用于制备烃膦酸二烃基酯的方法 【技术领域】
本发明涉及用于形成烃膦酸二烃基酯的新颖且有效的方法。
背景
产生膦酸酯的常规方法依靠米凯利斯-阿尔布佐夫(Michaelis-Arbuzov)重排。该反应是最广泛研究的反应之一并且在有机化学中是众所周知的反应。该反应由Michaelis在1898年首次发现，并使得有效且直接进入膦酸酯系统。
特别地，在Michaelis-Arbuzov重排中，烃膦酸二烃基酯的形成依靠在作为催化剂的过渡金属存在下三烷基亚磷酸酯与烷基卤的反应。现今，许多商业上可得的膦酸酯化学品是由该技术制备的，包括甲基膦酸二甲酯。然而，该方法在其目前的实施中呈现了问题。在某些情况下，由于需要使用烷基卤和过渡金属催化剂，该反应是商业上不可行的。此外，生产膦酸酯的该方法可能提出环境关注，例如臭氧耗竭。更进一步地，这些反应通常需要超过100℃的温度并且在性质上倾向于放热。如果能够发现新方法来生产烃膦酸二烃基酯而最小化或没有刚刚描述的问题或缺陷，将是所期望的。
发明概述
已发现了用于制备膦酸二烃基酯的方法，所述方法最小化或消除以上提及的Michaelis-Arbuzov重排的许多(如果不是全部)有害作用。有利地，本发明的方法能够在单反应器中进行，因此减少加工时间并节约经济资源。
在其一个实施方案中，本发明提供了一种用于制备烃膦酸二烃基酯的方法，所述方法包括由包括以下的组分形成反应混合物：(i)至少一种亚磷酸二烃基酯，(ii)至少一种碱金属烃氧化物(hydrocarbyloxide)和(iii)至少一种醇，以便形成烃膦酸二烃基酯。
从接下来的描述和所附权利要求书，以上和其他实施方案将会明显。
本发明更详细的说明
如贯穿本文档所使用的术语“烃基”包括烷基、芳基、烷芳基、芳烷基、烯基、环烷基或环烯基基团。烷基和烯基基团可以是直链的或支链的。贯穿本文档，术语“醇”用于包括其中羟基基团连接至烷基、芳基、烷芳基、芳烷基、烯基、环烷基或环烯基基团的醇。在本发明的方法中使用的亚磷酸二烃基酯更恰当地被称为亚磷酸氢二烃基酯；因此，如贯穿本文档使用的术语“亚磷酸二烃基酯”以及任何这样的具体的亚磷酸二烃基酯(例如，亚磷酸二甲酯)应当理解为是指亚磷酸氢二烃基酯(例如，亚磷酸氢二甲酯)。
如上所述，本发明提供了用于制备烃膦酸二烃基酯的方法，所述方法包括由包括以下的组分形成反应混合物：(i)至少一种亚磷酸二烃基酯，(ii)至少一种碱金属烃氧化物和(iii)至少一种醇，以便形成烃膦酸二烃基酯。更具体地，本发明方法的产物是一种或多种下式化合物
RP(O)(OR1)(OR2)
其中，R、R1和R2是相同的或不同的，并且每个均为烃基基团。在这些化合物的命名中，在上式中的R1和R2是烃膦酸二烃基酯的二烃基基团，并且通过酯键连接至磷。R直接连接至磷。虽然R是烃基基团，但在上式中的R在烃膦酸二烃基酯中被命名为烃基团以使其与连接酯的基团R1和R2相区别。例如，当R是甲基基团时，烃磷酸二烷基酯被称为甲烷膦酸二烷基酯，或者当R是苯基基团时，烃膦酸二烷基酯被称为苯膦酸二烷基酯。
因此，在本发明的方法中，不期望被理论所约束，相信会发生的总反应可通过以下方程表示：
HP(O)(OR1)(OR2)+AOR→RP(O)(OR1)(OR2)
其中A是碱金属，R、R1和R2是相同的或不同的，并且每个均为烃基基团。当R、R1和R2相同时，反应看起来如以上方程中所示进行。当R、R1和R2的至少一个不同于R、R1和R2的其他两个时，发生酯交换并且获得产物的混合物，例如，除了RP(O)(OR1)(OR2)以外的R1P(O)(OR)(OR2)和R2P(O)(OR)(OR1)。当诸如亚磷酸二苯酯的亚磷酸芳基酯与是醇盐的碱金属烃氧化物反应时得到不同的结果：在亚磷酸酯上的全部芳基基团均被烷基基团取代。
在制备烃膦酸二烃基酯的方法中，使用至少一种亚磷酸二烃基酯以形成反应混合物。亚磷酸二烃基酯的烃基基团可以是相同的或不同地，但优选相同的。通常，亚磷酸二烃基酯的烃基基团具有1至约30个碳原子。对于亚磷酸二烃基酯优选的烷基集团具有1至约6个碳原子。对于亚磷酸二烃基酯优选的烯基集团具有约4至约10个碳原子。对于亚磷酸二烃基酯优选的芳烷基基团具有7至约12个碳原子。对于亚磷酸二烃基酯优选的芳基基团具有6至约15个碳原子。优选地，烃膦酸二烃基酯的两个烃基基团均为烷基基团。
可用于本发明的亚磷酸二烃基酯的实例包括，但不限于，亚磷酸二甲酯、亚磷酸二乙酯、亚磷酸甲基乙基酯、亚磷酸二丙酯、亚磷酸甲基丙基酯、亚磷酸二丁酯、亚磷酸二戊酯、亚磷酸二环戊酯、亚磷酸二己酯、亚磷酸二环己酯、亚磷酸二丁烯酯、亚磷酸二戊烯酯、亚磷酸二苄酯、亚磷酸二(4-甲基苄基)酯、亚磷酸二苯酯、亚磷酸二甲苯酯、亚磷酸二萘酯及类似物。优选的亚磷酸二烃基酯包括亚磷酸二甲酯和亚磷酸二乙酯。可使用两种或多种亚磷酸二烃基酯的混合物；将获得产物的混合物。
对于碱金属烃氧化物，碱金属通常为锂、钠或钾，并优选为钠或钾。碱金属烃氧化物的烃基部分优选烷基、烯基或芳烷基基团。当碱金属烃氧化物的烃基部分是烷基基团时，其优选具有从1个至约6个碳原子。当碱金属烃氧化物的烃基部分是烯基基团时，其优选从约4个至约10个碳原子。当碱金属烃氧化物的烃基部分是芳基基团时，其优选具有从6个至约15个碳原子。当碱金属烃氧化物的烃基部分是芳烷基基团时，其优选具有从7个至约15个碳原子。在本发明的实施中可使用两种或多种碱金属烃氧化物的混合物。
其中所述烃基部分是烷基或环烷基基团的合适的碱金属烃氧化物包括甲醇锂、甲醇钠、甲醇钾、乙醇锂、乙醇钠、乙醇钾、正丙醇锂、正丙醇钠、正丙醇钾、异丙醇锂、异丙醇钠、异丙醇钾、环丙醇锂、环丙醇钠、环丙醇钾、正丁醇锂、正丁醇钠、正丁醇钾、仲丁醇锂、仲丁醇钠、仲丁醇钾、叔丁醇锂、叔丁醇钠、叔丁醇钾、环丁醇锂、环丁醇钠、环丁醇钾、戊醇锂、戊醇钠、戊醇钾、环戊醇锂、环戊醇钠、环戊醇钾、己醇锂、己醇钠、己醇钾、环己醇锂、环己醇钠、环己醇钾、庚醇锂、庚醇钠、庚醇钾、环庚醇锂、环庚醇钠、环庚醇钾、辛醇锂、辛醇钠、辛醇钾、环辛醇锂、环辛醇钠、环辛醇钾及类似物。
其中所述烃基部分是不饱和的烃基(烯基、环烯基、芳基或芳烷基)的合适的碱金属烃氧化物包括2-丁烯-1-氧化锂、2-丁烯-1-氧化钠、2-丁烯-1-氧化钾、3-戊烯-1-氧化锂、3-戊烯-1-氧化钠、3-戊烯-1-氧化钾、3-己烯-1-氧化锂、3-己烯-1-氧化钠、3-己烯-1-氧化钾、2-环己烯-1-氧化锂、2-环己烯-1-氧化钠、2-环己烯-1-氧化钾、苯酚锂、苯酚钠、苯酚钾、甲基苯酚锂、甲基苯酚钠、甲基苯酚钾、二甲基苯酚锂、二甲基苯酚钠、二甲基苯酚钾、乙基苯酚锂、乙基苯酚钠、乙基苯酚钾、2-萘酚锂、2-萘酚钠、2-萘酚钾、2-甲基-1-萘酚锂、2-甲基-1-萘酚钠、2-甲基-1-萘酚钾、苄醇锂(lithium benzoxide)、苄醇钠、苄醇钾、4-甲基苄醇锂、4-甲基苄醇钠、4-甲基苄醇钾、4-乙基苄醇锂、4-乙基苄醇钠、4-乙基苄醇钾、2-苯基乙醇锂、2-苯基乙醇钠、2-苯基乙醇钾、3-甲基苯乙醇锂、3-甲基苯乙醇钠、3-甲基苯乙醇钾、1，1-联苯乙醇锂、1，1-联苯乙醇钠、1，1-联苯乙醇钾、1-萘甲醇锂、1-萘甲醇钠、1-萘甲醇钾、2-萘甲醇锂、2-萘甲醇钠、2-萘甲醇钾、6-甲基-2-萘甲醇锂、6-甲基-2-萘甲醇钠、6-甲基-2-萘甲醇钾、1-萘乙醇锂、1-萘乙醇钠、1-萘乙醇钾、2-萘乙醇锂、2-萘乙醇钠、2-萘乙醇钾及类似物。
在本发明的实施中优选的碱金属烃氧化物包括甲醇钠、乙醇钠和苄醇钠。
通常，醇对应于碱金属烃氧化物的烃氧化物部分，即，碱金属烃氧化物的烃氧化物部分与醇的烃基部分相同。例如，当碱金属烃氧化物是甲醇钠时，醇通常为甲醇。碱金属烃氧化物通常以在相应的醇中的溶液而使用。如果需要，当进行本发明的方法时，可使用另外的醇。通常并且优选地，任何另外的醇是与相应于碱金属烃氧化物的醇相同的醇。
醇是烃基醇，并且优选液态醇。但醇在反应所进行的条件下不是液态时，可使用升高的温度和/或增加的压力来液化该醇。如果这样的条件不用来液化该醇，可以使用溶剂以提供在液相中的所述醇。
对于醇，烃基部分优选为烷基、烯基或芳烷基基团。当醇的烃基部分是烷基基团时，其优选具有从1个至约6个碳原子。当醇的烃基部分是烯基基团时，其优选具有从约4个至约10个碳原子。当醇的烃基部分是芳基基团时，其优选具有从6个至约15个碳原子。当醇的烃基部分是芳烷基基团时，其优选具有从7个至约15个碳原子。当使用两种或多种醇的混合物时，得到碱金属烃氧化物的混合物并从而得到产物的混合物。
可用于本发明方法的醇的实例包括，但不限于，甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、环丙醇、异丁醇、叔丁醇、环丁醇、戊醇、环戊醇、环己醇、庚醇、环庚醇、辛醇、环辛醇、2-丁烯-1-醇、3-戊烯-1-醇、3-己烯-1-醇、2-环己烯-1-醇、酚、甲基苯酚、二甲基苯酚、乙基苯酚、2-萘酚、2-甲基-1-萘酚、苄醇、4-甲基苄醇、4-乙基苄醇、2-苯基乙醇、3-甲基苯乙醇、1，1-二苯基乙醇、3-甲基苯乙醇、1-萘甲醇、2-萘甲醇、6-甲基-2-萘甲醇、1-萘乙醇和2-萘乙醇。甲醇、乙醇和苄醇是优选的液态醇。
通常，碱金属烃氧化物与亚磷酸二烃基酯的摩尔比为至少约0.75∶1，并且优选地在约0.9∶1至约1.5∶1的范围。优选使用相对于亚磷酸二烃基酯过量的碱金属烃氧化物。
通常以至少足够使反应混合物的全部组分在溶液中的量使用醇。当醇的量小时，碱金属烃氧化物的浓度较高，并且在这样的情况下，应当更谨慎地添加碱金属烃氧化物(例如，以较慢的速度)。通常，醇以相对于碱金属烃氧化物为约70wt％至约90wt％的量存在(即，碱金属烃氧化物为在醇中约10wt％至约30wt％的溶液)。很大量的醇使来自反应的热释放最小化，但如果向反应加热变得必要时，其可能是障碍。
由于至少碱金属烃氧化物对潮湿和氧气的敏感性，在本发明方法中使用其中潮湿和氧气的存在被最小化的惰性环境。优选地，在本发明方法期间存在包含诸如氮气、氦气或氩气的一种或多种惰性气体的惰性气氛。
合并组分以形成反应混合物的一种建议的方式是将在醇(通常为相应的醇)中的碱金属烃氧化物加入亚磷酸二烃基酯。虽然通常建议并优选碱金属烃氧化物溶液在全部亚磷酸二烃基酯存在于反应区中之后添加以有助于使与添加碱金属烃氧化物溶液相关的放热量最小化，但含醇的碱金属烃氧化物溶液的添加可以开始于全部亚磷酸二烃基酯存在之前。防止过大放热量的碱金属烃氧化物溶液的添加速度是使得产生的热量可保持在控制之下，即没有不受控制的热释放发生。应当理解，碱金属烃氧化物溶液的添加速度将随着反应的规模和用于从反应区去除热量的方法而变化。
当碱金属烃氧化物溶液被加入亚磷酸二烃基酯时温度开始上升，并且反应区的冷却有时是必要的。当添加碱金属烃氧化物进行时，在反应区的温度经常降低，并且至少在该阶段，期望将反应混合物加热至通常为足够高以驱动反应尽可能完全的温度。可利用光谱方法，例如通过31P NMR，监测反应的进程。
在实验室规模中，反应时间通常为约4小时至约5小时。反应时间可通过在升高的温度下进行而缩短。
形成之后，烃膦酸二烃基酯可通过常规方法从反应混合物中分离，例如过滤和/或蒸馏。可重复蒸馏过程以提高分离的组分的纯度。
如以上间接提到的，本发明方法的产物是烃膦酸二烃基酯。因此，烃膦酸二烃基酯的烃基基团通常具有1个至约30个碳原子；对于烃膦酸二烃基酯优选的烷基和烯基基团具有1个至约6个碳原子；对于烃膦酸二烃基酯优选的芳烷基基团具有7个至约12个碳原子；并且对于烃膦酸二烃基酯优选的芳基基团具有6个至约15个碳原子。优选地，膦酸二烃基酯的两个烃基基团均为烷基基团。更优选地，膦酸二烃基酯的两个烃基基团为烷基基团并且所述烃是烷烃。本发明方法的优选的产物是甲烷膦酸二甲酯、乙烷膦酸二乙酯、乙烷膦酸二甲酯、丙二烯膦酸二甲酯、丙二烯膦酸二乙酯、苯膦酸二甲酯、苯膦酸二乙酯及类似物。
为了说明的目的提出以下实施例，并不意图限制本发明的范围，并且不应当解释为限制本发明的范围。
实施例1
将亚磷酸二甲酯(32g，0.29mol)装入配有温度计、回流冷凝器和隔板的三颈、100mL圆底烧瓶。在保持烧瓶内容物为85EC的情况下，将甲醇钠溶液(25wt％于甲醇中，62.8g，0.29mol)逐滴谨慎注入。以使烧瓶中的温度保持在约85℃的速度添加甲醇钠溶液。回流搅拌该混合物，同时通过NMR(1H和31P；产物31P NMR：δ＝34.99ppm；m/z＝124.9)监测反应进程。当反应完全时，经蒸馏分离膦酸酯产物，甲基膦酸二甲酯。通过气相色谱-质谱(GC-MS)表征蒸馏的产物。
实施例2
将亚磷酸二乙酯(35g，0.25mol)装入配有温度计、回流冷凝器和隔板的三颈、100mL圆底烧瓶。在保持烧瓶内容物为85EC的情况下，将甲醇钠溶液(25wt％于甲醇中，73g，0.338mol，相对于亚膦酸酯为1.3当量)逐滴谨慎注入。回流搅拌该混合物，同时通过NMR(1H和31P；产物31P NMR：δ＝34.57，33.21，31.82ppm；m/z＝152.9，138.9，124.9)监测反应进程。当反应完全时，经蒸馏分离膦酸酯产物，甲基膦酸二甲酯和甲基膦酸二乙酯的混合物。通过GC-MS表征蒸馏的产物。
实施例3
将亚磷酸二苯酯(30g，0.13mol)装入配有温度计、回流冷凝器和隔板的三颈、100mL圆底烧瓶。在保持烧瓶内容物为85EC的情况下，将甲醇钠溶液(25wt％溶液于甲醇中，36.9g，0.17mol，相对于亚膦酸酯为1.3当量)逐滴谨慎注入。回流搅拌该混合物，同时通过NMR(1H和31P；产物31PNMR：δ＝34.99ppm；m/z＝124.9)监测反应进程。当反应完全时，经蒸馏分离膦酸酯产物，甲基膦酸二甲酯。通过GC-MS表征蒸馏的产物。
实施例4
将亚磷酸二苯酯(20g，0.14mol)装入配有温度计、回流冷凝器和隔板的三颈、100mL圆底烧瓶。在保持烧瓶内容物为85EC的情况下，将乙醇钠溶液(21wt％溶液于乙醇中，46.9g，0.14mol)逐滴谨慎注入。回流搅拌该混合物，同时通过NMR(1H和31P；产物31P NMR：δ＝35.51ppm)监测反应进程。当反应完全时，经蒸馏分离膦酸酯产物，乙基膦酸二乙酯。通过GC-MS表征蒸馏的产物。
在本文的说明书或权利要求书中的任何地方通过化学名称或分子式提及的组分，不管以单数或复数提及，均被认为是它们在与通过化学名称或化学类型提及的另一物质(例如，另一组分、溶剂或其他)接触前存在。重要的不是在所得混合物或溶液中发生什么化学变化、转化和/或反应(如果有)，因为这样的变化、转化和/或反应是在依照本公开所要求的条件下将特定组分结合在一起的自然结果。因此，所述组分被认为是关于进行期望的操作或在形成期望的组成中将结合在一起的成分。此外，即使下文中的权利要求书可能以现在时(“包括(comprises)”、“是(is)”等)提及物质、组分和/或成分，该提及也将是如在与本公开的一种或多种其他物质、组分和/或成分第一次接触、掺混或混合之前就存在的物质、组分或成分。因此，通过在接触、掺混或混合操作的过程期间的化学反应或转化，如果按照本公开并由普通化学技术人员进行上述操作，则物质、组分或成分可能失去其最初特性的事实没有实际的利害关系。
本发明可包括本文所述的物质和/或方法、由本文所述的物质和/或方法组成或主要由本文所述的物质和/或方法组成。
如本文使用的修饰本发明的组成中的成分的量或用于本发明的方法中的术语“约”是指在通过诸如以下的情况可能出现的数量变化：通过在真实世界中用于制备浓缩物或使用溶液的典型的测量和液体处理过程；通过在这些过程中的疏忽误差；通过用于制备组成成分或实施所述方法的成分的制造、来源或纯度的差异；及类似情况。术语约还包括由于由特定初始混合物产生的组成的不同平衡条件而不同的量。无论被术语“约”修饰与否，权利要求书包括数量的等价物。
除非可能清楚地另外说明，如果本文使用以及如本文使用的冠词“一(a)”或“一(an)”不意图限制、且不应当解释为限制说明或权利要求为单一的该冠词所指的元素。相反，如果本文使用以及如本文使用的冠词“一(a)”或“一(an)”意图涵盖一个或多个这样的元素，除非原文清楚地另外说明。
在本说明书中任何部分提及的每个和全部专利或其他公开物或出版的文献通过引用以其整体并入本公开，如同完全在本文中提出。
本发明在其实施中容许很大改变。因此，前述说明不意图限制、且不应当解释为限制本发明为上文提出的特定的范例。