СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА ФОСФОНУКСУСНОЙ КИСЛОТЫ

Изобретение касается способов получения карбоксильных эфиров фосфонуксусной кислоты и непосредственно касается триметилового эфира фосфонуксусной кислоты, который может быть использован как полупродукт для синтеза фосфонуксусной кислоты, применяемой наряду с ее эфирами в качестве субстанции противовирусных препаратов медицинского и ветеринарного назначения, а также в качестве реагента в синтезе антибиотиков и других биологически активных соединений.

Триметиловый эфир фосфонуксусной кислоты (метиловый эфир диметоксифосфорилуксусной кислоты или метил(диметилфосфон)ацетат или триметиловый эфир дигидроксифосфорилуксусной кислоты) является первым членом гомологического ряда триалкиловых эфиров фосфонуксусной кислоты и имеет формулу:

(CH₃O)₂P(O)-CH₂-O-CH₃.

Как показывает изучение предшествующего уровня техники, имеется очень ограниченная информация по способам получения триметилового эфира фосфонуксусной кислоты в отличие от информации по его гомологам - С₂-С₄-триалкиловым эфирам фосфонуксусной кислоты. Получение триметилового эфира фосфонуксусной описывается в японском патенте, выданном на «Способ синтеза триалкиловых эфиров фосфонуксусной кислоты», и касается получения химических соединений, имеющих общую формулу: (R¹O)₂P(O)CR²R³COOR⁴, где R¹, R⁴=C₁-С₄-алкил, R², R³=Н или С₁-C₄-алкил (JP 63233990, B01J 31/02, C07F 9/40, 1987).

Согласно данному патенту в качестве исходных продуктов при синтезе триметилового эфира фосфонуксусной кислоты применяются метилфосфоноацетат и метанол, которые вступают в реакцию в присутствии диметиламинопиридина.

Описание синтеза триметилового эфира фосфонуксусной кислоты приводится и в известной публикации 1971 года (Малеванная Р.А., Цветков Е.Н., Кабачник М.И. Диалкоксифосфинилуксусные кислоты и некоторые их аналоги. // ЖОХ. 1971. Т.41. Вып.7. С.1426-1434). Триметиловый эфир фосфонуксусной кислоты согласно данной публикации получают в 2 стадии: взаимодействием фосфонуксусной (дигидроксифосфорилуксусной) кислоты с пятихлористым фосфором в среде абсолютного бензола и последующей реакцией промежуточно образующегося трихлорангидрида фосфонуксусной кислоты с метанолом в присутствии триэтиламина. Однако данный способ имеет следующие существенные недостатки: необходимость использования труднодоступного исходного продукта (фосфонуксусной кислоты), а также применение абсолютных огнеопасных растворителей (бензола и метанола).

В основе другого известного способа получения триметилового эфира фосфонуксусной кислоты [метил(диметилфосфон)ацетата] лежит реакция диметилового эфира хлорацетиленфосфоновой кислоты с метанолом в присутствии триэтиламина (SU 1353779, C07F 9/40, 1988).

Данный способ осуществляют взаимодействием триэтиламина с диметиловым эфиром хлорацетиленфосфоновой кислоты, растворенным в абсолютном метаноле, при использовании эквимолярных количеств реагентов и при температуре 50-60°C. В ходе этой реакции образуется гидрохлорид триэтиламина, который отфильтровывают, избыток метанола удаляют в вакууме и выделяют конечный продукт методом вакуумной дистилляции с 68%-ным выходом. К недостаткам данного способа получения триметилового эфира фосфонуксусной кислоты можно отнести недостаточно высокий выход и низкую чистоту конечного продукта, а также использование труднодоступного исходного реагента (диметилового эфира хлорацетиленфосфоновой кислоты).

В другой известной публикации (McGreer D.E., Chiu N.W.K. Thermal rearrangement of α,β- to β,γ-unsaturated esters. Evidence for a 1,5-hydrogen transfer mechanism // Can. J. Chem. 1968. V.46. P.2225-2232) в качестве исходного продукта при синтезе триметилового эфира фосфонуксусной кислоты применяется триметилфосфит, который вступает в реакцию перегруппировки с метилбромацетатом по следующей схеме:

Способ получения триметилового эфира фосфонуксусной кислоты из триметилфосфита и метилбромацетата, описанный в данной публикации, выбран в качестве прототипа предлагаемого способа. Процесс синтеза, согласно данной публикации, осуществляется следующим образом: смесь триметилфосфита и метилбромацетата, используемые в мольном соотношении 1:1,4, нагревают при перемешивании до температуры 80°C (до начала выделения образующегося метилбромида), затем перемешивают в течение двух часов до достижения температуры реакционной смеси, равной 160°C (до прекращения выделения метилбромида), и целевой продукт выделяют перегонкой образующейся смеси. Выход триметилового эфира составляет 80%. Основным недостатком способа-прототипа является невозможность его промышленного осуществления. Это объясняется труднодоступностью исходного триметилфосфита, обычно получаемого из треххлористого фосфора и абсолютированного метанола, которые взаимодействуют только при пониженной температуре, в сухой инертной среде и в присутствии растворителя, например пиридина. Эти исходные реагенты из-за их токсичности и горючести применяются в небольших объемах, что делает процесс синтеза триметилфосфита практически неосуществимым в промышленных масштабах, что, в свою очередь, делает промышленно неосуществимым синтез триметилового эфира фосфонуксусной кислоты из триметилфосфита.

Целью создания нового изобретения является разработка промышленно реализуемого, технологичного и эффективного, экологически безопасного, пожаро- и взрывобезопасного способа получения чистого триметилового эфира фосфонуксусной кислоты.

Предлагаемый способ получения триметилового эфира фосфонуксусной кислоты осуществляют реакцией межфазного алкилирования диметилфосфита метилхлорацетатом в гетерогенной системе «органическая фаза/твердая фаза» в присутствии карбоната калия при молярном соотношении диметилфосфит, метилхлорацетат и карбонат калия, соответственно, равном (1-1,3):1:(1,5-2), при этом свежеперегнанный метилхлорацетат прибавляют по каплям к смеси диметилфосфита и карбоната калия многократными порциями и процесс синтеза проводят в течение 10-18 часов при перемешивании со скоростью 300-450 оборотов в минуту и при температуре 20-50°C, после чего осуществляют выделение целевого продукта, включающее обработку реакционной массы смесью хлороформа и воды, содержащей 1-3% по объему воды от общего объема смеси, последующую фильтрацию, промывку осадка хлороформом, упаривание фильтрата и вакуумную перегонку продукта. Метилхлорацетат прибавляют к смеси диметилфосфита и карбоната калия оптимально 3-6 равными порциями через каждые 2,5-3,5 часа.

Существенным признаком предлагаемого способа является тот факт, что в основе синтеза триметилового эфира фосфонуксусной кислоты лежит межфазная реакция РН-алкилирования диметилфосфита метилхлоацетатом в гетерогенной системе «органическая фаза/твердый карбонат щелочного металла». Как известно, диметилфосфит в отличие от его ближайших гомологов (диэтилфосфита и дипропилфосфита) является легко гидролизующимся соединением, обладающим повышенной реакционной способностью. Его аномальное поведение по сравнению с гомологами приводит к тому, что проведение реакции Михаэлиса-Беккера по известной классической схеме, применяемой для его гомологов (Makosza M., Wojciechowski K. Synthesis of phosphonic acid esters in solid-liquid catalytic two-phase system // Bull. Acad. pol. sci., Ser. sci. Chem. 1984. V.32. P.175-179), неосуществимо для диметилфосфита из-за образования значительных количеств побочных продуктов. Именно проведение межфазной реакции РН-алкилирования диметилфосфита метилхлорацетатом в безводной системе «органическая фаза/твердый карбонат щелочного металла» позволяет избежать гидролиза диметилфосфита. При этом отпадает необходимость применения безводных растворителей, повышается селективность реакции и уменьшается количество побочных продуктов.

Предлагаемый способ алкилирования диметилфосфита метилхлорацетатом в гетерогенной системе «органическая фаза/твердая фаза» осуществляется в отсутствие дополнительного катализатора межфазного переноса, роль которого в данном случае выполняют фосфорилсодержащие исходный и конечный продукты.

Процесс синтеза в предлагаемом способе протекает в присутствии твердого щелочного агента - карбоната калия (поташа), который вводится для превращения диметилфосфита в его соответствующую соль. Применение именно такого щелочного агента является преимуществом предлагаемого способа перед использованием щелочных металлов (натрия или калия), а также их гидридов и амидов в качестве щелочного агента. Таким образом, процесс синтеза триметилового эфира фосфонуксусной кислоты, осуществляемый предлагаемым способом, упрощается и удешевляется по сравнению с синтезом продуктов-гомологов.

Существенное влияние на эффективность процесса синтеза оказывает молярное соотношение используемых реагентов. Таким оптимальным соотношением, подобранным в результате экспериментальных исследований, является молярное соотношение диметилфосфита, метилхлорацетата и карбоната калия, равное (1,3:1:1,5-2), соответственно.

Скорость перемешивания, как показали экспериментальные исследования, комплексно с другими технологическими параметрами, также влияет на интенсивность процесса, что отражается на выходе и чистоте конечного продукта. Реакционную массу на протяжении всего периода синтеза перемешивают со скоростью 300-450 оборотов в минуту. В случае снижения скорости перемешивания наблюдается заметное замедление реакции и снижение выхода продукта, а увеличение скорости нецелесообразно, что видно из прилагаемой таблицы.

Температурные режимы процесса синтеза, так же как и скорость перемешивания на всем этапе синтеза, поддерживаются на одном уровне (20-50°C). Увеличение температуры проведения реакции приводит к образованию наряду с целевым продуктом (1) еще трех побочных продуктов (2-4), два из которых являются продуктами превращения целевого триметилового эфира фосфонуксусной кислоты (1), и потому приводит к значительному снижению выхода и чистоты целевого продукта, что видно из приведенного ниже механизма реакции

Понижение температуры (ниже 20°C) приводит к заметному замедлению реакции и снижению выхода целевого продукта.

Особое значение в этом синтезе имеет порядок смешения реагентов. Экспериментально было показано, что смешение реагентов должно проводиться многократным порционным прибавлением метилхлорацетата к смеси диметилфосфита и поташа при перемешивании. Предпочтительно, для упрощения контроля за своевременным прибавлением метилхлорацетата его прибавляют 3-6 равными порциями через каждые 2,5-3,5 часа. Такой способ прибавления позволяет поддерживать избыток диметилфосфита в реакционной смеси и избежать последующего СН-алкилирования метилхлорацетатом образующегося целевого триметилового эфира фосфонуксусной кислоты (1), приводящего к образованию побочного продукта - диметилового эфира 2-диметоксифосфорилбутандиовой кислоты (4). В случае одноразового прибавления метилхлорацетата к диметилфосфиту и поташу за 10-15 минут и последующего перемешивания реакционной массы при 20-25°C образуется смесь продуктов 1 и 4, из которой триметиловый эфир фосфонуксусной кислоты 1 выделяется перегонкой с выходом только 28%. Механизм образования побочного продукта 4 приведен ниже.

Для выделения синтезированного продукта полученную реакционную массу обрабатывают смесью хлороформа и воды с содержанием воды от 1 до 3% по объему от общего объема смеси, а затем разделяют органическую и неорганическую фазы путем фильтрования полученной массы. Добавление небольших количеств воды способствует коагуляции мелкодисперсного осадка образующихся в реакции KCl и KHCO₃, что позволяет существенно сократить время фильтрования реакционной смеси и избежать потерь целевого продукта. Фильтрат упаривают при атмосферном давлении, остаток перегоняют в вакууме (при 1-5 мм рт.ст.), собирая фракцию с температурой кипения 105-107°C/1 мм рт.ст. или с т.кип. 115-116°C/4 мм рт.ст. (литературные данные 117-118°С/5 мм рт.ст. [Малеванная Р.А., Цветков Е.Н., Кабачник М.И. Диалкоксифосфинилуксусные кислоты и некоторые их аналоги. // ЖОХ. 1971. Т.41. Вып.7. С.1426-1434]), 85-86°C/0.08 мм рт.ст. [McGreer D.E., Chiu N.W.K. Thermal rearrangement of α,β- to β,γ-unsaturated esters. Evidence for a 1,5-hydrogen transfer mechanism // Can. J. Chem. 1968. V.46. P.2225-2232].

Ниже изобретение иллюстрируется следующими примерами и таблицей.

Пример 1 (моли 1,3:1:2, 20-25°C, 18 часов, 6 порций, 1% воды)

В 4-горлую круглодонную колбу, снабженную механической мешалкой, обратным холодильником с хлоркальциевой трубкой, термометром и капельной воронкой, загружают при перемешивании 27,1 г (0,25 моля) свежеперегнанного диметилфосфита и 52,4 г (0,38 моля) растертого в порошок карбоната калия, а затем при 20-25°C при перемешивании со скоростью 300 об/мин прибавляют по каплям шестью равными порциями через каждые 3 часа 20,6 г (0,19 моля) метилацетата. После прибавления последней порции реакционную массу перемешивают еще в течение 3 часов (общее время перемешивания 18 ч), разбавляют смесью 50 хлороформа и 0,5 мл воды (1%), осадок отфильтровывают и промывают его на фильтре 75 мл хлороформа. Объединенный фильтрат высушивают сульфатом натрия, упаривают в вакууме, остаток перегоняют. Получают 30.8 г (89%) триметилового эфира фосфонуксусной кислоты с т.кип. 115-116°C/4 мм рт.ст., 1,4369. Литературные данные: т.кип. 117-118°C/5 мм рт.ст., 1,4373 (Малеванная Р.А., Цветков Е.Н., Кабачник М.И. Диалкоксифосфинилуксусные кислоты и некоторые их аналоги // ЖОХ. 1971. Т.41. Вып.7. С.1426-1434). Спектр ЯМР ³¹P {¹H} (CDCl₃): δ_P 22.3 м.д. Спектр ЯМР ¹Н (CDCl₃) δ_H 2.94 м.д., дублет, ²J_HP=21.0 Гц (2Н, РСН₂С); δ_H 3.70 м.д., синглет (3Н, СН₃ОС=0); δ_H 3.76 м.д., дублет, ³J_HP=12.0 Гц (6Н, СН₃ОР=O).

Пример 2 (моли 1,1:1:2, 30-35°C, 16 часов, 5 порций, 3% воды)

В 4-горлую круглодонную колбу, снабженную механической мешалкой, обратным холодильником с хлоркальциевой трубкой, термометром и капельной воронкой, загружают при перемешивании 23,0 г (0,21 моля) свежеперегнанного диметилфосфита и 52,5 г (0,38 моля) растертого в порошок карбоната калия, а затем при 30-35°C при перемешивании со скоростью 450 об/мин прибавляют по каплям пятью равными порциями через каждые 3,5 часа 20,6 г (0,19 моля) свежеперегнанного метилхлорацетата. После прибавления последней порции реакционную массу перемешивают еще в течение 2 часов (общее время перемешивания 16 ч), разбавляют смесью 50 мл хлороформа и 1,5 мл воды (3%), осадок отфильтровывают и промывают его на фильтре хлороформом (75 мл). Объединенный фильтрат высушивают сульфатом натрия, упаривают в вакууме, остаток перегоняют. Получают 30,1 г (87%) триметилового эфира фосфонуксусной кислоты с т.кип. 113-115°C/4 мм рт.ст., 1,4374. Спектр ЯМР ³¹P {¹Н} (CDCl₃): δ_P 22.4 м.д.

Пример 3 (моли 1:1:2, 35-40°C, 12 часов, 4 порции, 2% воды)

В 4-горлую круглодонную колбу, снабженную механической мешалкой, термометром, обратным холодильником с хлоркальциевой трубкой и капельной воронкой, загружают при перемешивании 55,0 г (0,5 моля) свежеперегнанного диметилфосфита и 138,2 г (1,0 моль) растертого в порошок карбоната калия, а затем при 35-40°C при перемешивании со скоростью 400 об/мин прибавляют по каплям четырьмя равными порциями через каждые 3 часа 52,2 г (0,5 моля) свежеперегнанного метилхлорацетата. После прибавления последней порции реакционную массу перемешивают еще в течение 3 часов (общее время перемешивания 12 ч), разбавляют смесью 120 мл хлороформа и 2.4 мл воды (2%), осадок отфильтровывают и промывают его на фильтре 180 мл хлороформом. Объединенный фильтрат высушивают сульфатом натрия, упаривают в вакууме, остаток перегоняют. Получают 78,3 г (86%) триметилового эфира фосфонуксусной кислоты с т.кип. 105-107°C/1 мм рт.ст. 1,4372. Спектр ЯМР ³¹P {¹Н} (CDCl₃): δ_P 22.3 м.д.

Пример 4 (моли 1:1:2, 45-50°C, 10 часов, 3 порции, 2% воды)

В 4-горлую круглодонную колбу, снабженную механической мешалкой, термометром, обратным холодильником с хлоркальциевой трубкой и капельной воронкой, загружают при перемешивании 25,3 г (0,23 моля) диметилфосфита и 63,6 г (0.46 моля) растертого в порошок поташа, а затем при перемешивании со скоростью 400 об/мин прибавляют по каплям при 45-50°C тремя равными порциями через каждые 2,5 часа 25,0 г (0,23 моля) метилхлорацетата. После прибавления последней порции реакционную массу перемешивают еще в течение 2,5 часов (общее время перемешивания 10 ч), разбавляют смесью 60 мл хлороформа и 1,2 мл воды (2%), осадок отфильтровывают и промывают его на фильтре 90 мл хлороформа. Объединенный фильтрат высушивают сульфатом натрия, упаривают в вакууме, остаток перегоняют. Получают 36,8 г (88%) триметилового эфира фосфонуксусной кислоты с т.кип. 110-112°C/1 мм рт.ст. 1,4375. Спектр ЯМР ³¹P {¹Н} (CDCl₃) δ_P 22,3 м.д.

Примеры 5-11. Синтез осуществляют по методике примера 1, условия синтеза и выход целевого продукта приведены в таблице.

Пример 12 (моли 1:1:2, 25-30°C, 18 часов, обычное прибавление, 2% воды)

В 4-горлую круглодонную колбу, снабженную механической мешалкой, термометром, обратным холодильником с хлоркальциевой трубкой и капельной воронкой, загружают 20,9 г (0,19 моля) свежеперегнанного диметилфосфита и 52,5 г (0,38 моля) растертого в порошок карбоната калия, а затем при 25-30°C при перемешивании со скоростью 450 об/мин прибавляют по каплям за 10-15 минут 20,6 г (0,19 моля) свежеперегнанного метилхлорацетата. Реакционную массу перемешивают при 25-30°C в течение 18 часов, затем разбавляют смесью 30 мл хлороформа и 0,6 мл воды (2%), осадок отфильтровывают и промывают его на фильтре 75 мл хлороформа. Объединенный фильтрат высушивают сульфатом натрия, упаривают в вакууме, остаток перегоняют. Получают 12,8 г (37%) триметилового эфира фосфонуксусной кислоты, т.кип. 111-115°C/2 мм рт.ст., δ_P 22,3 м.д. (CDCl₃) и 6,8 г (28%) диметилового эфира 2-диметоксифосфорилбутановой кислоты 4, т.кип. 155-158°C, δ_P 23,8 м.д. (CDCl₃).

Пример 13 (моли 1:1:1,5, 80-85°C, 18 часов, обычное прибавление, катализатор межфазного переноса, 2% воды)

Смесь 20,9 г (0,19 моля) свежеперегнанного диметилфосфита, 39,4 г (0,28 моля) растертого в порошок поташа, 20,5 г (0,19 моля) метилацетата и 2,5 г (9,5 ммолей, 5 мол.%) катализатора 18-краун-6 нагревают при 80-85°C при перемешивании со скоростью 400 об/мин в течение 6 часов. Реакционную массу разбавляют смесью 50 мл хлороформа и 1,5 мл воды (3%), осадок отфильтровывают и промывают его на фильтре 75 мл хлороформа. Объединенный фильтрат высушивают сульфатом натрия, упаривают в вакууме. Полученный остаток представляет собой по данным спектров ЯМР ³¹P {¹H} в CDCl₃ смесь четырех продуктов: фосфонат 1 - целевой триметиловый эфир фосфонуксусной кислоты (18%, δ_P 22.3 м.д.), фосфонат 2 - O,O-диметилметилфосфонат (51%, δ_P 33.5 м.д.), фосфонат 3 - метиловый эфир 2-диметоксифосфорилпропановой кислоты (12%, δ_P 27.1 м.д.) и фосфонат 4 - диметиловый эфир 2-диметоксифосфорилбутандиовой кислоты (19%, δ_P 23.9 м.д.).

Пример 14 (моли 1:1:2, 25-30°C, 16 часов, 3 порции, обработка водой до полного растворения осадка)

Синтез проведен аналогично примеру 4 при температуре 25-30°C в течение 16 часов. Полученную реакционную массу разбавляют 150 мл воды, водный слой экстрагируют хлороформом (3×70 мл). Экстракт высушивают сульфатом натрия, упаривают в вакууме. В остатке содержится 0,7 г (2%) триметилового эфира фосфонуксусной кислоты. Водный слой содержит калиевую соль диметоксифосфорилуксусной кислоты - продукт щелочного гидролиза метоксикарбонильной группы триметилового эфира фосфонуксусной кислоты, δ_P 30,0 м.д. (H₂O).

Приведенные примеры показывают, что оптимальными условиями синтеза являются: температура реакции 20-50°C, продолжительность реакции 10-18 часов, молярное соотношение исходных реагентов диметилфосфит, метилхлорацетат, поташ (1-1,3):1:(1,5-2).

При использовании молярного количества поташа (пример 6) выход продукта падает до 30%, тогда как увеличение количества поташа и диметилфосфита более 2,0 и 1,3 молей, соответственно (пример 7), не влияет на выход.

Уменьшение температуры реакции до 10°C (пример 8) или ее увеличение до 60°C (пример 9) приводит к снижению выхода целевого продукта за счет алкилирования целевого продукта диметилфосфит-анионом и метихлорацетатом.

Уменьшение времени реакции до 3 часов (пример 10) приводит к снижению выхода продукта, увеличение времени реакции до 60 ч (пример 11) нецелесообразно, так как выход продукта не меняется.

При алкилировании диметилфосфита метилхлорацетатом в присутствии поташа и при использовании в качестве катализатора 18-краун-6 целевой продукт получают с выходом 8% (пример 13). Основным продуктом в этом случае является O,O-диметилметилфосфонат 2 - продукт самоалкилирования диметилфосфита. Кроме того, в качестве примесей присутствуют фосфонаты 3 и 4, образующиеся за счет алкилирования целевого продукта диметилфосфит-анионом и метилхлорацетатом.

Таким образом, приведенные примеры и таблица подтверждают эффективность предлагаемого способа получения триметилового эфира фосфонуксусной кислоты, из которых видно, что представленный способ позволяет синтезировать указанный продукт с высоким выходом и чистотой при заявленных параметрах процесса. Физико-химические характеристики полученных образцов соответствуют литературным данным и являются спектрально чистыми.

Предлагаемый способ имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом и другими аналогами:

- способ технологичен и применим в промышленных условиях;

- в качестве исходного фосфорсодержащего соединения в нем используется диметилфосфит, выпускаемый отечественной промышленностью;

- способ экономичен и не является энергоемким, поскольку осуществим при комнатной температуре, не требует применения дорогостоящих безводных растворителей;

- способ экологически безопасен, поскольку при его осуществлении не используются огнеопасные и взрывоопасные вещества.