膦酸產(chǎn)率在下限邊緣，這種不充分性的主要原因是丙二酸催化劑在反應(yīng)溫度下熱穩(wěn)定性有限。
在實施例60中制備EDTM-膦酸，具體是，按照實施例1所示的順序，使所列組分按照以下比例反應(yīng)。

反應(yīng)開始時，加入包含20％胺的反應(yīng)物，在反應(yīng)期間，剩余80％的胺與甲醛從130℃開始加入，持續(xù)30分鐘。
反應(yīng)產(chǎn)物按照實施例1所示進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)物含有以下化合物。

該結(jié)果說明必要的酸催化劑參數(shù)的重要性。還值得注意的是，優(yōu)選酸催化劑量有效提高了亞磷酸向膦酸的轉(zhuǎn)化率，因而同時(并且較好)地抑制了亞磷酸氧化成為磷酸。
實施例61中制備DTPMP產(chǎn)物作為比較，該產(chǎn)物是通過按實施例1所示，使所列反應(yīng)物按以下所列的量反應(yīng)制得。

在反應(yīng)開始時，加入包含40％胺的反應(yīng)物，反應(yīng)于130℃開始，在反應(yīng)期間將剩余60％的胺與甲醛一起加入，添加時間為30分鐘。
反應(yīng)產(chǎn)物按照實施例1所述進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)物含有以下化合物。

以上數(shù)據(jù)證明，需要使用必要的酸催化劑。如所述的，需要最少量的酸催化劑來確保形成可接受量的氨基聚亞烷基膦酸。
實施例62-64中制備了另外的氨基三亞甲基膦酸化合物，具體是使所列組分按以下比例，采用實施例1所示的順序進(jìn)行反應(yīng)。

使用以下比例的酸催化劑。

室溫下，開始時在反應(yīng)器中加入除甲醛外的反應(yīng)物。然后，加熱該反應(yīng)混合物至125℃，在此溫度下，開始逐步添加甲醛，持續(xù)30分鐘。該反應(yīng)在密閉容器內(nèi)，于自形成的壓力下進(jìn)行。
反應(yīng)產(chǎn)物采用實施例1的方法進(jìn)行分析，表明形成以下化合物。


上述結(jié)果證明歸屬于所要求的技術(shù)的益處，特別是與常規(guī)制備方法相比能在短時內(nèi)獲得高產(chǎn)率，進(jìn)一步的調(diào)查表明，鑒于有相當(dāng)大量的未反應(yīng)的亞磷酸存在，仍然有充分的余地來使所述方法達(dá)到最優(yōu)化。
權(quán)利要求
1.一種在以相對于以亞磷酸組分為100％為基準(zhǔn)計的不超過0.4重量％氫鹵酸存在下制備氨基聚亞烷基膦酸的方法，由該方法，通過以下組分按照以下比例進(jìn)行反應(yīng)，使大于或等于50％的胺原料中的所有可利用的N-H官能團(tuán)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的亞烷基膦酸
(a)亞磷酸
(b)胺；和
(c)甲醛；
反應(yīng)物的比例如下
(a)∶(b)為0.05∶1至2∶1；
(c)∶(b)為0.05∶1至5∶1；
(c)∶(a)為5∶1至0.25∶1；
其中，(a)和(c)表示要使用的摩爾數(shù)，而(b)表示乘以胺中的N-H官能團(tuán)數(shù)的摩爾數(shù)，所述反應(yīng)是在pKa等于或小于3.1的酸催化劑存在下進(jìn)行，所述酸催化劑(d)相對于反應(yīng)介質(zhì)是均相的，并且在反應(yīng)物中所用比例如下
(b)∶(d)為40∶1至1∶5；
其中，(d)表示乘以每摩爾催化劑中可用的質(zhì)子數(shù)的催化劑摩爾數(shù)，隨后按照本身已知的方式回收形成的氨基聚亞烷基膦酸。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)物的比例如下
(a)∶(b)為0.1∶1至1.50∶1；
(c)∶(b)為0.2∶1至2∶1；和
(c)∶(a)為3∶1至0.5∶1。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸催化劑按照(b)∶(d)為20∶1至1∶3的比例范圍使用。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)在45-200℃范圍的溫度下進(jìn)行。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸催化劑選自下組硫酸、亞硫酸、三氟乙酸、三氟甲磺酸、甲磺酸、草酸、丙二酸、對甲苯磺酸和萘磺酸，以及它們的混合物。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)物的比例如下
(a)∶(b)為0.4∶1至1.0∶1.0；
(c)∶(b)為0.4∶1至1.5∶1；和
(c)∶(a)為2∶1至1.0∶1。
7.如權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述酸催化劑按照(b)∶(d)比例的用量在10∶1至1∶2范圍。
8.如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)在70-150℃的溫度范圍，結(jié)合選自以下的一種途徑進(jìn)行
-在環(huán)境壓力下，在蒸餾水和未反應(yīng)的甲醛條件下或不進(jìn)行蒸餾的條件下進(jìn)行該反應(yīng)；
-在密閉容器內(nèi)，在積聚的自生壓力下進(jìn)行反應(yīng)；
-在蒸餾和加壓的組合裝置中，使含反應(yīng)混合物的反應(yīng)器保持在環(huán)境壓力和反應(yīng)溫度下，然后將反應(yīng)混合物循環(huán)通過在積聚的自生壓力下操作的反應(yīng)器，繼而逐步加入甲醛和依需要選定的其它反應(yīng)物；
-以連續(xù)的過程方式，可以在積聚的自生壓力下，使反應(yīng)物連續(xù)注入反應(yīng)混合物，以連續(xù)方式回收膦酸反應(yīng)產(chǎn)物。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述胺選自以下組
-氨；
-伯胺和仲胺，各含有具有1至100個碳原子的烴基，所述烴部分是直鏈或支鏈烷基部分、或環(huán)烷基部分、或芳基或多芳香基部分、或它們的組合；
-多胺；和
-伯胺、仲胺或多胺，各含有烷氧基化或硫代烷氧基化的基團(tuán)和/或官能團(tuán)，其包括三烷基甲硅烷基、羥基、羧酸或磺酸或此類酸的酯或它們的組合。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述烷基胺選自甲胺、乙胺、丁胺、辛胺、癸胺、十二烷胺、十八烷胺、二甲胺、二乙胺、二丁胺、萘胺、芐胺、苯胺和環(huán)己胺。
11.如權(quán)利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述酸催化劑的pKa值等于或小于2.75。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，亞磷酸反應(yīng)物按照已知方式，在基本排除鹵素的條件下制備。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，亞磷酸在基本排除鹵素的條件下通過以下步驟制備
(i)使單質(zhì)磷與水在低于200℃的溫度以及催化劑存在下進(jìn)行接觸，所述催化劑能有效促進(jìn)磷通過與水的反應(yīng)發(fā)生氧化；
(ii)使P(V)物質(zhì)與如氫的還原劑在還原催化劑存在下接觸；或
(iii)使包含亞磷酸酯和磷酸酯的水解進(jìn)料混合物與液態(tài)水和水蒸汽接觸，從而將亞磷酸酯水解為亞磷酸。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述單質(zhì)磷是四磷。
15.如權(quán)利要求1或9所述的方法，其特征在于多胺選自以下組1，2-乙二胺、二亞乙基三胺、三亞乙基四胺、二(亞丙基)亞乙基四胺、二(1，6-亞己基)三胺、1，6-己二胺、聚乙烯亞胺和聚烯丙基胺。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述亞磷酸通過使三氯化磷與選自羧酸；磺酸；和醇的試劑反應(yīng)，然后通過蒸餾或相分離除去形成的含氯產(chǎn)物以及未反應(yīng)的原料來制備。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，以相對于亞磷酸組分量(為100％)表示，除去含氯產(chǎn)物至其量小于或等于2000ppm。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述亞磷酸通過水解三氯化磷，然后基本上去除鹽酸和源自水解的其它氯化物中間體來制備。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，去除鹽酸和氯化物中間體至相對亞磷酸組分為按100％計的2000ppm。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸催化劑的pKa小于1.9。
21.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，伯胺和仲胺中各自的烴基含有1-50個碳原子。
全文摘要
公開一種在基本上沒有氫鹵酸存在下制備氨基聚亞烷基膦酸的有益的方法。該方法實質(zhì)上是基于以限定于窄比例范圍的亞磷酸、胺、甲醛在特定范圍的酸催化劑存在下反應(yīng)，所述酸催化劑pKa小于或等于3.1。本發(fā)明經(jīng)濟(jì)性好，具有質(zhì)量優(yōu)勢和運(yùn)行容量優(yōu)勢，尤其是顯著降低了一步法周期時間，排除了腐蝕，因此是環(huán)境友好的，僅僅需要最小投資。
文檔編號C07F9/38GK101163708SQ200580046710
公開日2008年4月16日 申請日期2005年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月17日
發(fā)明者P·P·諾特, I·E·瓦內(nèi)斯, J·H·J·范布里 申請人:N.V.索盧蒂亞歐洲公司