N-膦醯基甲基甘氨酸和其鹽的生產方法
2023-10-04 16:57:49 1
專利名稱：N-膦醯基甲基甘氨酸和其鹽的生產方法
技術領域：
本發明涉及N-膦醯基甲基甘氨酸和其鹽的生產方法，尤其涉及一種從N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮(oxazolidinone)生產N-膦醯基甲基甘氨酸和其鹽的改進方法。
N-膦醯基甲基甘氨酸和其鹽是公知的化合物，具有如除草劑的活性。人們知道從N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮生產N-膦醯基甲基甘氨酸，前者是便宜的起始物料並且如US4547324描述的實例那樣容易通過2-噁唑烷酮的膦醯基甲基化製備。
US4547324描述了一種方法，其中N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮在含水溶劑介質中使用氧化鎘作為催化劑與鹼金屬或鹼土金屬鹼反應，然後經酸化導致放出二氧化碳和生成N-膦醯基甲基甘氨酸。氧化鎘實際上作為脫氫催化劑，反應中不涉及氣體氧。據說氧化鎘是適合該氧化步驟的唯一的催化劑。反應在升高的壓力(約500psi至約2000psi)和升高的溫度(約220℃至約300℃)下進行。這種升高的溫度明顯地增加了實施該方法的工業設備的費用，並且往往有利於形成不需要的副產物。
US4810426提出了一種US4547324的改進方法。US4810426提出了這樣一種方法，其中N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮的水解在酸性或中性條件下進行以使中間水解產物，N-膦醯基甲基乙醇胺或其環狀內酯在含水介質變鹼性和在氧化物催化劑如鎘、鋅、銅、鉑和鈀的氧化物存在下發生脫氫之前完全形成。根據US4810426的方法，反應中不涉及氣體氧。據說需要小心控制兩步反應的pH值以免在氧化步驟中產生鹼金屬碳酸鹽，該鹽被認為對反應具有不利影響。但是，該反應仍然需要較高的溫度和壓力，並且生成明顯比例的不需要的氨甲基膦酸副產物。
現在我們發現N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮的水解產物與含氧氣體在氧化催化劑存在下的氧化提供了一種在相對溫和的反應條件下操作的方法，因此其具有明顯的工業化優點。
本發明提供了一種生產N-膦醯基甲基甘氨酸和其鹽的方法，該方法包括在含水介質中水解N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮，然後在含水鹼性介質中在氧化催化劑存在下使用含氧氣體氧化該水解產物。
N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮的水解可以在鹼性或酸性條件下進行。但是通常在酸性條件下水解需要相對高的溫度並且超計大氣壓，例如自生壓力是有效的。這相應地直接增加了對設備結構材料的需求，因此在較溫和的鹼性條件下水解是優選的。
因此在酸性條件下，例如在無機酸如硫酸條件下的水解適宜在150℃-300℃的溫度下進行。反應通常在高壓釜中在自生壓力下進行。
在鹼性水解中使用的適合的鹼是鹼金屬氫氧化物或鹼土金屬氫氧化物，例如氫氧化鈉。在氧化步驟中使用的適合的鹼是鹼金屬或鹼土金屬氫氧化物，例如氫氧化鈉。如果需要的話，可以將由N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮水解生成的中間體在氧化步驟之前分離出來，但沒有必要分離中間體，在工業生產中通常不分離水解中間體。因此優選使用相同的鹼來為水解和氧化提供鹼性介質，因此這兩步反應可以一起操作而不用分離中間體。如果在氧化步驟之前需要調節濃度，可以例如在真空下除去部分存在的水分。用於水解和氧化步驟的鹼金屬氫氧化物優選為氫氧化鈉。
人們認為當使用鹼性水解時，N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮的水解產物是鹼金屬鹽形式的N-膦醯基甲基乙醇胺。然而，該水解產物的確切性質不是本發明方法的實質。因為它不必分離。因此根據現有技術US4810426的方法，當在鹼性條件下進行水解時不需要調節水解步驟和氧化步驟的pH值。具體而言以及經下文的實施例證明，我們已經發現碳酸鈉(由二氧化碳水解產物與氫氧化鈉鹼性介質的反應得到)的存在對氧化步驟幾乎沒有或沒有不利影響。確實，人們認為任何碳酸鈉的存在實際上有利於氧化步驟對鹼性介質的需要並且能夠降低相應的所需鹼的用量，例如降低所需的氫氧化鈉的量。
N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮的在鹼性介質中的水解通常在室溫至約150℃，例如在約50℃-130℃下進行。如果需要的話，可以使用超計大氣壓力，例如可以在高於含水介質的沸點溫度下使用自生壓力。但是一般最常用的是在大氣壓下在反應介質的回流溫度下進行鹼性水解反應。
適合在氧化步驟中使用的含氧氣體是氧氣本身或空氣。將含氧氣體以最大地增加相互接觸的方式，例如通過噴入介質中的方式適當地引入反應介質中。
氧化催化劑可以是對氧氣/液相催化反應有效的任何催化劑，適當的催化劑包含過渡金屬或貴金屬氧化催化劑，例如鉑、鈀、釕、銅、鎳、鋅或鐵。可以使用混合催化劑，例如混合的鉑/鈀催化劑。氧化催化劑還可以含有助催化劑，例如鉍、銻、鉛、錫或硒，通常我們發現這種助催化劑具有改善的催化劑壽命，例如如果催化劑在數個反應循環中被回收和重新使用。我們已經發現特別有效的催化劑系統含有與鉍助催化劑結合的鉑、或鈀或它們的混合物，尤其是含有較小比例的鉑和作為助催化劑的鉍的鈀催化劑。這種催化劑體系可以用公知的方法製備，也可以在市場上買到。該催化劑優選附載在載體如碳載體上。在碳載體上的鈀催化劑的典型的金屬含量範圍是例如2-8％(重量)的鈀以及與之結合的0-5％的鉑和0-5％的助催化劑，例如鉍。在碳載體上的鈀催化劑的典型的金屬含量範圍是例如2-8％(重量)的鈀以及與之結合的0-5％的鉑和0-5％的助催化劑，例如鉍。該催化劑可以以細分散的形式加入反應介質中，在反應完全之後隨即經回收重新使用。另一方面，該催化劑可以形成固定相，反應介質和含氧氣體可以從該相通過。
氧化反應可以例如在大氣壓下和在環境溫度至100℃，例如45℃至80℃的溫度範圍內進行，能夠採用如此相對溫和的操作條件進行反應在工業上顯然是有利的。但是，應當理解的是在更高的溫度例如溫度高達150℃下操作和尤其是在超計大氣壓力下操作，儘管增加了工廠費用，但可以改善含水相和氣相之間的相轉移，因此可以增加反應速率。本領域的技術人員應該能夠平衡這些因素以確定適當的工廠設計。
本發明的範圍被認為不受任何特殊理論的限制，據認為本發明氧化步驟的機理與現有技術的方法如使用被內鹼水相催化脫氫的US 4547324和US4810426中描述的那些方法的機理完全不同。用含氧氣體反應是本發明的實質性特徵，我們已經發現例如，如果本發明的混合物用氮氣取代空氣或氧氣鼓泡就不會發生反應。這種不同的氧化機理可以解釋本發明與現有技術的方法如反應不涉及分子氧氣的US4547324和US4810426中描述的那些方法比較的明顯優點和差別。
每摩爾N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮轉化成其水解產物和隨後形成N-膦醯基甲基甘氨酸的鹼金屬鹽所需鹼的化學計量比例，包括用於吸收反應中釋放的二氧化碳和形成碳酸鈉鹼的鹼是4摩爾。優選的是在pH11-13，例如11.5-12.5進行氧化反應。因此優選的是使用足夠的鹼量以調節至所指出的pH值。一般地，每摩爾N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮可以使用超過化學計量值，例如5-7摩爾的鹼。如果需要的話，每摩爾N-膦醯基甲基-2-惡唑烷酮可以使用超過7摩爾的鹼，但那樣作沒有得到什麼好處並且如果氧化反應中有過量的鹼存在會發生分解作用。如果需要的話，可以在水解步驟開始之前加入所用的鹼，或者可以在水解步驟開始時加入一部分鹼，在水解和氧化步驟之間或在氧化過程中加入另一部分鹼。
當氧化反應完全時，其產物是鹼金屬鹽，例如N-膦醯基甲基甘氨酸的鈉鹽。如果反應混合物中的催化劑是以細分散的形式存在，優選的是使用的反應物濃度使得全部反應物和N-膦醯基甲基甘氨酸產物的鹽保留在溶液中，以便催化劑可以通過回收，例如通過過濾重新使用。通常較高的濃度可以減少反應時間，本領域的技術人員應該可以選擇理想的濃度以使得相對可溶的N-膦醯基甲基甘氨酸的鹽保留在溶液中。
另一方面，如果本發明的催化劑以反應介質和含氧氣體從其上通過的固定相存在，其可以使用更高的反應物濃度以使得部分N-膦醯基甲基甘氨酸產物的鹼金屬鹽沉澱。
N-膦醯基甲基甘氨酸產物的鹼金屬鹽可以就這樣使用或如果以細分散形式存在，可以在除去催化劑之後將反應混合物酸化，將N-膦醯基甲基甘氨酸以游離酸形式沉澱。回收之後N-膦醯基甲基甘氨酸產物可以就這樣使用或可以轉化成具有除草用途的其他公知的鹽。
如下文中的實施例說明，本發明的理想的方法可以用於以高轉化率製備N-膦醯基甲基甘氨酸，在某些情況下接近100％轉化率(基於投入的N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮的量)。含磷副產物，如氨甲基膦酸的比例通常較小，N-膦醯基甲基甘氨酸的總產率相應較高。
N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮是已知的化合物，其容易通過2-噁唑烷酮、甲醛和三氯化磷的反應製備。2-噁唑烷酮也是已知化合物，容易通過尿素和乙醇胺在溶劑如二甲基乙醯胺中的反應製備。在該製備過程中我們已經發現，與生產2-噁唑烷酮的文獻方法比較，如果尿素和乙醇胺都是同時被漸漸加入到回流溶液中的話，該方法可以得到更好的產率。
本發明用下面的實施例說明，除非另有說明，其中所有的份數和百分數按重量計。製備例1將2-噁唑烷酮(14.4g)和多聚甲醛(4.85g)在乙酸(125g)中回流2小時。
冷卻至65℃之後，用10分鐘加入三氯化磷(23.4g)並且將混合物再回流2小時，然後倒入350ml水中再煮沸約2小時。
調節pH值1.0，真空中除去水得到N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮(28.3g)。經乙酸重結晶的樣品的核磁共振氫譜證實了該產物的結構。製備例2將250ml園底反應燒瓶裝上回流冷凝器、溫度計和磁攪拌器。加入二甲基乙醯胺(52ml；48.72g)並且加熱回流。用12分鐘從滴液漏鬥加入乙醇胺(12.20g)，同時以相同的速度將尿素(12.05g)通過漏鬥分小批量加入。加完後將反應混合物繼續攪拌回流。反應混合物每間隔一段時間用氣相色譜分析，6小時後判斷反應完全。將反應混合物放冷，然後用水泵蒸餾至剩下淺黃色油狀物，該油狀物放置固化。2-噁唑烷酮的產率經氣相色譜確定為93.6％。每摩爾乙醇胺對應的溶劑(二甲基乙醯胺)的比例從2.7摩爾變至8.3摩爾對該產率沒有明顯的不利影響。實施例1步驟1在100ml 25％苛性蘇打溶液中將5g製備例1的樣品物料回流水解4小時。利用真空除去水得到含有膦醯基甲基乙醇胺的鈉鹽和其他固體材料如氫氧化鈉和碳酸鈉的固體混合物。步驟2將1.14g步驟1產物的樣品溶於50ml蒸餾水中並加入5％Pt/C催化劑(0.75g)。測量其pH值為12.2。室溫下將混合物用氧氣鼓泡6小時。得到的溶液用P31 n.m.r.和H1 n.m.r.分析表明所有的起始物料都已經被消耗，膦醯基甲基甘氨酸是唯一的產物。實施例2將2.28g實施例1中步驟1產物的樣品溶於100ml蒸餾水中。將pH值為12.2的該溶液分成兩個等份。向其中一份中再加入0.11g碳酸鈉。向每一份中加入2.6g5％Pt/C催化劑。在55-60℃用氧氣鼓泡每份混合物6小時。
用P31 n.m.r.對兩份溶液的分析表明完全轉化成N-膦醯基甲基甘氨酸，沒有形成其他產物。因此表明加入碳酸鈉沒有不利影響。實施例3將實施例1中步驟1產物的樣品3.2g和含1g膦醯基甲基乙醇胺和2.2g氫氧化鈉/碳酸鈉的混合物溶於50ml蒸餾水中。
將附載於活性炭上的由4％Pd/1％Pt/5％Bi組成的相當於2.3g乾重的催化劑(CEF 196 XRA/W型；Degussa)加入混合物中並用水稀釋該混合物至100ml。
在55℃用以1300rpm運行的汽輪式攪拌器以55ml/分氣吹該混合物。
過濾除去催化劑之後，P31 nmr顯示所有的膦醯基甲基乙醇胺都已經消耗。僅僅檢測到微量的氨甲基膦酸(N-膦醯基甲基甘氨酸與氨甲基膦酸的比率是98∶2)，沒有生成其他磷混合物。實施例4-9使用下列表中所示的各種改進的催化劑重複實施例3的方法。所有的催化劑都附載在碳上。表中使用的術語＂催化劑負載量＂由所附載的催化劑重量基於步驟1產物重量的百分數定義。由N-膦醯基甲基甘氨酸(PMG)的百分產率給出結果。反應中形成了小部分作為副產物的氨甲基膦酸(AMPA)。在那些其中PMG和AMPA的產率之和小於100％(在實驗誤差範圍內)的實施例中，殘餘物是末反應的起始物料，它表明反應在完全之前被中斷。實施例催化劑 催化劑負 氧化時間 PMG產率 AMPA產率載量(％) (小時) (％)(％)4 5％Pd/5％Bi 40 2 58 165 4％Pd/1％Pt/5％Bi 40 3 90 76 4％Pd/1％Pt/5％Pb 40 2 58 27 4.5％Pd/0.5％Pt/5％Bi 40 3 89 88 4％Pd/1％Pt/5％Bi 200 1 98 29 4％Pd/1％Pt/5％Bi 10 3 92 8實施例10除了氧化時間為1.5小時之外重複實施例3的方法。PMG的產率是94％。催化劑經過濾回收並且在使用實施例3的方法的第二次製備中重新使用。PMG的產率是96％。催化劑再經過濾回收並且在使用實施例3的方法的第三次製備中重新使用。PMG的產率是95％。實施例11
該實施例說明使用較高濃度的反應物。將含有15g膦醯基甲基乙醇胺和33g鹼(氫氧化鈉/碳酸鈉)的實施例1的步驟1產物樣品48g溶於80ml水中。
將附載於活性炭上的由4％Pd/1％Pt/5％Bi組成的相當於6g乾重的催化劑(CEF 196 XRA/W型；Degus sa)懸浮於20ml蒸餾水中。
將催化劑懸浮體加入氧化器中，保持溫度在55℃將空氣以55ml/分的速率吹過。保持溫度在55℃用3小時將膦醯基甲基乙醇胺的溶液慢慢加入氧化器中。
再反應半小時後，過濾除去催化劑，P31 nmr的分析表明所有的膦醯基甲基乙醇胺都已經被消耗。測定PMG的產率為92％，約有8％的氨甲基膦酸。實施例12該實施例說明使用酸水解。
將N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮(3g)，水(30g)和98％的硫酸(10mg)加入裝有攪拌器、壓力計和熱電偶的100ml哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金(Hastelloy)壓力容器。
用30分鐘將該容器加熱至200℃並且保持該溫度3.5小時，在此期間測量壓力為19bar。將反應混合物冷至49℃並將壓力放空。將反應器中的物料排出，經分析(磷nmr)表明反應混合物中含有膦醯基甲基乙醇胺。通過滴加47％的氫氧化鈉溶液將反應混合物調至pH12.6，然後使用實施例3的方法氧化得到產率為96％的PMG和4％的AMPA(產率由定量的磷nmr譜推定)。
權利要求
1.一種生產N-膦醯基甲基甘氨酸和其鹽的方法，包括在含水介質中水解N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮，然後在氧化催化劑存在下在含水鹼性介質中使用含氧氣體氧化水解產物。
2.一種生產N-膦醯基甲基甘氨酸和其鹽的方法，包括在含水鹼性介質中水解N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮，然後在氧化催化劑存在下在含水鹼性介質中使用含氧氣體氧化水解產物。
3.根據權利要求2的方法，其中為水解提供鹼性介質和為氧化提供鹼性介質所用的鹼是相同的並且是鹼金屬氫氧化物或鹼土金屬氫氧化物。
4.根據權利要求3的方法，其中的鹼是氫氧化鈉。
5.根據權利要求2至4之一的方法，其中水解的溫度為室溫至130℃。
6.根據權利要求2至4之一的方法，其中水解在大氣壓力下在反應介質的回流溫度下進行。
7.根據前述任何權利要求的方法，其中氧化催化劑含有鉑，鈀，釕，銅，鎳，鋅或鐵。
8.根據權利要求7的方法，其中氧化催化劑還含有鉍，銻，鉛，錫或硒助催化劑。
9.根據權利要求8的方法，其中氧化催化劑含有鉑或鈀或它們的混合物以及與之相結合的鉍助催化劑。
10.根據前述任何權利要求的方法，其中催化劑附載於碳載體上。
11.根據權利要求10的方法，其中催化劑的金屬含量範圍是2％至8％(重量)的鈀以及與之相結合的0至5％(重量)的鉑和0至5％(重量)的鉍或者其中催化劑的金屬含量範圍是2％至8％(重量)的鉑以及與之相結合的0至5％(重量)的鈀和0至5％(重量)的鉍。
12.根據前述任何權利要求的方法，其中氧化反應在環境溫度至100℃的溫度下進行。
13.根據前述任何權利要求的方法，其中氧化反應在pH11-13下進行。
14.根據前述任何權利要求的方法，其中催化劑被回收重新使用。
全文摘要
本發明涉及一種生產N-膦醯基甲基甘氨酸和其鹽的方法，包括在含水介質中水解N-膦醯基甲基-2-噁唑烷酮，然後在氧化催化劑，例如任選地含有如鉍的助催化劑的鉑或鈀催化劑存在下在含水鹼性介質中使用含氧氣體氧化水解產物。
文檔編號C07F9/38GK1125948SQ9419253
公開日1996年7月3日 申請日期1994年5月27日 優先權日1993年6月21日
發明者I·霍金森 申請人:曾尼卡有限公司