Alkanphosphonsäureanhydride,insbesondere das cyclische trimere Alkanphosphonsäureanhydrid, werdenu. a. als Reagentien zur Knüpfung von Peptidbindungen (Kleiner,Wissmann, Angew. Chem. Int. Ed. 1980, 19, 133), zur Herstellungvon Nitrilen und Isonitrilen durch Dehydrierung (EP-A-1 713 763; DE102005035250), zur Herstellungvon Alkenen durch Eliminierung (EP-A-1 763 497), zur Aktivierung von Dimethylsulfoxidin Oxidationsreaktionen (EP-A-1744 999) u. v. a. m. eingesetzt.
ZurHerstellung von Phosphonsäureanhydriden sind unterschiedlicheMethoden bekannt, die im allgemeinen von den entsprechenden Alkanphosphonsäurenausgehen. Die DE-A-2225 545 beschreibt die Überführung vonAlkanphosphonsäuren in ihre Säurehalogenide, z.B. mit Phosphortrichlorid, Thionylchlorid oder Phosgen. Das erhalteneAlkylphosphonsäuredihalogenid kann dann mit einer stöchiometrischenMenge Wasser oder bevorzugt einem weiteren Äquivalent Alkanphosphonsäureunter Freisetzung von Halogenwasserstoff zum Alkanphosphonsäureanhydridumgesetzt werden (EP-A-0015 483); s. Reaktionsschema 1. Reaktionsschema1
DieFreisetzung von giftigem und hochkorrosivem Halogenwasserstoff machtdie technische Umsetzung dieses Verfahrens problematisch, auch wirdkein halogenidfreies Produkt erhalten, wodurch Korrosionsproblemein der weiteren Verwendung des Produkts resultieren können.
EineVariante dieses Verfahrens besteht in der Umsetzung der Alkanphosphonsäurechloridemit Alkanphosphonsäuredimethylester, wobei Chlormethanentsteht (Grant, Van Wazer, Dungan, J. Polym. Science 1967,A-15, 57); s. Reaktionsschema 2. Die Emission von potentiellkrebserzeugendem Chlormethan erschwert die technische Umsetzungdieses Verfahrens. Reaktionsschema2
DieKondensation von Alkanphosphonsäuren unter Entfernung desReaktionswassers unter Zuhilfenahme eines wasserbindenden Mittelswird z. B. in EP-A-0002 733 (mittels aliphatischer Carbonsäureanhydride),s. Reaktionsschema 3 und EP-A-0650 972 (mittels Diketen) beschrieben. Reaktionsschema3
EineMöglichkeit, cyclisches trimeres Alkanphosphonsäureanhydridaus dem durch Kondensation von Alkanphosphonsäuren entstehendenGemisch aus kettenförmigen und cyclischen Anhydriden zuerhalten, besteht in einer Reaktivdestillation, bei der das cyclischeTrimere destillativ entfernt wird (DE-A-10 333 042).
Allendiesen Herstellwegen ist gemeinsam, dass sie als Intermediate diefreie Alkanphosphonsäure benötigen. Da diese imallgemeinen durch Hydrolyse der technisch leicht erhältlichen(z. B. durch Addition von Dialkylphosphiten an Olefine) Alkanphosphonsäurediesternhergestellt werden muss, ergibt sich in jedem dieser Herstellprozessezwingend eine wässrige Hydrolyseoperation – häufigunter drastischen Bedingungen, d. h. Temperaturen von 150 bis 250°Cunter erhöhtem Druck (siehe z. B. DE-A-31 10 975) – gefolgtvon einer Entwässerungs- und ggf. auch Reinigungsoperation,wodurch besondere Apparaturen aus korrosionsbeständigenMaterialien (Nickel-Basislegierungen) notwendig werden und großeMengen organisch belastetes Abwasser erzeugt werden.
AufgabenstellungEswäre wünschenswert, ein Herstellungsverfahrenzu haben, das aus den marktgängigen Phosphonsäurediesterndirekt, ohne den Umweg einer Hydrolyse und/oder Umwandlung in einPhosphonsäurehalogenid, das halogenidfreie Phosphonsäureanhydriderzeugt, ohne hochkorrosive Nebenprodukte zu erzeugen, vorzugsweiseauch unter Vermeidung der Erzeugung cancerogener Abfälle.
DieseAufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur direkten Umwandlungvon Phosphonsäurediestern in Phosphonsäureanhydride,bestehend in der Umsetzung von Phosphonsäurediestern miteinem Carbonsäureanhydrid oder Carbonsäurehalogenidin Gegenwart eines sauren z. B. Lewis-sauren Katalysators unterlaufender Entfernung des bei die Reaktion entstehenden Carbonsäureestersbzw. Alkylhalogenids aus dem Reaktionsgemisch (Reaktionsschema 4).Zur Anreicherung des Anhydrids kann ggf. die in DE-A-10 333 042 beschriebeneReaktivdestillation nachgeschaltet werden.
Reaktionsschema4
Dabeisteht
R für C3-C8-Allyl,C6-C10-Aryl oderC1-C8-Alkyl, wobeider Alkylrest im Falle der C3-C8-Verbindungengeradkettig, verzweigt oder cyclisch ist, C6-C12-Aryloxy, C3-C10-Allyloxy oder C1-C8-Alkyloxy, wobei der Alkyoxyrest im Falle derC3-C8-Verbindungengeradkettig, verzweigt oder cyclisch ist und wobei alle genanntenSubstituenten gegebenenfalls ein- oder mehrfach mit identischenoder nicht identischen, nicht an der Reaktion teilnehmenden Funktionen(z. B. Fluor) substituiert sind;
X steht für O-(C=O)-R3,Chlor oder Brom;
R1 welches in Formel I identisch oder verschiedenist, steht für C6-C10-Aryloder C1-C8-Alkyl,wobei der Alkylrest im Falle der C3-C8-Verbindungen geradkettig, verzweigt odercyclisch ist, und wobei alle genannten Substituenten gegebenenfallsein- oder mehrfach mit identischen oder nicht identischen, nichtan der Reaktion teilnehmenden Funktionen, substituiert sind;
R2und R3 sind gleich oder verschieden und haben die Bedeutung vonR1
n steht für eine natürliche Zahl von 2bis 200, bevorzugt 3 bis 60, besonders bevorzugt 3 bis 20 und ganzbesonders bevorzugt 3;
Kat ist optional und steht füreine Brønsted- oder Lewis-Säure, die in der Lageist, die Reaktion zu katalysieren, jedoch unter den Reaktionsbedingungennicht stark flüchtig ist.
DasProdukt IV ist ein Gemisch aus cyclischen und offenkettigen vollständigenoder unvollständigen Phosphonsäureanhydriden.Entsprechend ist die ganze Zahl „n\" nur bei cyclischenAnhydriden in Reaktionsschema 4 bei allen Reaktanden identisch.Wie für den Fachmann offensichtlich, wird bei Bildung vonoffenkettigen Anhydriden ein Equivalent II weniger benötigt,um ein Poylmer mit n Phoshoratomen zu erhalten, da die Kettenendennoch mit R1 bzw. OR1 abgesättigt sind.
R,R1, R2 und R3 stehen bevorzugt für gegebenenfalls substituierteC1- bis C4-Alkylgruppen,die geradkettig oder im Falle der C3-C4-Alkylgruppen verzweigt oder cyclisch seinkönnen. Die beiden Substituenten R1 in Formel I haben bevorzugtdie gleiche Bedeutung; ebenso sind R2 und R3 bevorzugt paarweiseidentisch und so geartet, dass der während der Reaktionentstehende Carbonsäureester bzw. das entstehende Halogenalkaneinfach (bspw. destillativ) aus dem Reaktionsgemisch entfernt werdenkann.
Besondersbevorzugt ist
R Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Methylpropyl,Butyl, Isobutyl oder tert.-Butyl,
R1 in Formel I gleich undbedeutet Methyl, Ethyl oder Isopropyl und
R2 ist Methyl und
XChlor oder -O(CO)R3 mit R3=Methyl.
Ganzbesonders bevorzugt ist X=O-(C=O)-R3 undR1=R2=R3=Methylund R=Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl oder tert-Butyl,insbesondere Propyl.
Katist bevorzugt konzentrierte Schwefelsäure, konzentriertePhosphorsäure, Borsäure, Trifluormethan-sulfonsäureoder eine höhere Perfluoralkansulfonsäure oderderen Salze wie Scandiumtriflat, Yttriumtriflat, Lanthantriflatoder ein Lanthanoidtriflat, Alkansulfonsäure, Arensulfonsäure,Arencarbonsäure, Alkancarbonsäure, wie Chloressigsäure,eine Perfluorcarbonsäure, wie Trifluoressigsäureoder Trichloressigsäure, eine organisch substituierte Phosphonsäureoder ein stark saurer Ionentauscher (z. B. Amberlyst® 15).
Bevorzugtwerden 0 bis 5 mol%, besonders bevorzugt 0,5 bis 5 mol% an Katalysatorbezogen auf den Einsatz an Phosphonsäureester eingesetzt.
Fluorsulfonsäure,Bortrifluorid, Titantetrachlorid, Antimonpentafluorid, Zinkchlorid,Eisen(III)-chlorid oder Aluminiumchlorid können ebenfallsals Katalysator eingesetzt werden, man erhält jedoch indiesem Fall im allgemeinen kein halogenidfreies Produkt.
Besondersbevorzugt ist der Einsatz von nichtoxidierenden Brønsted-Säurenund halogenidfreien Lewis-Säuren. Der Katalysator kannin bestimmten Fällen mehrfach verwendet werden; insbesondereKationentauscher sind aufgrund der einfachen Re-Isolierbarkeit durchFiltration dafür geeignet.
Unter „nichtan der Reaktion teilnehmenden Funktionen\" werden Substituenten wieFluor oder Trifluormethyl verstanden.
DieReaktion kann in einem Lösungsmittel durchgeführtwerden, welches nicht an der Reaktion teilnimmt, wird jedoch bevorzugtin Substanz oder unter Einsatz eines Überschusses an Carbonsäureanhydrid bzw.Carbonsäurehalogenid als Lösungsmittel durchgeführt.
DieEntfernung der gebildeten Nebenprodukte (Carbonsäureester,ggf. Aryl- oder Alkylhalogenide) geschieht bevorzugt durch Destillationunter geeigneten Bedingungen. Ebenfalls möglich ist z.B. eine extraktive Entfernung, z. B. mit hoch fluorierten Lösungsmittelnbei Verwendung von hoch fluorierten R2/R3.
Eswird minimal ein Mol-Äquivalent des Carbonsäureanhydridsbzw. -halogenids zur vollständigen Anhydridisierung benötigt;um Verluste z. B. bei destillativer Entfernung der entstehendenNebenprodukte auszugleichen, werden üblicherweise 1.01bis 100 Äquivalente, bevorzugt 1.2 bis 10 Äquivalenteund besonders bevorzugt 1.2 bis 4 Äquivalente eingesetzt.
Besondersbevorzugt ist eine Zusammenfassung der Reaktion mit einer anschließendenReaktivdestillation, um überwiegend das cyclische trimerePhosphonsäureanhydrid zu erhalten; ganz besonders bevorzugtals Ein-Topf-Variante.
Eineweitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßenVerfahrens besteht in der Umsetzung des destillativ von Leichtsiedernbefreiten Rohprodukts in Gegenwart einer gegenüber IV nichtreaktiven Base (z. B. einem tertiären Amin) zur Neutralisationdes Katalysators mit dem oder den Reaktanden der geplanten Folgereaktion(in einer bestimmungsgemäßen Verwendung, z. B.in einer Kupplungsreaktion, Dehydrierung, etc.) (d. h. ohne weitereAufarbeitung oder Isolation von IV).
Eineweitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßenVerfahrens besteht in der Umsetzung des destillativ von Leichtsiedernund dem Katalysator (bei durch Destillation entfernbaren Katalysatoren,z. B. Trifluormethansulfonsäure oder niederen Alkancarbonsäuren)befreiten Rohprodukts mit dem oder den Reaktanden der geplantenFolgereaktion (s. o.) (ebenfalls ohne weitere Aufarbeitung oderIsolation von IV).
Eineweitere bevorzugte Variante besteht im Einsatz der von I abgeleitetenPhosphonsäure bzw. der von II abgeleiteten Carbonsäureals Katalysator, um ein besonders schmales Verunreinigungs- undNebenproduktspektrum zu erhalten.
BeiBedarf kann durch Behandlung mit Aktivkohle die Farbe des Rohproduktsoder des durch Destillation isolierten Produkts IV verbessert werden,gegebenenfalls in einem inerten Lösungsmittel.
Temperatur-und Druckbedingungen während der Reaktion werden in Abhängigkeitder eingesetzten Ausgangsmaterialien so gewählt, dass dieReaktion mit ausreichender Geschwindigkeit abläuft, dieEntfernung des Nebenprodukts möglich ist und dabei möglichstgeringe Verluste an Carbonsäureanhydrid/-halogenid und/oderKatalysator auftreten.
Ganzbesonders bevorzugt wird die Erfindung zur Herstellung von Methan-,Ethan-, Methylethan-, Propan-, Methylpropan-, Butan-, Isobutan-und tert-Butanphosphonsäureanhydrid aus den entsprechendenPhosphonsäuredimethylestern mittels Essigsäureanhydridoder Acetylchlorid eingesetzt, wobei das entstehende Methylacetatbzw. Chlormethan bei Normaldruck abdestilliert wird, währenddie Temperatur im Sumpf unter der Siedetemperatur des Essigsäureanhydridsgehalten wird, solange destilliert wird, bis kein Methylacetat mehr gebildetwird, dann weiter bis zu einer Sumpftemperatur von 150 bis 250°Cerhitzt wird, um ggf. im Überschuß vorhandenesAcetanhydrid und ggf. destillierbaren Katalysator abzudestillieren,und zum Schluss Reste flüchtiger Bestandteile im Hochvakuumentfernt werden und das Produkt im Hochvakuum destilliert wird.
Gegenüberdem Stand der Technik besitzt das beschriebene Verfahren den Vorteil,dass es von den käuflichen bzw. leicht durch Addition vonDialkylphosphiten an Olefine erhältlichen Phosphonsäurediestern ausgehtund unter Umgehung einer Verseifung der Phosphonsäureesterdirekt das gewünschte – unter Verwendung von Carbonsäureanhydridenauch halogenidfreie – Phosphonsäureanhydrid erzeugt,wodurch die Wirtschaftlichkeit der Herstellung stark erhöhtwird, da der Herstellprozess signifikant verkürzt wird,keine spezielle Hydrolyseapparatur benötigt wird und keinbelastetes Abwasser erzeugt wird. Die anfallenden Abfalldestillatekönnen mit positiver Energiebilanz thermisch verwertetwerden.
BeispieleBeispiel 1Herstellung von Propanphosphonsäureanhydridaus Propanphosphonsäuredimethylester und Acetanhydrid mitSchwefelsäure als Katalysator45.64(0.3 mol) Propanphosphonsäuredimethylester wurden unterFeuchtigkeitsausschluss mit 0.74 g (7.5 mmol, 2.5 mol%) konzentrierterSchwefelsäure versetzt.
UnterRühren wurden 30.62 g (0.3 mol) Acetanhydrid zugetropftund das Reaktionsgemisch an einer kurzen Vigreux-Kolonne erhitzt.Bei einer Sumpftemperatur von 175°C und einer Kopftemperaturvon 65 bis 70°C wurde ein Destillat aufgefangen, das zumgrößten Teil aus Methylacetat bestand und etwasEssigsäureanhydrid enthielt. Es wurde solange bei einerSumpftemperatur von max. 190°C erhitzt, bis kein Methylacetat mehranfiel. Eine GC-Umsatzkontrolle zeigte, dass im Sumpf noch dimeresEsteranhydrid vorhanden war, daher wurden bei einer Sumpftemperaturvon ca. 185°C noch 15.5 g (ca. 0.15 mol) Acetanhydrid zugetropftund weiteres Methylacetat abdestilliert. Nachdem kein Destillatmehr anfiel, wurde schrittweise Vakuum angelegt, wobei überschüssigesAcetanhydrid abdestillierte. Das Reaktionsgemisch wurde im Stickstoffstromabgekühlt, nachdem bei 1 mbar und 200°C Sumpftemperaturkeinerlei Destillatanfall mehr zu beobachten war. Eine 31P-NMR-Untersuchungdes schwarzen Sumpfes zeigte, dass 91% Propanphosphonsäureanhydridentstanden waren. Dies wurde durch einen Hydrolyseversuch, gefolgtvon Silylierung und GC-Untersuchung der entstandenen Propanphosphonsäure,gestützt.
DieReaktivdestillation des Rohprodukts bei 1–5 mbar/max. 290°Cerbrachte eine Ausbeute von 16.9 g (159 mmol, 53%) eines honigartig-zähen,braunen Destillats.
Beispiel 2Herstellung von Propanphosphonsäureanhydridaus Propanphosphonsäuredimethylester und Acetanhydrid mitPhosphorsäure als Katalysator50.45g (332 mmol) Propanphosphonsäuredimethylester, 23.1 g (226mmol) Acetanhydrid und 2 g 85%ige Phosphorsäure als Katalysatorwurden in einer Apparatur wie in Beispiel 1 auf eine Temperaturvon 170 bis 185°C erhitzt. Nach drei Stunden wurde derDestillatanfall (Methylacetat, Kopftemperatur ca. 53°C) langsamer,und weitere 2 g 85%iger Phosphorsäure wurden nachdosiert,3 h später weitere 12 g Acetanhydrid (118 mmol). Nach weiteren5 h wurden nachmals 10 g (98 mmol) Acetanhydrid nachdosiert, nachweiteren 2.5 h fiel kein Destillat mehr an. Nach Entfernung restlicherflüchtiger Bestandteil im Hochvakuum ließ manden Sumpf im Stickstoffstrom abkühlen. Eine 31P-NMR-Untersuchungdes braunen Sumpfes ergab einen Anhydridgehalt von 96.4%.
NachDestillation wie in Beispiel 1 wurden 27.68 g (261 mmol, 79%) einesfarblosen bis gelblichen, honigartigen Materials erhalten.
Beispiel 3Herstellung von Propanphosphonsäureanhydridaus Propanphosphonsäuredimethylester und Acetanhydrid mitpara-Toluolsulfonsäure als KatalysatorEswurden analog zu Beispiel 2 (s. o.) 61 g Propanphosphonsäuredimethylester(0.4 mol) mit zunächst 16 g Acetanhydrid (0.157 mol) und1.9 g para-Toluolsulfonsäure-Monohydrat als Katalysatorvorgelegt und auf 180 bis 190°C (Sumpftemperatur) erhitzt.Sobald die Sumpftemperatur auf 195°Canstieg oder sich der Destillatanfall deutlich verringerte, wurdeweiteres Acetanhydrid zugegeben (insgesamt noch 48 g (0.47 mol)),bis die Kopftemperatur bei Destillatanfall 100°C nichtmehr unterschritt. Nach Entfernung flüchtiger Bestandteile imHochvakuum wurde per 31P-NMR-Spektroskopieein Anhydridgehalt von 92% bestimmt.
NachDestillation wie in Beispiel 1 wurden 31.41 g (0.296 mol, 74%) einesfarblosen bis gelblichen, honigartigen Materials erhalten.
Beispiel 4Herstellung von Propanphosphonsäureanhydridaus Propanphosphonsäuredimethylester und Acetanhydrid mitTrifluormethansulfonsäure als KatalysatorAnalogzu Beispiel 3 wurden 40.5 g Propanphosphonsäuredimethylester(266 mmol) in Gegenwart von 2 g Trifluormethansulfonsäuremit insgesamt 36 g Acetanhydrid (353 mmol) umgesetzt. Nach Destillation wurden21.1 g (199 mmol, 75%) Material erhalten.
Beispiel 5Herstellung von Propanphosphonsäureanhydridaus Propanphosphonsäuredimethylester und Acetanhydrid mitYttriumtrifluormethansulfonat als KatalysatorAnalogzu Beispiel 3 wurden 25 g Propanphosphonsäuredimethylester(164 mmol) in Gegenwart von 1 g Yttriumtriflat als Katalysator mitinsgesamt 24 g Acetanhydrid (235 mmol) umgesetzt. Die Destillationdes Produkts in einer Mikrodestillationsapparatur ergab eine Ausbeutevon 11.76 g (111 mmol, 68%).
Beispiel 6Herstellung von Propanphosphonsäureanhydridaus Propanphosphonsäuredimethylester und Propionsäureanhydridmit Propanphosphonsäure bzw. Propionsäure alsKatalysatorAnalogzu Beispiel 3 wurden 250 g Propanphosphonsäuredimethylester(1.64 mol) in Gegenwart von 10 g Propanphosphonsäure mitinsgesamt 250 g (1.92 mol) Propionsäureanhydrid umgesetzt,wobei zunächst sehr langsam Methylpropionat abdestilliertwurde. Die aus Propanphosphonsäure und Propionsäureanhydrid entstandenePropionsäure wurde zusammen mit nicht umgesetztem Propionsäureanhydridim Vakuum abdestilliert, so dass ein katalysatorfreies Rohprodukterhalten wurde. Man erhielt als Rohausbeute 176.3 g (ca. 1.66 mol,ca. 97% bez. auf 100% Gehalt).
Beispiel 7Herstellung von Methanphosphonsäureanhydridaus Methanphosphonsäuredimethylester und Acetanhydrid mitpara-Toluolsulfonsäure als KatalysatorEswurden analog zu Beispiel 3 (s. o.) 10 g Methanphosphonsäuredimethylester(80.6 mmol) mit 12.25 g Acetanhydrid (120 mmol) und 1 g para-Toluolsulfonsäure-Monohydratals Katalysator umgesetzt. Nach Destillation im Hochvakuum wurden 2.57g (33 mmol, 41%) eines gelblichen Feststoffs mit einem Schmelzbereich 107bis 110°C erhalten. Die geringe Ausbeute ist auf die Flüchtigkeitsdes Methanphosphonsäuredimethylesters bei der Reaktionstemperaturzurückzuführen.
Beispiel 8Herstellung von Propanphosphonsäureanhydridaus Propanphosphonsäuredimethylester und Propionylchloridmit Phosphorsäure als Katalysator25g Propanphosphonsäuredimethylester (164 mmol) und 2 g Phosphorsäureals Katalysator wurden mit 42.5 g Propionylchlorid (459 mmol) zumRückfluß erhitzt. Über einen Blasenzählerwurde die Chlormethan-Bildung verfolgt. Nachdem keine weitere Chlormethan-Bildungmehr detektierbar war, wurden das gebildete Methylpropionat und überschüssigesPropionylchlorid destillativ entfernt. Die Hochvakuum-Destillation desProdukts in einer Mikrodestillationsapparatur ergab eine Ausbeutevon 10.79 g (102 mmol, 62%).
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Zitierte Patentliteratur- EP 1713763A [0002]- DE 102005035250 [0002]- EP 1763497 A [0002]- EP 1744999 A [0002]- DE 2225545 A [0003]- EP 0015483 A [0003]- EP 0002733 A [0006]- EP 0650972 A [0006]- DE 10333042 A [0007, 0010]- DE 3110975 A [0008]
Zitierte Nicht-Patentliteratur- Grant, VanWazer, Dungan, J. Polym. Science 1967, A-15, 57 [0005]
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