DE2061838C3 - 2-Phosphono-butan-1,2-dicarbonsäure-Derivate, Verfahren zu ihrer Herstellung und diese Verbindungen enthaltende Mittel - Google Patents
2-Phosphono-butan-1,2-dicarbonsäure-Derivate, Verfahren zu ihrer Herstellung und diese Verbindungen enthaltende MittelInfo
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Description
HO
CH1-CO-OH
in welcher R für Wasserstoff, Alkyl mit bis zu 4 Kohlenstoffatomen und für die Carboxyl-Gruppe
steht, R' für Wasserstoff und Methyl steht und R2 für
die Carboxyl-Gruppe steht.
2. Verfahren zur Herstellung von 2-Phosphonobutan-1,2-dicarbonsäure-Derivaten
gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man an Phosphonobernsteinsäure-tetraalkylester der Formel
R1O O
P —CH-CO-OR4
CH1-CO-OR4
in welcher R3 und R4 für Alkyl mit bis zu 4 Kohlenstoffatomen stehen, aktivierte Kohlenstoff-Doppelbindungen
tragende Verbindungen der For- .vs me!
R1
40
R- CH C R"
in welcher R1 die oben angegebene Bedeutung hat,
R5 für Wasserstoff, Alkyl und Carboalkoxy mit
jeweils bis zu 4 Kohlenstoffatomen stein und Rb für
Cyan, die Carbonamide)- und die Carboalkoxy-Gruppe steht, in Gegenwart von katalytisch wirksamen
starken Basen addiert und die Addukte der Formel
R- R1
; i
R1O O CII CII R"
^ Ii f
P C CO OR4 R-1O CH, CO OR4
in welcher R1, R1, R4, R'1 und Rh die oben angegebene
Bedeutung haben, anschließend mil wäßrigen Mineralsäuren zu den Verbindungen gemäß Anspruch
1 verseift.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als katalytisch wirksame starke Hasen Alkalialkoholatc verwendet werden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als katalytisch wirksame starke Base
Natriummcthylat verwendet wird.
Die vorliegende Anmeldung betrifft den in, den
Patentansprüchen gekennzeichneten Gegenstand.
Es ist bereits bekanntgeworden, daß sich zur Sequestrierung von Erdalkaliionen in alkalischem
Medium neben herkömmlichen Komplexbildnern, wie Nitrilotriessigsäure, auch Phosphonsäuren eignen, die in
der Lage sind, die Ausfällung von schwerlöslichen Erdalkaliverbindungen zu verhindern. Für diesen Zweck
sind z. B. Nitrilo-tris-mcthylenphosphonsäurc, I-Hydroxyäthan-l,l-diphosphonsäure
und Phosphonobernsleinsäure vorgeschlagen worden (vgl. hierzu die deutschen Auslegeschriften 1198 852 und 12 49 275 und die
Angaben in Journal of the General Chemistry of the USSR, 24, S. 121 bit 124 [1954]). Es ist ferner bekannt,
daß es bei Anwendung dieser Phosphonsäuren genügt, mit weniger als der stöchiometrisch verlangten Menge
zu arbeiten (sogenannter »Threshold-Effekt«), um die Bildung eines harten, unlöslichen Niederschlags zu
vermeiden. Jedoch hat die Nitrilotriessigsäure den Nachteil, daß sie keinen »Threshold-Effekt« zeigt und
außer Erdalkaliionen auch Schwermetallionen komplexiert und daher wegen Korrosionsgefahr nicht unbedenklich
erscheint.
Die 1-Hydroxyäthan-U-diphosphonsäure und die
Niirilo-tris-mcthylenphosphonsäure sind technisch
schwer darstellbar. Die Herstellung der Phosphonobernsteinsäure ist technisch einfach, und ein weiterer
Vorteil ist der niedrige Phosphorgehalt derselben, jedoch ist ihr Komplexbildungsvermögen geringer als
bei den anderen genannten vorbekannten Verbindungen. Zusammenfassend ist somit zu sagen, daß hoher
Phosphorgehalt und damit verbundene Algenbildung in den Abwässern, die Gefahr der Korrosion von
Metallteilen und nicht immer befriedigendes Komplexbildungsvermögen bei den herkömmlichen Mitteln zu
beanstanden waren.
Noch nicht bekanntgeworden, aber Gegenstand einer vorgängigen Anmeldung ist, daß allgemein nt-Alkylphosphonobersteinsäurcn
sich durch ein sehr gutes Komplexbildungsvcrmögcn für Erdalkaliionen auszeichnen
DF-OS 20 15 068.
Demgegenüber zeigen die crlindungsgemäßen 2-Phosphonobutan-l,2-dicarbonsäure-Derivate überraschenderweise
ein erheblich besseres Komplexbildungsvcrmögen als die vorbekanntcn Verbindungen. Die
crfindungsgemäßen Stoffe stellen somit eine- Bereicherung
der Technik dar.
Der Reaktionsablauf bei der Herstellung der erfindungsgemäßen
Verbindungen kann, wenn man Phosphonobcrnsteinsäiiretetramelhylester
und Acrylsiiuremethylestcr
als Ausgangsstoffe verwendet, durch das
folgende Formelschema wiedergegeben werden
O
O
ll
P—CH-CO—OCH,
CH1O O
\ll
CH3O CH2-CO-OCH,
+ CH2=CH-CO-OCH,
CH1O O CH,-CH1-CO-OCH,
' Ml I. " '
P—C—CO—OCH1
[NaOCH,]
CH1O
CH2-CO-OCH,
"5
HO O CH,- CH,- COOH
Ml I "
P—C —COOH
/ I
HO CH,-COOH
Bevorzugte, als Ausgangsstoffe verwendete Phosphonobcrsteinsäure-tetraalkylester
sind solche, in de- 2S nen R3 und R4 für Methyl und Äthyl stehen. Die
Verbindungen und deren Herstellung sind bekannt (Journal of the General Chemistry of the USSR, 24,
S. 121 bis 124 [1954]).
In den als Ausgangsstoffen verwendeten aktivierte
Kohlenstoff-Doppelbindungen tragenden Verbindungen steht R1 vorzugsweise für Wasserstoff und Methyl,
R1· vorzugsweise für Wasserstoff, Methyl. Äthyl, Carbomcthoxy
und Carbäthoxy und Rb vorzugsweise für Cyan, Carbomethoxy und Carboälhoxy. Die Vcrbindungen
sind allgemein bekannt, ebenso die Herstellung derselben.
Die Umsetzungen können sowohl ohne als auch mil Verdünnungsmitteln durchgeführt werden. Als Verdünnungsmittel
kommen alle inerten organischen Lösungsmittel in Frage. Hierzu gehören vorzugsweise Kohlenwasserstoffe,
wie Benzol, Toluol, Xylol, Äther, wie Diälhyläther, Tetrahydrofuran, ferner noch Alkohole,
wie Methanol, Äthanol, Butanol.
Als Rcaktonskatalysatorcn werden starke Basen verwendet. Bewährt haben sich z. B. Alkali-alkoholalc,
wie Natriummethylat, Lilhium-mcthylat, Kalium-butylat,
ferner Tetraalkylammonium-hydroxide.
Die Reaktionstemperaturen können in einem größeren Bereich variiert werden. Im allgemeinen arbeitet so
man zwischen —20 und +140"C, vorzugsweise zwischen O und +8O0C.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt man die Ausgangsverbindungen bevorzugt
in äquimolaren Mengen ein, an Katalysator (z. B. an Niitrium-methylat) werden etwa 0,1 Mol pro Mol
Ausgangsverbindungen eingesetzt; der Katalysator wird bevorzugt in alkoholische Lösung eingetropft.
Die erhaltenen 2-Dialkylphosphono-butan-l,2-dicarbonsäureester-Derivate
werden anschließend durch Erwärmen mit Salzsäure verseift. Dabei kann sowohl
konzentrierte als auch verdünnte wäßrige Salzsäure angewandt werden. Die 2-Phosphono-butan-1,2-dicarbonsäure-Derivate
liegen nach der Verseifung gelöst in Salzsäure vor. Nach Abdestillieren der Salzsäure im
Vakuum bei Temperaturen bis höchstens 140"C werden
die wasserfreien 2-Phosphono-butan-l,2-dicarbonsäure-Derivate erhalten, die in der Wärme zähflüssig sind und
in der Kälte entweder kristallisieren oder glasig erstarren.
Die erfindungsgemäßen 2-Phosphono-butan-l,2-dicarbonsäure-Derivate
oder ihre Alkali- und Ammoniumsalze zeichnen sich durch ein ausgezeichnetes Komplexbildungsvermögen für Erdalkaliionen aas.
Sie sind deshalb hervorragend als Sequestrierungsmittel, z. B. in Reinigungsmitteln, geeignet, wie sie in der
Nahrungsmittelindustrie zur Flaschenreinigung verwendet werden. Dabei ist das Komplexbildungsvermögen
der erfindungsgemäßen Verbindungen wesentlich höher als das der bislang verwendeten Phosphorverbindungen.
Die ernndungsgemäßen Verbindungen können als freie Säuren oder in Form ihrer Alkali- oder Aminsalze
in den Reinigungsmitteln, die außerdem noch die üblichen Zusatzstoffe, wie Netzmittel, Emulgatoren,
Entschäumer, Bleichmittel und Desinfektionsmittel, enthalten können, verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen 2-Phosphono-butan-1,2-dicarbonsäure-Derivate
weisen einen niedrigen Phosphorgehalt aiff. Dadurch ist die Gefahr der Algenbildung
in den Abwässern, die bekanntlich vom Phosphorgehalt der Wasser abhängt, herabgesetzt. Die folgende
Übersicht zeigt den Phosphorgehalt von einigen Komplexbildnern auf:
Verbindung
% Phosphor in Molekül
Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure 31,1
(bekannt)
1 - Hydroxaäthan-1,1 -diphosphonsäure 30,1
(bekannt)
Tripolyphosphat (Natrium-Salz) (bekannt) 25,3
Phosphonobernsteinsäure (bekannt) 15,7
a-Methylphosphonobernsteinsäure 14,6
(Gegenstand älterer Anmeldung)
2-Phosphonobutan-tricarbonsäure (erfin- 11,5
dungsgemäß)
Verwendungsbeispiel A
Sequestriervermögen/Enthärtungsfaktoren
Sequestriervermögen/Enthärtungsfaktoren
Der Enthärtungsfaktor stellt ein Mali für das Sequestriervermögen (Komplexbildungsvcrmögen) tliir.
Er wird wie folgt bestimmt:
Reagenzien:
1. Sodalösung:
100 g calcinierte Soda p. A. werden mit destilliertem Wasser gelöst und auf 1000 ml aufgefüllt.
2. Calciumchlorid-Lösung:
37,92 g CaCl2 ■ H2O werden mit destilliertem Wasser gelöst und auf 1000 ml aufgefüllt.
Durchführung der Titration
100 ml der l°/oigen Probelösung in destilliertem Wasser werden (entsprechend der vorhandenen Acidität)
mit Natronlauge oder Salzsäure auf pH 13,0 eingestellt. Man fügt 2 ml Sodalösung zu. Unter
ständigem Rühren läßt man die Calciumchlorid-Lösung zutropfen, bis eine Trübung erkennbar ist, die sich
innerhalb von einer Minute nicht mehr auflöst. Die Ein ellung der Calciumchlorid-Lösung wurde so
vorgenommen,daß 100 ml einer l'Viiigcn Nairium-hexametaphosphat-Lösung
einen Verbrauch von 10.0 ml Calciumchlorid-Lösung ergibt. Der Verbrauch von
0,1 ml CaCb-Lösung entspricht einem Enthärtungsfaktor
von 1.
Die folgende Tabelle zeigt die Enthärtungsfaktoren von einigen Sequestriermitteln:
Sequestriervermögen/Enthärtungsfaktoren
Verbindung
Enthär-
tungs-
fal.ior
0-Phosphonobuttersäure (bekannt) 26
/J-Phosphonopropionsäure (bekannt) 30
1 -Phosphonopropan^.S-dicarbonsäure 58
(bekannt)
(bekannt)
Natriumhexametaphosphat (bekannt) 100
1,2-Diphosphonobernsteinsäure (bekannt) 100
Phosphonobernsteinsäure (bekannt) il 00
Hydroxy-äthan-diphosphonsäure (bekannt) 280
Nitrilo-tris-methylenphosphonsäure 309
(bekannt)
(bekannt)
2-Phosphono-butan-tricarbonsäure-(l,2,4) 350
Kühlung bei 12 bis K0C 0,3 MoI Natrium-methylat in
100 ml Methanol innerhalb von 70 Minuten zugetropft.
Das Methanol wird im Vakuum bis zu einer Sumpftemperalur von 80°C abdestilliert. Die Rohausbeute an
2-Dimethylphosphono- butan- tricarbonsäure- methylester-(l,2,4)
beträgt 665 g (98% der Theorie). Die Verbindung destilliert beim Kp. 175 bis 183°C/1 Torr.
Der so erhaltene 2-Dimethylphospiiono-butan-tricarbonsäuremethylester-(l,
2, 4) wird mit 100 ml verdünnter Salzsäure (2 Mol Säure/I) 18 Stunden unter
Abdestillieren des bei der Verseifung gebildeten Methanols auf Siedetemperatur erhitzt Anschließend
wird das Verseifungsgemisch mit 150 ml konzentrierter Salzsäure (12MoI Säure/1) versetzt und weitere 18
Stunden auf Rückflußtemperatur erhitzt. Dann wird die Reaktionslösung im Vakuum zur Trockene eingedampft
(maximale Sumpftemperatur 1200C) und mit Wasser zu
einer 500/oigen Lösung verdünnt
Verwendungsbeispiel B
In einer Brauerei wurden Bierflaschen mit einer Reinigungsmittellösung, die 0,02% 2-Phosphono-butantricarbonsäure-(l,
2, 4), 0,03% Orthophosphorsäure, 0,02% Entschäumer und 1,0% Ätznatron enthielt, gereinigt. Die Wasserhärte betrug 15°dH. An allen fünf
Versuchstagen verließen die Flaschen in tadellos gereinigtem Zustand die Maschine. Sie waren gut
benetzt und zeigten nach dem Trocknen keinen Kalkbelag; auch an den Maschinenteilen konnte kein
Steinbelag festgestellt werden.
Verwendungsbeispiel C
In einem Mineralwasserbetrieb wurden dem einen Nachspritzwasser der Flaschenwaschmaschine 17 g
2-Phosphono-butantricarbonsäure-(l, 2, 4)/cbm Wasser zudosiert. Die Gesamthärte des Betriebswassers betrug
30°dH. Während ohne Phosphatimpfung schon innerhalb weniger Tage Steinbildung an den Spritzrohren im
Bereich der Zwischenspritzung und Warmwasserstation auftrat, konnte die Steinbildung durch die Zudosierung
der 2-Phosphono-butan-tricarbonsäure-(l, 2, 4) völlig unterdrückt werden. Die Zahl der sogenannten »überkochenden
Flaschen« ging auf Null zurück. Dies ist ein Zeichen dafür, daß sich auf den Flaschen keine
mikroskopisch kleinen Kalkkristalle festgesetzt haben, die die Freisetzung der Kohlensäure aus dem übersättigten
Mineralwasser bewirken.
Herstellungsbeispiele
Beispiel 1
Beispiel 1
HO O CH,-CH,- CO-OH
P-C- i;
OH
HO
CH7-CO-OH
Zu der Mischung von 508 g (2 Mol) Phosphonobcrnsteinsäuretetramethylester
und 172 g (2 Mol) Acrylsäuremethylester
werden unter Rühren und intensiver HO O CH,-CH,-COOH
\ll i *
P—C—CO—OH
HO
CH,-CO—OH
55
60 Ein Gemisch aus 254 g (1 Mol) Phosphonobernsteinsäure-tetramethylester
und 53 g (1 Mol) Acrylnitril wird in einem Dreihalskolben mit Rührer, Tropftrichter und
Thermometer auf 30°C vorgeheizt. Innerhalb einer halben Stunde werden 0,1 Mol Natrium-methylat in
35 ml Methanol zugetropft, wobei die Temperatur durch intensive Kühlung zwischen 30 und 35°C gehalten
wird. Es wird noch eine Stunde bei 700C nachgerührt und anschließend Methanol im Vakuum bis zu einer
Sumpftemperatur von 900C abdestilliert. Es werden 302 g 2-Dimethylphosphono-4-nitrilo-butan-dicarbonsäuremethylester-(l,
2) erhalten.
Der Ester wird nach der im Beispiel 1 angegebenen Weise verseift, nur wird das entstehende, ungelöste
Ammoniumchlorid vor dem Eindampfen zur Trockene abfiltriert.
Beispiel 3
CH,
CH,
HO O CH-CH2-CO-OH
\ll I
P—C—CO —OH
/ I
HO CH2-CO-OH
Ein Gemisch aus 155 g (0,5 Mol) Phosphonobernsteinsäure-tetraäthylester
und 56 g (0,5 Mol) Crotonsäureäthylester wird auf 1000C vorgeheizt und innerhalb von 40
Minuten bei 1000C mit 50 ml einer Lösung von Natrium-äthylat in Äthanol (2,07 Mol/I) versetzt. Dabei
muß weiter geheizt werden. Anschließend werden alle flüchtigen Stoffe im Vakuum bei 100°C abdestilliert. Das
zurückbleibende Reaktionsprodukt (182 g) wird nach der im BeisDiel 1 angesehenen Weise verseift.
Beispiel 4
CH,
CH,
HO O CH2-CH-CO-OH
HO
1'—C—CO—OH
CH7-CO-OH
Ein Gemisch aus 254 g (1 Mol) Phosphonobernsteinsäure-tetramethylester
und 10Og(I Mol) Methacrylsäure-methylester
werden unter Rühren innerhalb von 30 Minuten mit 0,1 Mol Natriummethylat in 35 ml Methanol
bei 20° C versetzt. Anschließend wird 2 Stunden nachgerührt, wobei die Temperatur auf 30°C ansteigt.
Nach Abziehen des Methanols und des unreagierten Methacrylsäure-methylesters im Vakuum bis zu einer
Sumpf temperatur von 80° C bleibt eine Ausbeute von 296 g Rohprodukt zurück. Der Ester wird in der in
Beispiel 1 angegebenen Weise verseift.
CO—OH
HO O CH-CH2-CO-OH
\ll I
P—C—CO—OH
HO
CH,- CO— OH
254 g (1 Mol) Phosphonobernsteinsäuretetramethyl ester werden auf 60°C vorgeheizt. Innerhalb von 4(
Minuten werden 144 g (1 Mol) Maleinsäure-dimethyl ester und 0,13MoI Natrimmethylat, gelöst in 40 m
Methanol, unter Rühren und Außenkühlung zugetropft Nach Abziehen aller flüchtigen Stoffe im Vakuum bis zi
einer Sumpftemperatur von 90° C bleiben 312 g Reaktionsprodukt zurück. Der Ester wird in der ir
Beispiel 1 angegebenen Weise verseift.
Claims (1)
- Patentansprüche:1. 2-Phosphono-butan-1,2-dicarbonsäure-Derivate der FormelR R1I IHO O CH- CH- R2\ll IP—C —CO —OH5. Mittel zur komplexen Bindung von Erdalkaliionen, gekennzeichnet durch einen Gehalt an2-Phosphono-butan-l,2-dicarbonsäure-Derivaten gemäß Anspruch 1.6. Reinigungsmittel, gekennzeichnet durch einen Gehalt an 2-Phosphono-butan-l,2-dicarbonsäure-Derivaten gemäß Anspruch 1.
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Legal Events
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |