DE2942898A1

DE2942898A1 - Verfahren zur herstellung von n-phosphonomethylglycin

Info

Publication number: DE2942898A1
Application number: DE19792942898
Authority: DE
Inventors: Rodolphe Dipl Ing Chem Ehrat
Original assignee: BCAP BIOLOG CHEM ACT PAT
Current assignee: BCAP BIOLOG CHEM ACT PAT
Priority date: 1978-10-27
Filing date: 1979-10-24
Publication date: 1980-05-08
Also published as: US4237065A; GB2034313B; FR2439789A1; CA1140149A; GB2034313A; CH647528A5; FR2439789B1; NL7907853A; BR7906947A; ES485260A1

Description

BLUMBACH · WEoER · BER3EN . KRAMER29 4 2 8 9 ZWIRNER · 3REHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

• I»·

Patentconscli RadeckestraSe 43 8000 Mü.-Jien 60 Telefon (039) 883603/833604 Telox 05-212313 Tc-Ieg'amme Palentconsull ?atentconsult Sonnenbcrger Strafle 43 6200 W.esbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme PatentconsJi

Biological Chemical Activities 23. Okt. 1979

.Patents SA B.G.A.P. 79/8102

4p» rue Goethe
Luxemburg

Verfahren ?ur Herstellung von N-Phosphoncmethvlglycin

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues, sehr günstiges Verfahren zur Herstellung von N-Phosphonomethylglycin (PMG).

Es ist bekannt, dass N-Phosphonomethylglycj.n als Ausgangsprodukt beispielsweise für herbizide Wirkstoffe mit. günstigen Eigenschaften dienen kann, und es ist weiterhin bekannt, dass diese Verbindung zur Zeit nur nach komplizierten, aufwendigen Verfahren in geringen Ausbeuten erhältlich ist.

12s besteht daher ein Bedarf nach einem neuen/ stark verbesserten Verfahren zcr Herstellung von N-Phosphonomethylglycin, welches die Nachteile und Beschränkungen der bisher bekannten Verfahren nicht aufweist.

Aufgabe der Erfindung war die Schaffung eines

München: R. Kramer "ipl.-lng. · W. Wesei Oipl.-Phys. Dr. rer. nat. ■ H. P. Srehm D^;p!.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbader: P.G. Blumbach Dipl.-Int. · P. Borgen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-VV.-lng

030019/077 9

derartigen Verfahrens. Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäss im neuen Verfahren, welches sich durch Einfachheit und kurze Reaktionszeiten auszeichnet und welches unmittelbar die Herstellung von Produkten in einer zur Weiterverarbeitung ausreichenden Reinheit und mit geringeren Kosten gestattet. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man Glycin in einer alkoholischen Lösung von Formaldehyd und einer tertiären Base auflöst, worauf nach beendigter Auflösung ein Dialkylphosphit zugegeben wird, und dass nach Vervollständigung der Umsetzung eine alkalische Hydrolyse vorgenommen und aus dem Hydrolysengemisch durch Säure das gebildete N-Phosphonomethylglycin ausgefällt wird. Bei seiner praktischen Ausführung umfasst das Verfahren folgende Schritte:

Man löst in Alkohol unter Erwärmen Paraformaldehyd auf und depolymerisiert dieses in Gegenwart einer kleinen Menge einer tertiären Base. Dann fügt man das Glycin zu und gleichzeitig eine grössere Menge der genannten tertiären Base. Wenn die Auflösung vollständig ist, gibt man ein Dialkylphosphit zu, lässt in der Wärme reagieren und verseift den gebildeten Ester dann mit wässriger Natronlauge, wobei der Alkohol und die

0300 1 9/0779

genannte tertiäre Base entfernt werden. Schliesslich säuert man die erhaltene alkalische Lösung an, wodurch N-Phosphonomethylglycin ausfällt.

Nach dem erfindungsgemässen Verfahren setzt man also das Glycin, den Formaldehyd und ein Dialkylphosphit unter bestimmten Bedingungen miteinander um, wobei eine besonders glatt verlaufende Umsetzung erzielt wird, und es ist ausserdem möglich, die Nebenprodukte des Verfahrens weiter zu verwenden.

Die Reaktionsbedingungen sind derart, dass es erlaubt ist, das Glycin - d.h. eine Aminosäure einfach als ein Amin zu betrachten, welches in einem Alkohol oder in Wasser löslich ist.

Es ist bekannt, dass in einer Mannich-Reaktion Formaldehyd mit Aminen und Dialkylphosphiten Phosphonomethylamine erhalten kann; der Einsatz von Aminosäuren in dieser Reaktion war überraschend.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist zu sagen, dass gemäss einem besonders wichtigen Merkmal des Verfahrens die Auflösung des Glycins in einer alkoholischen, Formaldehyd und tertiäres Amin enthaltenden Lösung erfolgt, wobei folgende Gleichgewichtsreaktionen ablaufen:

030019/0779

R-OH H

, I

CH O+H₂NCH₂COOH+NR'₃^===i: HOCH₂NCH₂COOH.NR ₃

ΓΗ Γ)+Η ΝΓΗ^ηηηΗ+NR ' -^ CH₂=NCH₂COOH.NR' +H₂O

wodurch sich unmittelbar zwei Produkte bilden, nämlich N-Methylolglycin und/oder N-Methylenglycin, die dann mit dem Dialkylphosphit reagieren.

Um eine vollständige Auflösung des Glycins im Alkohol zu erhalten, sind minimale stochiometrische Mengenverhältnisse gegenüber dem Formaldehyd und der tertiären Base erforderlich; das völlige oder teilweise Fehlen nur eines dieser Bestandteile verhindert die Auflösung oder verursacht das Ausfallen des Glycins. In der Praxis beginnt man damit, in einem Alkohol den Paraformaldehyd (Trioxymethylen) in der Wärme aufzulösen, wobei gleichzeitig eine Depolymerisation in Gegenwart einer tertiären Base erfolgt. Danach gibt man das Glycin und die übrige Base zu. Wenn vollständige Auflösung eingetreten ist, gibt man das Dialkylphosphit zu. Nach Umsetzung in der wärme wird der gebildete Ester verseift, und zwar mit wässriger Natronlauge, und der Alkohol und/oder die tertiäre Base werden entfernt. Dann wird die alkalische Lösung angesäuert, und es ergibt sich eine Fällung von N-Phosphonomethyl-

030019/0779

JBr

glycin.

übrigens kann man auch auf die alkalische Hydrolyse verzichten. Der Ester ist nämlich auch der Verseifung in saurem Medium zugänglich.

Das Reaktionsschema ist das folgende:

(RO) POH

*4

CH,O + H NCH.COOH 2.22

NCH COOH.NR

HOCH PO(OR)

Λ» · Λ*

R-OH

H I

(RO) OPCH NCH COOH/NR 2 2 '2

NaOH

HOCH PO(ONa)

H ( NaO) OPCH NCH COON _a

HOCH PO(OH)

2 * m*

HCl

HN

CH COOH

CH₂PO(OH)₂

030019/0779

29Λ2898

Was nun die Nebenprodukte betrifft, so ist erstaunlich, dass sich kein dimeres Produkt des Glycins bildet, beispielsweise N-Diphosphonomethylglycin, sondern vielmehr freie Hydroxymethylphosphonsaure, die man in Form ihres Calciumsalzes wiedergewinnen kann.

Die Reihenfolge der Zugabe der Reaktionsteilnehmer vor der Behandlung mit NaOH ist nicht kritisch; beispielsweise kann man die Lösung des Formaldehyds oder auch unmittelbar festen Paraformaldehyd zum Gemisch der anderen Reaktionsteilsnehmer, nämlich Glycin, Dialkylphosphit und tertiärer Base, geben; auch kann man gleichzeitig sämtliche Komponenten in fester oder flüssiger Form miteinander mischen und zusammen erwärmen. Das Ergebnis ist stets das gleiche mit Ausnahme geringer Schwankungen der Ausbeuten.

Bevorzugt arbeitet man jedoch in der bereits beschriebenen Reihenfolge, d.h. man vermischt den Alkohol mit Paraformaldehyd, gibt dann eine kleine Menge an tertiärer Base, dann das Glycin und die übrige Base zu; oder aber man vermischt den Alkohol mit Paraformaldehyd und Glycin und fügt am Ende die tertiäre Base zu.

Das Phosphit kann nun zu dieser Lösung zugegeben werden, oder die Lösung zum Phosphit. Der als

0300 19/0779

• JtD-

Lösungsmittel dienende Alkohol kann ein beliebiger Alkohol sein; man bevorzugt Alkohole mit geringer Kohlenstoff zahl und insbesondere das Methanol.

Die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel erlaubt die überprüfung der Richtigkeit der Reaktion; es fallen aber nur geringe Ausbeuten an, weil das Phosphonat im Wasser nicht stabil ist.

Der Formaldehyd wird vorzugsweise in Form eines wasserfreien Polymers anstelle einer wässrigen Lösung angewendet, und zwar aus den genannten Gründen.

Die tertiäre Base kann praktisch beliebig gewählt werden: Für den vorgesehenen Zweck sind aliphatische, aromatische und heterocyclische Basen brauchbar. Aus Gründen der bequemen Anwendung (Siedepunkt, Kosten, Wiedergewinnungsmöglichkeit) wird die Verwendung von Triäthylamin bevorzugt. Aus der Wahl von Methanol als Lösungsmittel und von Triethylamin als tertiäre Base ergibt sich als wichtiges Merkmal der Erfindung, dass die Wiedergewinnung und das Recycling dieser beiden Stoffe ausserordentlich zweckmässig ist. Wenn man nämlich die bei der Verseifung anfallende alkalische Lösung bei Gasphasentemperatur von nicht mehr als 70 C destilliert, so wird das gesamte Amin

0300 19/0779

■ M.

wiedergewonnen, und zwar in Form einer methanolischen Lösung mit einem Wassergehalt unter 1,1%. Diese Aminlösung kann ohne weitere Behandlung wieder verwendet werden, wobei natürlich auch eine Aufarbeitung durch Destillation oder Rektifikation möglich sind. Was nun den Ester der phosphorigen Säure betrifft, so sind auf ihn die bereits gemachten Aussagen für den Alkohol anwendbar; bevorzugt wendet man also Ester mit Alkoholen mit niedrigem Molekulargewicht an, wobei besonders die Ester des Methylalkohols und Äthylalkohols bevorzugt sind.

Es sollen nun einige wichtige Ausführungen bezüglich der Molverhältnisse gemacht werden, die man auswählt, wenn man das Verfahren der Erfindung optimieren will, und diese Betrachtungen beziehen sich auf die bisher gemachten Erfahrungen.

Im allgemeinen soll das Verhältnis Triäthylamin/Glycin nicht unter 1 liegen. Das Verhältnis von Formaldehyd zu Glycin kann zwischen 1 und 2 und auch darüber gewählt werden, liegt vorzugsweise jedoch zwischen 1,3 und 1,6, und das Verhältnis von Phosphit zu Glycin ist in noch weiteren Grenzen wählbar und beträgt beispielsweise 0,4 bis 2 und darüber, Vorzugs-

030019/0779

Ma·

weise 0,6 bis 1,6, je nachdem, ob man die Ausbeute auf Phosphit oder Glycin beziehen will. Die Menge an Lösungsmittel, vorzugsweise Methylalkohol, beträgt insbesondere 150 bis 500 ml oder darüber pro Mol Glycin. Die für die Hydrolyse erforderliche Menge an Natronlauge beträgt 3 bis 4 Mol NaOH, pro Mol verwendetem Phosphit; die zur Ausfällung des N-Phosphonomethylglycins erforderliche Salzsäuremenge orientiert sich an der eingesetzten Menge von NaOH. Nach der Ansäuerung soll jedenfalls ein pH zwischen 1 und 1,9 erreicht werden.

Reaktionszeiten und -temperaturen sind beim erfindungsgemässen Verfahren ebenfalls wichtig.

Paraformaldehyd löst sich in Gegenwart geringer Mengen von Diäthylamin schon bei 4 5 bis 50 C auf. Am Rückfluss erreicht man vollständige Auflösung in 5 bis 10 Minuten. Das Glycin löst sich unter dem vereinten Einfluss von Triäthylamin und Formaldehyd im Methylalkohol bei Zimmertemperatur in 1 bis 1,5 Stunden auf, und diese Zeit hängt stark von der Teilchengrösse des Glycins ab. Bei 60 bis 70 C erhält man unter diesen Bedingungen vollständige Auflösung in 15 bis 20 Minuten. Die zur Auflösung des Glycins führende Reaktion ist exotherm. Man kann, wie schon

0300 19/0779

•/13.

erwähnt, die Auflösung auch durch gleichzeitiges Vermischen aller Reaktionsteilnehmer in derselben Zeitspanne bewirken.

Der Zusatz des Phosphits kann im Verlaufe von 5 bis 120 Minuten geschehen. Die Temperatur kann zwischen Zimmertemperatur und Rückflusstemperatur liegen, die in diesem Falle bei der Verwendung von Methanol als Lösungsmittel zwischen 70 und 75 C liegt. Vorzugsweise wählt man jedoch eine Reaktionstemperatur von 65 bis 70 C und eine Reaktionsdauer von 30 bis 120 Minuten, vorzugsweise etwa eine Stunde. Die Reaktion ist schwach exotherm. Beim Zusatz der Natronlauge zum Reaktionsgemisch oder umgekehrt entsteht eine starke Wärmebildung, die jedoch leicht kontrollierbar ist. Die Zeitdauer zur Hydrolyse des Phosphonsaureesters im alkalisch-alkoholischen Milieu beträgt etwa 1 bis 2 Stunden, wonach man im Verlaufe von 1 bis 2 Stunden das Gemisch aus Alkohol und Triäthylamin abdestilliert. Man kann schon zu Beginn des Aufheizens mit dem Abdestillieren des Gemisches beginnen. Die Sumpftemperatur kann bis 100 bis 120 C steigen und liegt vorzugsweise zwischen 100 und 105°C.

Die Ausfällung durch Kristallisation des

030019/0779

Ak.

N-Phosphonomethylglycins ist bei einem pH zwischen 1 und 2 und einer Temperatur zwischen 10 und 20 C in etwa bis 4 Stunden vollkommen.

Die nachfolgenden Beispiele sollen zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen, womit jedoch keine Einschränkung der Erfindung verbunden ist. Anstelle des eingesetzten Diathylphosphits kann man auch die entsprechende molare Menge an Dimethylphosphit verwenden.

Beispiel 1

In einem mit Rührer, Thermometer, Rückflusskühler und Tropftrichter versehenen Kolben gibt man ml Methanol, 45 g (1,5 Mol) Paraformaldehyd und 5 bis 10 ml Triäthylamin. Bis zur vollständigen Auflösung, die 5 bis 10 Minuten braucht, wird zum Rückfluss erhitzt.

Nun gibt man 75 g (1 Mol) Glycin und unter ständigem Rühren tropfenweise 102 g (104 ml, 1 Mol) Triäthylamin zu. Man hält die Temperatur während 30 bis 60 Minuten auf 60 bis 70°C. In die so gebildete klare Lösung tropft man im Verlaufe von 5 bis 10 Minuten 91 g (85ml, 0,66 Mol) Diäthylphosphit. Nun wird 1 bis I^ Stunden lang bei 65 bis 72 C am Rückfluss gerührt. Während der darauf folgenden Abkühlung gibt man 240 g 40%ige Natronlauge (2,5 Mol NaOH) nach und kocht I^

0300 19/0779

Stunden am Rückfluss. Nach dieser Zeit beginnt man mit dem Abdestillieren des Gemisches aus Methanol und Triäthylamin, und man erreicht eine vollständige Wiedergewinnung des letzteren. Die Sumpftemperatur beträgt nach 1 bis 2 Stunden etwa 100 bis 110°C.

Man lässt abkühlen und säuert mit konzentrier ter Salzsäure auf pH 1,5 an. Nun fällt langsam das N-Phosphonomethylglycin aus. Nach drei bis vier Stunden bei 15 C wird filtriert, der Rückstand mit Wasser gewaschen und getrocknet. Man erhält 65 bis 71 g weisse bis gelbliche Kristalle mit einer Reinheit von 98%.

Die Ausbeute bezogen auf Glycin beträgt bis 42%. Die Ausbeute bezogen auf Diathylphosphit ist 57,5 bis 63,5%.

Beispiel 2

In den im Beispiel 1 beschriebenen Kolben bringt man 500 ml Methanol, 45 g (1,5 Mol) Paraformaldehyd, 75 g (1 Mol) Glycin und bei 40 bic 45° C tropfenweise 102 g (140 ml, 1 Mol) Triäthylamin. Man hält 30 bis 60 Minuten bei 60 bis 70° C, und nach Vervollständigung der Auflösung tropft man im Verlaufe von Minuten 138 g (129 ml, 1 Mol) Diathylphosphit ein.

030019/0779

Nach 1 bis I^ Stunden bei 65 bis 70 C beginnt man mit dem Eintropfen einer 30%igen Natronlauge (140 g, 3,5 Mol NaOH). Man kocht am Rückfluss und sammelt das Gemisch aus Methanol und Triäthylamin, welches abdestilliert. Man erreicht eine Sumpftemperatur von 105 C nach ungefähr 3 Stunden.

Man kühlt die Mischung ab und säuert auf pH 1,5 an. Man erhält 81 bis 88 g N-Phosphonomethylglycin mit einer Ausbeute von 48 bis 52%, bezogen auf Glycin oder Diäthylphosphit.

Beispiel 3

Man geht wie im vorhergehenden Beispiel
vor, steigert jedoch die Menge an Diäthylphosphit auf 1,5 Mol (207 g, 194 ml) und dementsprechend die Menge an NaOH auf 200 g (5 Mol) in Form einer 30%igen Lösung. Man erhält 98 bis 107 g N-Phosphonomethylglycin. Die Ausbeute, bezogen auf Diäthylphosphit, beträgt 38,6
bis 42%, und auf Glycin bezogen 58 bis 63%.

030 0 19/0779

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.1- Verfahren zur Herstellung von N-Phosphonomethylglycin, dadurch gekennzeichnet, dass man Glycin in einer alkoholischen Lösung von Formaldehyd und einer tertiären Base auflöst, nach Vervollständigung der Auflösung ein . Dialkylphosphit zugibt und nach beendigter Umsetzung eine alkalische Hydrolyse ausführt, worauf bei nachfolgender Ansäuerung eine Fällung von N-Phosphonomethylglycin entsteht.

2. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man Paraformaldehyd in der Wärme im Alkohol auflöst, wobei eine Depolymerisation durch Zugabe katalytischer Mengen einer tertiären Base eintritt, dass man das Glycin und den Rest der genannten tertiären Base zufügt, dass man nach Vervollständigung der Auflösung ein Dialkylphosphit zugibt, die Reaktion in der Wärme ablaufen lässt und den gebildeten Ester mit wässriger Natronlauge verseift, worauf der Alkohol und die tertiäre Base aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden, und dass man schliesslich die erhaltene alkalische Lösung ansäuert, wobei N-Phosphonomethylglycin ausfällt.

3. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

ü ;uj U 1 9 / η 7 7 9

ORIGINAL INSPECTED

gekennzeichnet, dass man als Alkohol Methanol verwendet, den Formaldehyd als Trioxymethylen oder Paraformaldehyd einsetzt und als tertiäre Base Triethylamin verwendet.

4. - Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die erhaltene alkalische Verseifungslösung auf ein pH von weniger als 2 ansäuert.

5. - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Lösung von Triethylamin in Methanol einsetzt, erhalten durch Destillation bei einer 70 C nicht übersteigenden Temperatur der beim Verfahren anfallenden wässrig-alkalischen Verseifungslösung, zwecks Wiedergewinnung und Kreislaufführung des Amins und des Lösungsmittels.

6. - Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Molverhältnis von Triäthylamin zu Glycin nicht unter 1 liegt, von Paraformaldehyd zu Glycin zwischen 1 und 2, vorzugsweise zwischen 1,3 und 1,6,und von Phosphit zu Glycin zwischen 0,4 und 2, vorzugsweise zwischen 0,6 und 1,6 liegt, dass die Menge an Lösungsmittel, vorzugsweise Methanol 150 bis 500ml pro Mol Glycin, und die Menge an NaOH bei der Verseifung zwischen 3 und 4 Mol pro Mol verwendetem Phosphit liegt, und dass die Menge der zur Ansäuerung verwendeten

0300 19/0779

Säure gleich oder wenig höher als die entsprechende Molmenge an NaOH liegt.

7. - Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die bei der Umsetzung gebildete oxymethylen-phosphorige Säure als Nebenprodukt gewinnt.

8. - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man die gebildete oxymethylen-phosphorige Säure als unlösliches Salz, insbesondere Calciumsalz, vor oder nach der Abtrennung des N-Phosphonomethylglycins ausfällt und wiedergewinnt.

030019/0779