DE1249275B - Verfahren zur Herstellung von Nitrilo - tris - methylenphosphonsaure - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Nitrilo - tris - methylenphosphonsaureInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CL:
C07f
Deutsche KL: 12 ο-26/01
Nummer: 1 249 275.
Aktenzeichen: K 57930IV b/12 ο
Anmeldetag: 16. Dezember 1965
Auslegetag: 7. September 1967
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure.
Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure hat in jüngster
Zeit zunehmend an technischer und wirtschaftlicher Bedeutung gewonnen, da es sich infolge seiner Eigenschaft,
mit zahlreichen Metallverbindungen Komplexsalze zu bilden, bei der Herstellung von Waschmitteln
als Zusatzstoff zur Enthärtung des Waschwassers besonders gut bewährt hat. Der Einsatz dieser Verbindung
in technischem Maßstab als Waschmittelkomponente hängt jedoch vom Auffinden eines wirtschaftlich
günstigen Herstellungsverfahrens ab, was bisher noch fehlte.
Gemäß der französischen Patentschrift 1 342 412 ist es wohlbekannt, Aminoalkylenphosphonsäure
generell durch Umsetzung von Ammoniak oder Aminen oder entsprechender Ammoniumsalze mit
Aldehyden oder Ketonen und orthophosphoriger Säure herzustellen, wobei je nach den Mengenverhältnissen
der Ausgangskomponenten Amino-mono-, -di- oder -trialkylenphosphonsäure erhalten werden.
Im Fall der Verwendung eines Ammoniumsalzes und Formaldehyd mit dem Ziel, Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure
herzustellen, liegt der bekannten Umsetzung folgende Reaktionsgleichung (I) zugrunde:
NH4Cl + 3 CH2O + 3H-P==O
OH
OH
/ / OH\
■> N CH2-PrO +3H2O + HCl (I)
\ XOH/3
Wie aus vorhergehender Gleichung ersichtlich beträgt das Molverhältnis der Ausgangsstoffe 1:3:3.
Man kann jedoch im Verhältnis zur eingesetzten Menge Ammonchlorid auch einen Überschuß an
Formaldehyd oder orthophosphoriger Säure verwenden, ohne daß hierdurch die Ausbeute an dem erwünschten
Verfahrensprodukt beeinträchtigt wird. Liegt dagegen Ammonchlorid im Überschuß zu den
übrigen Komponenten vor, so wird ein Gemisch aus Amino-mono-, -di- und -trimethylenphosphonsäure
erhalten. Die Durchführung des bekannten Verfahrens erfolgt beispielsweise derart, daß man eine wäßrige
Lösung von orthophosphoriger Säure und Ammonchlorid auf eine Temperatur zwischen 75 und 2000C
unter Rückfluß erwärmt und in die Lösung eine wäßrige 37°/oige Formaldehydlösung nach und nach
zufließen läßt. Nach beendeter Reaktion und Abkühlen Verfahren zur Herstellung von Nitrilo-trismethylenphosphonsäure
Anmelder:
Knapsack Aktiengesellschaft, Knapsack bei Köln
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Chem. Dr. Wilhelm Vogt, Hermann Glaser, Knapsack
Dipl.-Chem. Dr. Wilhelm Vogt, Hermann Glaser, Knapsack
des Reaktionsgemisches auf 20° C fällt die Nitrilotris-methylenphosphonsäure
aus der wäßrigen Lösung aus und wird abgetrennt. Gemäß einem weiteren Merkmal der bekannten Arbeitsweise ist es erforder-
ao lieh, im Reaktionsgemisch stets einen pH-Wert
unterhalb 4, vorzugsweise 2, aufrechtzuerhalten, Außerdem kann an Stelle einer wäßrigen Formaldehydlösung
auch Paraformaldehyd verwendet werden. Schließlich wird es gemäß der französischen Patentschrift
1 342 412 als vorteilhaft bezeichnet, dem Ausgangsgemisch geringe Mengen einer Halogenverbindung,
wie z. B. Chlor-, Brom- oder Jodwasserstoffsäure oder ein Salz dieser Säuren, zuzusetzen, um die
Entstehung von Orthophosphorsäure aus der orthophosphorigen Säure zu verhindern.
Die Verwendung von Paraformaldehyd und insbesondere phosphoriger Säure zur Herstellung von
Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure ist unwirtschaftlich,
da beide Substanzen, in technischem Maßstab angewandt, zu teuer sind. Im Fall der phosphorigen
Säure ist es notwendig, diese durch Hydrolyse von Phosphortrichlorid herzustellen, wozu eine besondere
Anlage erstellt werden muß. Das Verfahren der Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure durch Umsetzung
von Ammoniak oder Ammonsalzen mit Formaldehyd und einer Verbindung des dreiwertigen
Phosphors in wäßriger Lösung im Molverhältnis von etwa 1:3:3 bei einer Temperatur zwischen etwa 70 und
200°C unter Einhaltung eines pH-Wertes im Reaktionsgemisch
von höchstens 4 und Abtrennen der nach beendeter Reaktion aus dem abgekühlten Reaktionsgemisch
ausgefallenen Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure besteht nunmehr darin, daß man die
Umsetzung mit Phosphortrichlorid als Verbindung des dreiwertigen Phosphors durchführt.
709 640/587
Die Verwendung von Phosphortrichlorid an Stelle von phosphoriger Säure. als Reaktionskomponente
war auf Grund des durch Walker in »Formaldehyde«, 1953, S. 197, vermittelten Hinweises nicht
in Erwägung zu ziehen, wonach Phosphortrichlorid mit Formaldehyd oder Paraformaldehyd unter bestimmten
Bedingungen Methylenchlorid oder symmetrischen Dichlormethyläther bildet. Diese Produkte
sind nach der Erfindung nicht erwünscht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung läßt man in die wäßrige
Lösung eines Gemisches aus Ammoniak oder eines Ammonsalzes und Formaldehyd Phosphortrichlorid
nach und nach zufließen, wobei durch Kühlen eine Temperatur von unterhalb 70° C, vorzugsweise zwisehen
etwa 60 und 7O0C, aufrechterhalten wird, worauf man das Reaktionsgemisch nach beendeter
Chlorwasserstoffentwicklung noch kurze Zeit, beispielsweise V2 bis 1 Stunde, auf eine Temperatur
zwischen etwa 7O0C und dem Siedepunkt des Gemisches,
vorzugsweise zwischen etwa 110 und 1150C,
erwärmt und nach anschließendem Abkühlen auf Raumtemperatur die ausgefallene Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure
durch Filtration oder durch Zentrifugieren der Reaktionsmischung abtrennt.
Die als Ausgangsprodukt dienende wäßrige Formaldehydlösung enthält im allgemeinen 30 bis 37 Gewichtsprozent
Formaldehyd. In diese Lösung kann die berechnete Menge Ammoniak entweder gasförmig
eingeleitet oder als konzentrierte wäßrige Lösung zugegeben werden. Die hieraus resultierende Lösung
wird dann mit Phosphortrichlorid umgesetzt, wobei letzteres zunächst zu Chlorwasserstoff und orthophosphoriger
Säure hydrolysiert wird, welche anschließend mit Ammoniak und Formaldehyd in Reaktion tritt.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung eines Additionsproduktes des Ammoniaks
mit Formaldehyd an Stelle von Ammoniak als Ausgangskomponente, wie es im Hexamethylentetramin
vorliegt. In diesem Fall liegt der erfindungsgemäßen Umsetzung folgende Reaktionsgleichung (II) zugrunde,
in welcher für Hexamethylentetramin die Summenformel C6H12N4 eingesetzt ist:
C6H12N4 + 6 CH2O + 12 PCl3 + 3 OH2O » 4 N CH2
+ 36 HCl
(Π)
Auch dieser Gleichung sind die in Gleichung (I) genannten Molverhältnisse von Ammoniak zu Formaldehyd
zu Phosphortrichlorid wie 1:3:3 zu entnehmen,
wenn man berücksichtigt, daß Hexamethylentetramin aus 4 Mol Ammoniak und 6 Mol Formaldehyd gebildet
wird.
Im einzelnen soll zu dem Verfahren der Erfindung noch folgendes bemerkt werden:
Zur Durchführung des Verfahrens trägt man unter Einhaltung des vorstehend angegebenen Molverhältnisses
von Ammoniak zu Formaldehyd zu PCl3 zweckmäßigerweise in eine 30 bis 37gewichtsprozentige
Formaldehydlösung eine bestimmte Menge gasförmiges Ammoniak oder eine konzentrierte wäßrige Ammoniaklösung
ein und läßt anschließend in dieses Gemisch unter guter Durchmischung Phosphortrichlorid
nach und nach einfließen. Die sofort einsetzende Hydrolyse des Phosphortrichlorids unter
Bildung von orthophosphoriger Säure ist an der Entwicklung gasförmigen Chlorwasserstoffs erkennbar.
Nach Beendigung der Gasentwicklung erhitzt man das Reaktionsgemisch noch etwa 1J2 bis 1 Stunde auf
110 bis 1150C. Durch Abkühlen auf Raumtemperatur fällt kristallisierte Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure
aus der Reaktionslösung aus und kann in bekannter Weise, z. B. durch Filtration oder Zentrifugieren,
abgetrennt werden. In der dabei anfallenden Mutterlauge sind als Nebenprodukte geringe Mengen von
Amino-mono-, bzw. -dimethylenphosphonsäure gelöst. Die Mutterlauge kann in weiteren Ansätzen
verwendet werden. Um bei der erfindungsgemäßen Umsetzung Phosphortrichloridverluste zu vermeiden,
welche eventuell dadurch entstehen können, daß Teile des Phosphortrichlorids von dem aus dem Reaktionsgemisch entweichenden Chlorwasserstoffstrom mitgerissen
werden, ist es vorteilhaft, einen Teil der wäßrigen Ausgangslösung, in welche Phosphortrichlorid
eingetragen wird, über eine Waschkolonne im Gegenstrom zum entweichenden Chlorwasserstoff
dem Reaktionsgefäß zuzuführen.
Die Verwendung von Phosphortrichlorid an Stelle von phosphoriger Säure beim Verfahren der Erfindung
ist mit verschiedenen wirtschaftlichen und technischen Vorteilen verbunden. Phosphortrichlorid stellt ein
billiges Ausgangsprodukt dar, das unmittelbar mit den übrigen Reaktionskomponenten umgesetzt werden
kann, ohne daß es zuvor in einer besonderen Apparatur in phosphorige Säure übergeführt werden muß. Da
die erfindungsgemäße Reaktion in wäßriger Phase abläuft, kann die Hydrolyse des Phosphortrichlorids
in der wäßrigen Ausgangslösung erfolgen. Die Herstellung der Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure kann
somit in einer Verfahrensstufe durchgeführt werden. Weiterhin kann auf eine besondere Zugabe von Chlorwasserstoff
in das Reaktionsgemisch zur Stabilisierung der orthophosphorigen Säure verzichtet werden, da
durch die Hydrolyse des Phosphortrichlorids Chlorwasserstoff in ausreichendem Maße gebildet wird.
42 g oder 0,3 Mol Hexamethylentetramin wurden in 180 cm3 Wasser gelöst und diese Lösung mit 160 g
oder 1,9 Mol einer 36gewichtsprozentigen Formaldehydlösung vereinigt. In die erhaltene Mischung
wurden unter starkem Rühren und Kühlung 495 g oder 3,6 Mol Phosphortrichlorid eingetropft derart,
daß die Temperatur des Reaktionsgemisches zwischen 60 und 7O0C betrug. Der durch die Hydrolyse des
Phosphortrichlorids entstandene Chlorwasserstoff wurde laufend abgeführt. Nach beendeter HCl-Entwicklung
wurde die Reaktionsmischung noch 1 Stunde auf HO0C erhitzt und anschließend auf Raumtemperatur
abgekühlt, wobei die Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure
als Kristallisat aus der wäßrigen Lösung ausfiel. Die erwünschte Säure wurde abfiltriert
und getrocknet. Die Ausbeute an Nitrilo-trismethylenphosphonsäure betrug 54 %>
bezogen auf die eingesetzte Menge an Phosphortrichlorid.
In der Mutterlauge waren als Nebenprodukte Amino-dimethylenphosphonsäure sowie Amino-mono-
methylenphosphonsäure in einer Menge von 26 bzw. 2O°/oj bezogen auf die Menge an Phosphortrichlorid,
enthalten.
In 160 g einer 36%igen Formaldehydlösung wurde
zur Bildung von Hexamethylentetramin Ammoniakgas so lange eingeleitet, bis die Lösung leicht basisch
reagierte. Anschließend wurden in diese Lösung weitere 160 g 36%ige Formaldehydlösung eingetragen.
Das so erhaltene Gemisch wurde analog der Arbeitsweise im Beispiel 1 mit 495 g PCl3 umgesetzt und
aufgearbeitet. Die Ausbeute an Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure
betrug 74 %> an Amino-dimethylenphosphonsäure 19 % und an Amino-methylenphosphonsäure
7 %> bezogen auf eingesetztes PCl3.
Ein Gemisch von 132 g Hexamethylentetramin und 500 g einer 36gewichtsprozentigen wäßrigen Formaldehydlösung
wurde, wie im Beispiel 1 beschrieben, mit 1650 g PCl3 umgesetzt. Der aus dem Reaktionsgemisch entweichende Chlorwasserstoff wurde während
der Reaktionszeit in einer Glockenbodenkolonne, die für geringe Flüssigkeitsbelastung verwendbar ist,
im Gegenstrom mit 600 g Wasser ausgewaschen. Die am Fuß der Kolonne ablaufende Salzsäure, die
geringe Mengen Formaldehyd und phosphorige Säure enthielt, wurde dabei laufend dem Reaktionsgefäß
zugeführt. Anschließend wurde das Reaktionsgemisch noch 1 Stunde unter Rückfluß gekocht, auf Raumtemperatur
abgekühlt und die Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure
in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise isoliert. Die zurückgewonnene Mutterlauge,
welche noch geringe Mengen Amino-methylenphosphonsäure sowie Amino-dimethylenphosphonsäure
enthielt, wurde für weitere Ansätze zur Herstellung von Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure verwendet.
Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure wurde in einer
Ausbeute von 86%, bezogen auf Phosphortrichlorid, erhalten.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von Nitrilo-trismethylenphosphonsäure
durch Umsetzung von Ammoniak oder Ammonsalzen mit Formaldehyd und einer Verbindung des dreiwertigen Phosphors
in wäßriger Lösung im Molverhältnis von etwa 1:3:3 bei einer Temperatur zwischen etwa 70 und
200°C unter Einhaltung eines pH-Wertes im Reaktionsgemisch von höchstens 4 und Abtrennen
der nach beendeter Reaktion aus dem abgekühlten Reaktionsgemisch ausgefallenen Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure,
dadurchgekennzeichnet, daß man die Umsetzung mit Phosphortrichlorid
als Verbindung des dreiwertigen Phosphors durchführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung mit Hexamethylentetramin
an Stelle von Ammoniak durchführt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Bekanntgemachte Unterlagen des belgischen Patents Nr. 638 882.
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