DE2343460C3 - Verfahren zur Herstellung von 2-PhenyIäthylen-phosphonsäure - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von 2-PhenyIäthylen-phosphonsäure

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Description

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von 2-Phenyl-äthy!en-phosphonsäure der Formel
C6H5-CH = CH-P(OXOH)2
welche als Sammler sur Anreicherung von Zinnstein durch Flotation technisch eingesetzt werden kann.
Es ist bekannt, daß sich Styrol mit PhosDhorpentachlorid in Anwesenheit eines inerten Lösemittels zu einem Intermediär-Addukt umsetzt, welches unter Abspaltung von Chlorwasserstoff in 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-tetrachlorid mit komplex gebundenem Phosphorpentachlorid übergeht. Die Hydrolyse des erhaltenen
komplexen Phosphonsäure-tetrachlorids führt über die Stufe dei entsprechenden Phosphonsäure-dichlorids zur freien 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure. Die Gesamtreaktion kann durch das folgende Formelschema wiedergegeben werden:
C6H5-CH=CH2 + 2PCl5
— [C6H5-CHCl-CH2-PCl4 · PCI5]
> C6H5-CH = CH-PCI4 PCI,
-HCI
+ 2H2O
> C6H5-CH CH- P(O)CI, + POCl,
-4HC1
+ 5H1O
-5HC1
C6H5-CH =CH —P(O)(OH), + H3PO4.
Da es sich bei der Umsetzung von Styrol mit Phosphorpentachlorid um eine exotherme Flüssigkeit-Festkörper-Reaktion handelt, wobei in der ersten Reakticnsstufe wieder ein Festkörper (Addukt von 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-tetrachlorid mit Phosphorpentachlorid) gebildet wird, ist es erforderlich, die Umsetzung aus Gründen des Wärmeüberganges in Gegenwart eines Löse- oder Suspensionsmittels durchzuführen. In der Literatur ist die Verwendung vor. Kohlenwasserstoff und Chlorkohlenwasserstoffen für diesen Zweck beschrieben.
So erhielten E. Bergmann und A. Bondi (Ber. 63, 1158 bis 1173 [1930]) im Sinne des vorbeschriebenen Reaktionsablaufes durch Umsetzung von Styrol mit Phosphorpentachlorid im Molverhältnis 1 :2 in Gegenwart von Benzol als Suspensionsmittel eine entsprechende Additionsverbindung, welche nach Hydrolyse rohe 2-Phenyi-äthylen-phosphonsäure in einer Ausbeute von etwi 59%, bezogen auf Styrol, lieferte. Durch anschließende Umkristallisation aus Dibromäthan konnte die reine Säure in einer Gesamtausbeute von 34% gewonnen werden.
Wie G. M. K ο s ο I a ρ ο f f und W. F. H u b e r (J. Am. Chem. Soc. 68, 2540 bis 41 [1946]) zeigen konnten, läßt sich bei der Herstellung von 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure die unmittelbare Verwendung von Phosphorpentachlorid als Ausgangsmaterial umgehen, indem man in eine Mischung von Styrol und Phosphortrichlorid (Molverhältnis 1:1), welche mit der etwa 5fachen Volumenmenge Benzol verdünnt ist, Chlor einleitet. Durch anschließende Hydrolyse des Reaktionsgemisches wird die gewünschte Phosphonsäure in einer Ausbeute von etwa 36% gewonnen. Bei dieser Reaktionsführung ist es jedoch unvermeidlich, daß sich ein großer Teil des eingesetzten Styrols infolge Bildung von Chlorierungsprodukten der Umsetzung zur Phosphonsäure entzieht, da parallel zur Chlorierung des Phosphortrichlorids auch eine Chlorierung des Styrols erfolgt, wobei im wesentlichen 1,2-Dichlor-l-phenyläthan gebildet wird.
Aus der DL-PS 76 974 ist ein weiteres Herstellungsverfahren für 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure bekannt: Phosphortrichlorid wird in Anwesenheit eines inerten Lösemittels, z. B. von Tetrachlorkohlenstoff, zu Phosphorpentachlorid chloriert, welches ohne Isolierung mit Styrol umgesetzt wird. Anschließend wird partiell hydrolysiert. Vor der vollständigen Hydrolyse zur Phosphonsäure werden Lösemittel und Nebenprodukte in einer nicht näher beschriebenen Weise
abgetrennt. Über die Ausbeute an Phosphonsäure werden ebenfalls keine Angaben gemacht.
Allen vorbeschriebenen Verfahren ist gemein, daß sie im Chargenbetrieb durchgeführt werden und den Einsatz von Lösemitteln erforderlich machen. Eine Wiederverwendung der Lösemittel ist problematisch, da sie z.T. stark verunreinigt anfallen und nur nach kostenaufwendigen Reinigungsoperationen erneut eingesetzt werden können.
Bei der Herstellung von 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure durch Chlorierung eines Gemisches aus Styrol und Phosphortrichlorid und anschließende Hydroylse werden größere Mengen von 1,2-Dichlor-l-Phenyi-äthan gebildet, welches bekanntlich in abwassertechnischer Hinsicht nicht unbedenklich ist. Es ist biologisch schwer abbaubar und weist zudem eine ziemlich hohe Mikrobentoxizität auf.
Die Chlorierung von Phosphortrichlorid in Tetrachlorkohlenstoff — wie in der DL-PS 76 974 beschrieben — ist technisch schwer durchführbar. Unter den genannten Bedingungen ist ein Verstopfen des Chloreinleitungsrohres durch auskristallisierendes Phosphorpentachlorid kaum zu vermeiden. Außerdem neigt die Lösung gegen Ende der Chlorierung zum Abscheiden von Phosphorpentachlorid in kompakter Form, welches hinsichtlich der weiteren Umsetzung mit Styrol ziemlich inaktiv isi. Nach der partiellen Hydrolyse zur Stufe des Phosphonsäuredichlorids wird vom Lösemittel und von Nebenprodukten, die im wesentlichen aus Tetrachlorkohlenstoff und Phosphoroxychlorid bestehen abgetrennt. Eine destillative Auftrennung dieses Gemisches in die reinen Komponenten ist nur unter erheblichem technischem Aufwand möglich, z. B. unter Verwendung von Destillationskolonnen mit extrem hoher Bodenzahl.
Zusammenfassend sind die bisher beschriebenen Verfahren für die Herstellung von 2-Phenyl-äthylenphosphonsäure im industriellen Maßstab aus folgenden Gründen wenig geeignet:
a) Die Verfahrensdurchführung ist diskontinuierlich;
b) die Ausbeuten an Phosphonsäure — sofern Angaben darüber gemacht werden — sind ziemlich niedrig;
c) die Umsetzungen machen die Anwesenheit von Lösemitteln erforderlich, die im allgemeinen nicht wieder eingesetzt werden können, und
d) es fallen z. T. toxische Nebenprodukte an, die biologisch schwer abbaubar sind und daher einer andersartigen Rückstandsvernichtung (z. B. Verbrennung) zugeführt werden müssen, wodurch die Verfahren kostenmäßig zusätzlich belastet werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure, welches eine kontinuierliche Arbeitsweise ermöglicht und die Phosphonsäure in hohen Ausbeuten mit guter Reinheit liefert.
Es ist weiterhin Gegenstand der Erfindung, daß das Verfahren in Abwesenheit eines zusätzlichen Löse- und Suspensionsmittels geführt wird, wodurch in wirtschaftlicher Hinsicht eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Verfahren gegeben ist.
Erfindungsgemäß wird beispielsweise so verfahren, daß in die Lösung eines vorzugsweise äquimolaren Gemisches aus 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid und Phosphoroxychloricl unter Rühren eine bestimmte Menge Phosphorpentachlorid eingetragen wird, die teilweise gelöst, zum größten Teil jedoch in Suspension gehalten wird. Die erhaltene Mischung wird anschließend mit der entsprechenden Menge Styrol umgesetzt und die entstandene Anlagerungsverbindung durch stöchiometrische Zugabe von Wasser zu 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid und Phosphoroxychlorid partiell hydrolysiert. Von der gebildeten ί Lösung wird der durch die Reaktion gewonnene Anteil vor der Weiterverarbeitung in einen Sammelbehälter überführt In der verbleibenden Restlösung wird erneut die Umsetzung von Phosphorpentachlorid und Styrol in der vorbeschriebenen Weise durchgeführt und nach
ίο definierter Wasserzugabe das Hydrolysat anteilig dem Reaktionsgefäß entnommen. Dieser Vorgang wird beliebig oft wiederholt.
Hiermit ist ein Reaktionsverfahren gefunden worden, bei dem die Umsetzung von Phosphorpentachlorid mit Styrol in den durch partielle Hydrolyse gewonnenen Folgeprodukten als Löse- bzw. Suspensionsmittel durchgeführt wird. Überraschenderweise reagieren unter den vorgenannten Bedingungen weder 2-Phenyläthylen-phosphonsäure-dichlorid noch Phosphoroxychlorid mit Styrol und bewirken auch nicht dessen Homopolymerisation. Weiterhin überrascht es, daß bei der stöchiometrischen Wasserzugabe zum Reaktionsgemisch ausschließlich das komplexe 2-Phenyl-äthylenphosphonsäur^-tetrachlorid hydrolysiert wird und das an sich hydrolysierbare 2-Phenyl-äthylenphosphonsäure-dichlorid bzw. Phosphoroxychlorid nicht verändert werden.
Um eine weitgehend quantitative Umsetzung des Phosphorpentachlorids mit Styrol in vergleichsweise
v> kurzen Reaktionszeiten zu erreichen, ist es erforderlich, daß die Suspension des Phosphorpentachlorids bzw. des sich bildenden 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorids im Reaktionsmedium während der Umsetzung rührfähig bleibt. Anderenfalls umhüllt das Reaktionsprodukt einen erheblichen Teil des eingesetzten Phosphorpentachlorids, welches dann nur träge weiterreagiert oder vollständig der Umsetzung mit Styrol entzogen wird. Die Suspensionen sind rührbar, wenn nach erfolgter Partialhydrolyse das Volumenverhältnis von Reaktionsmedium zu gewonnenem Hydrolysat den Wert 2 :1 nicht unterschreitet.
Bei der Umsetzung von Phosphorpentachlorid mit Styrol nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es zweckmäßig, in der Anfangsphase ein »Hilfssuspensionsmittel« als Reaktionsmedium zu verwenden. Hierzu geeignet sind inerte organische Lösemittel, wie aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, z. B. Petroläther, Benzol, Toluol oder Xylol, Halogenkohlenwasserstoffe, z. B. Tetrachlorkohlenstoff, Dichloräthan,
so Dibromäthan, Di-, Tri- oder Tetrachloräthylen, aber auch Phosphoroxychlorid, welches bevorzugt eingesetzt wird.
Es wurde ermittelt, daß nach einer vergleichsweise geringen Anzahl von »Durchgängen« das verwendete »Hilfssuspensionsmittel« dem Reaktionssystem entzogen ist. Führt man das Verfahren der Erfindung derart durch, daß man die durch die Reaktion gewonnene Volumenzunahme des Voilagevolumens auf 50% einstellt, so ist bei einem jeweiligen Entzug des gewonnenen Volumenanteils nach erfolgter Partialhydrolyse das eingesetzte »üilfssuspensionsmittel« nach dem 20. Durchgang nahezu quantitativ aus dem Reaktionssystem entfernt. Setzt man als »Hilfssuspensionsmittel« Phosphoroxychlorid ein, was selbstver-
(>5 ständlich am günstigsten ist, weil diese Verbindung im Verfahren selbst als Nebenprodukt gebildet wird und somit keinenFremdkörper darstellt, so überwiegt in der Anfangsphase des Verfahrens Phosphoroxychlorid im
flüssigen Reaktionsmedium, doch schon ab dem 20. Durchgang liegt ein äquimoiares Gemisch von Phosphoroxychlorid und 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäuredichlorid als Reaktionsmedium vor.
Von dem als Zwischenprodukt gewonnenen Partial- > hydrolysat, welches im wesentlichen aus 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid und Phosphoroxychlorid besteht, wird das Phosphoroxychlorid durch Destillation abgetrennt Besonders geeignet ist eine kontinuierliche Vakuumdestillation, welche bei einem Druck zwischen to 65 und 200 Torr, bevorzugt bei 100 Torr, durchgeführt wird, indem man eine beheizte Destillationskolonne mit dem zu trennenden Gemisch beschickt. Die Temperatur des Kolonnenmantels kann im Bereich zwischen 55 und 110° C variiert werden. Sie beträgt vorzugsweise 75° C. Das unter diesen Bedingungen gewonnene Destillat besteht zu 98% aus Phosphoroxychlorid, welches erneut als »Hilfssuspensionsmittel« eingesetzt oder zu anderen Reaktionen verwendet werden kann. Als Kolonnensumpf wird 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid mit einem geringen Restgehalt an Phosphoroxychlorid erhalten.
Das rohe 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid wird anschließend zu 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure hydrolysiert, vorzugsweise unter Verwendung einer Hydrolysekolonne, wobei man das Dichlorid in die Kolonne dosiert und gleichzeitig die A- bis 7fache Gewichtsmenge Wasser zulaufen läßt. Da; Hydrolysegemisch erwärmt sich hierbei auf etwa 6O0C.
Die aus der Kolonne austretende Flüssigkeit, welche die gebildete 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure :n gelöster Form enthält, wird in zwei parallelgeschaltete, wechselweise betriebene Rührbehälter übergeführt, in welchen nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur die Phosphonsäure nahezu quantitativ auskristallisiert. Die js Abtrennung der erhaltenen 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure von der wäßrigen Phase erfolgt durch Filtration oder vorzugsweise durch kontinuierliches Zentrifugiei en.
Der im Verlauf der beiden Hydrolyseschritte gebildete Chlorwasserstoff kann kontinuierlich mittels einer Absorptionskolonne in Form einer 30prozentigen Salzsäure als Nebenprodukt gewonnen werden.
Im einzelnen betrifft die Erfindung nunmehr ein Verfahren zur Herstellung von 2-Phenyl-äthylen-phos- 4s phonsäure durch Umsetzung von Styrol mit Phosphorpentachlorid im Molverhältnis von etwa 1 : 2 in flüssiger Phase und Hydrolyse des sich bildenden komplexen 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-tetrachlorids mit Wasser, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man so als flüssige Phase die als Zwischenprodukt entstehende äquimolare Mischung aus 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid und Phosphoroxychlorid vorlegt und unter fortdauerndem Rühren mit Styrol und Phosphorpentachlorid beschickt, das gebildete komplexe 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-tetrachlorid durch Zugabe der berechneten Menge Wasser zu einer äquimolaren Mischung aus 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid und Phosphoroxychlorid partiell hydrolysiert, kontinuierlich einen Teil der entstandenen klaren do Lösung wiederum als flüssige Phase vorlegt, und aus dem anderen Teil unter vermindertem Druck kontinuierlich Phosphoroxychlorid abdestilliert und das verbleibende 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid durch kontinuierliche Zugabe einer überstöchiometrischen <\s Menge Wasser zu einer wäßrigen Lösung von 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure hydrolysiert, aus der sich die PhosDhonsäure beim Abkühlen kristallin abscheidet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung baut man die als flüssige Phase vorzulegende äquimolare Mischung aus 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid und Phosphoroxychiorid schrittweise dadurch auf, daß man zu Beginn des Verfahrens einmalig ein inertes Lösemittel, ausgewählt aus Kohlenwasserstoffen, Halogenkohienwasserstoffen oder vorzugsweise Phosphoroxychlorid, als flüssige Phase vorlegt, mit Styrol und Phcsphorpentachlorid beschickt, mit Wasser hydrolysiert und kontinuierlich einen Teil der entstandenen Lösung wiederum als flüssige Phase vorlegt und aus dem anderen Teil 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure gewinnt
Die erfindungsgemäßen Umsetzungen können bei Temperaturen zwischen 0 und 90° C, insbesondere zwischen 20 und 70° C, durchgeführt werden.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, von der als Zwischenprodukt entstandenen Mischung aus 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid und Phosphoroxychlorid mindestens 2 Drittel wiederum als flüssige Phase vorzulegen und höchstens 1 Drittel der weiteren Umsetzung zu 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure zu unterwerfen. Das 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid kann als solches beispielsweise mit der 4- bis 7fachen Gewichtsmenge Wasser hydrolysiert werden. Der bei der Partialhydrolyse des komplexen 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäiire-tetrachlorids und der Hydrolyse des 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorids entstehende Chlorwasserstoff wird zwecks weiterer Verwertung zweckmäßigerweise in Wasser absorbiert und als Salzsäure gewonnen.
Beispiel
Ein Reaktor von 21 Inhalt, in welchem 500 ml Phosphoroxychlorid als flüssige Phase vorgelegt sind, wird unter Rühren und Feuchtigkeitsausschluß mit 520 g (2,5 Mol) Phosphorpentachlorid beschickt. Zu der erhaltenen Suspension werden innerhalb von 15 Minuten 130 g (1,25 Mol) Styrol zudosiert, wobei die Temperatur des Reaktionsgernisches von 24 auf 48°C ansteigt. Man läßt 15 Minuten bei dieser Temperatur nachreagieren. Das entstandene komplexe 2-Phenyläthylen-phosphonsäure-tetrachlorid, welches in rührfähiger Suspension vorliegt, wird anschließend partiell zu 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid und Phosphoroxychlorid hydrolysiert, indem man innerhalb von 10 Minuten 45 g (2,5 Mol) Wasser in das Reaktionsgemisch eintropft, wobei ein Temperaturanstieg auf 560C beobachtet wird. Von der nach der Wasserzugabe erhaltenen klaren Lösung, deren Gesamtvolumen etwa 750 ml beträgt, werden kontinuierlich 250 ml in einen Zwischenbehälter überführt. Ir der verbleibenden Restlösung (500 ml flüssige Phase) wird erneut in der beschriebenen Weise die Umsetzung von Phosphorpentachlorid mit Styrol einschließlich Partialhydrolyse vorgenommen. Nach Entnahme des entsprechenden Flüssigkeitsanteils wird der Vorgang beliebig oft wiederholt. Das in den Zwischenbehälter überführte Partialhydrolysat (250 ml) wird anschließend kontinuierlich in eine auf 75°C beheizte Destillationskolonne gesaugt, die unter einem Vakuum von 100 Torr betrieben wird. Abdestillierendes Phosphoroxychlorid wird nach Kondensation mittels eines wirksamen Kühlers in einer Vorlage als Nebenprodukt gewonnen. Das als Sumpf anfallende rohe 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid wird in heißem Zustand kontinuier-
lieh in eine Hydrolysekolonne gepumpt, welche gleichzeitig mit der 5fachen Gewichtsmenge Wasser beschickt wird. Die aus der Kolonne mit etwa 60°C austretende wäßrige Phosphonsäurelösung wird in zwei parallel geschaltete, wechselweise betriebene Kristallisationsbehälter überführt, in welchen unter Kühlen und Rühren 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure auskristallisiert. Das Produkt wird anschließend kontinuierlich in einer Zentrifuge abgetrennt. Das bei den einzelnen
Reaktionsstufen gebildete Chlorwasserstoffgas wire durch eine Absorptionskolonne geleitet und in Forn von 30prozentiger Salzsäure als weiteres Nebenproduk gewonnen. Je Durchyang werden 193 g 2-Phenyl-äthy len-phosphonsäure, entsprechend 84% der Theorie bezogen auf eingesetztes Styrol, als weiße Kristallmasst vom Schmelzpunkt 142 bis 145° C erhalten.
Nach dem weiteren Umkristallisieren aus heißen Wasser schmilzt sie bei 154 bis 155°C.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure durch Umsetzung von Styrol mit Phosphorpentachlorid im Molverhältnis von etwa 1 :2 in flüssiger Phase und Hydrolyse des sich bildenden komplexen 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-tetrachlorids mit Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß man als P.üssige Phase die als Zwischenprodukt entstehende äquimolare Mischung aus 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid und Phosphoroxychlorid vorlegt und unter fortdauerndem Rühren mit Styrol und Phosphorpentachlorid beschickt, das gebildete komplexe 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-tetrachlorid durch Zugabe der berechneten Menge Wasser zu einer äquimolaren Mischung aus 2-Phenyl-äthyIen-phosphonsäure-dichlorid und Phosphoroxychlorid partiell hydrolysiert, kontinuierlich einen Teil der entstandenen klaren Lösung wiederum als flüssige Phase vorlegt, und aus dem anderen Teil unier vermindertem Druck kontinuierlich Phosphoroxychlorid abdestilliert und das verbleibende 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid durch kontinuierliche Zugabe einer überstöchiometrischen Menge Wasser zu einer wäßrigen Lösung von 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure hydrolysiert, aus der sich die Phosphonsäure beim Abkühlen kristallin abscheidet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die als flüssige Phase vorzulegende äquimolare Mischung aus 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid und Phosphoroxychlorid schrittweise dadurch aufbaut, daß man zu Beginn des Verfahrens einmalig ein inertes Lösemittel, ausgewuhlt aus Kohlenwasserstoffen, Halogenkohlenwasserstoffen oder vorzugsweise Phosphoroxychlorid, als flüssige Phase vorlegt, mit Styrol und Phosphorpentachlorid beschickt, mit Wasser hydrolysiert und kontinuierlich einen Teil der entstandenen Lösung wiederum als flüssige Phase vorlegt und aus dem anderen Teil 2-Phenyl-phosphonsäure gewinnt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man von der als Zwischenprodukt entstandenen Mischung aus 2-Phenyl-äthylen-phosphonsäure-dichlorid und Phosphoroxychlorid mindestens 2 Drittel wiederum als flüssige Phase vorlegt und höchstens 1 Drittel der weiteren Umsetzung zu 2-Phenyl-äthylen-phos- so phonsäure unterwirft.
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