專利名稱：新型次膦酸及其硫衍生物以及它們的制備方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及有機化學領域。更具體而言，本發(fā)明提供了新型有機次膦酸及其硫衍生物，以及它們的制備方法。這些新型化合物可作為金屬萃取劑。


發(fā)明內容
發(fā)明綜述 一方面，本發(fā)明提供了由式(I)定義的化合物
其中 R1和R2不同，且R1和R2各自獨立選自 (a)-CH2-CHR3R4，其中R3為甲基或乙基；而R4為可選地取代的烷基或雜烷基；以及 (b)-CR3(CH2R5)R6，其中 R3為甲基或乙基；且 R5為H或可選地取代的烷基或雜烷基，而R6為可選地取代的烷基或雜烷基；或者 R5，R6及它們連接的乙烯基團形成五或六元的可選地取代的環(huán)烷基或雜環(huán)烷基環(huán)； 且X和Y分別獨立為O或S。
因此，在實施方式中，本發(fā)明提供了如下式(I)的化合物 (a)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸； (b)(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基己基)次膦酸； (c)(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基己基)次膦酸； (d)(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)次膦酸；以及 (e)(1-甲基-1-乙基戊基)(2-乙基己基)次膦酸； 以及它們的單和二硫代衍生物，及其鹽。
如此處所述，式(I)的化合物的示范性制備可通過將式(II)的仲膦
(i)與氧化劑反應以生成相應的次膦酸；(ii)與硫反應以生成相應的二硫代次膦酸；或者(iii)與有限量的氧化劑反應以生成相應的膦氧化物，其隨后與硫反應生成相應的單硫代次膦酸。
在另一方面，本發(fā)明提供了制備式(II)的仲膦(其中R1和R2如上文定義，且R2為-CH2-CHR3R4)的方法，其中該方法包括使式R1PH2的伯膦和式CH2＝CR3R4的烯烴在自由基條件下反應。
在另一方面，本發(fā)明提供了制備式(II)的仲膦(其中其中R1和R2如上文定義，且R2為-CR3(CH2R5)R6)的方法，其中該方法包括使式R1PH2的伯膦和式HR5C＝CR3R6的烯烴在酸催化劑存在下反應。
部分式(II)的仲膦化合物具有新穎性。因此，在實施方式中，本發(fā)明提供了如下式(II)的仲膦化合物 (a)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)膦； (b)(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基己基)膦； (c)(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基己基)膦； (d)(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)膦；以及 (e)(1-甲基-1-乙基戊基)(2-乙基己基)膦. 另一方面，本發(fā)明提供了式(I)的化合物或其鹽作為金屬萃取劑的用途。
另一方面，本發(fā)明提供了從含金屬溶液中萃取金屬的工藝，其包括將所述溶液與式(I)的化合物相接觸，使式(I)的化合物與該金屬形成復合物，并回收該復合物。在實施方式中，式(I)的化合物(其中X和Y均為O)或其鹽可用于從包含鈷(II)和鎳(II)的水溶液中選擇性地萃取鈷(II)。
發(fā)明詳述 R1和R2的值通過選擇以獲得具有較低熔點的式(I)的化合物。在許多應用中，該式(I)的化合物在其液態(tài)下進行使用。相應地，在室溫下(例如，約15℃至約25℃的溫度范圍內，更具體為約15℃，約20℃和約25℃的溫度)為液體的式(I)的化合物通常更適于在室溫或接近室溫下進行的應用，而在低溫下(例如在小于約30℃，約40℃，約50℃，約60℃，約80℃，約100℃，約150℃的溫度下)溶解的式(I)的化合物通常更適于在略微升高的溫度下(即，在式(I)的化合物的熔點以上)進行的應用。因此，R1和R2的值通過選擇后使得R1和R2不同，因為所得的不對稱性趨于降低該化合物的熔點。
支鏈是熔點的另一決定因素。特別地，當R1和R2的分支程度上升時該熔點趨于下降。通過定義，R1和R2各自獨立在alpha或beta碳上分支，但在alpha或omega碳或者任意中間位點上均可能存在其它的分支。在alpha碳和/或beta碳上的分支可以通過提高中心磷原子周圍的空間位阻并由此促進次膦酸與鈷(II)的配位，提高有機次膦酸相對鎳和/或鈣選擇性結合鈷的能力。
在R1和R2中一個或多個手性中心的存在通過提供立體異構體混合物，趨于降低熔點。
該熔點隨該化合物中碳原子數的上升而趨于升高，因此R1和R2通常經過選擇使得式(I)的化合物包含不超過約20個碳原子。然而，為了實現某些目的(例如從水溶液中萃取金屬)，將需要疏水的或是“與水不混溶的”的式(I)的化合物。術語“與水不混溶的”意在描述在與水混合時形成兩相系統(tǒng)的化合物，但只要形成兩相系統(tǒng)，便不排除溶于水的化合物或是溶解水的化合物?？偣簿哂屑s12個或更多碳原子的式(I)的化合物可用于實現這些目的。
在許多應用中(例如金屬萃取應用)，可通過R1和R2的選擇得到與用于特定應用的有機溶劑混溶(優(yōu)選全比例混溶)的化合物。式(I)的化合物在特定有機溶劑中的混溶性可簡單地確定(例如，通過肉眼確定)，無需實施創(chuàng)造性的技術。
R1和R2可包含雜原子(例如，該碳骨架可被一個或多個選自N，O和S的原子所中斷)或攜帶其它的取代基(例如羥基，鹵素，烷氧基，烷硫基，羧基以及乙?；鶊F)，只要通過不要求創(chuàng)造性的常規(guī)實驗可確定該取代基或雜原子不影響本發(fā)明化合物的制備或使用。然而，雜原子和附加取代基的存在可能會增加成本。因此，針對多種目的，R1和R2不包含雜原子或攜帶附加的取代基。
因此，針對多種目的，R1和R2分別獨立為僅由氫和碳原子組成的烷基基團或環(huán)烷基基團，例如C5-C16烷基基團，即具有總碳原子數介于5和16之間(即，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15或16個碳原子)或通常介于6至10之間的烷基基團；或是C5-C16環(huán)烷基基團，例如，至少被一個烷基基團取代的五-或六-元環(huán)(即，R3和可選地一個或多個附加烷基基團)，從而使得所述環(huán)烷基基團具有的碳原子總數介于6和16之間(即，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15或16個)或通常介于6至10之間。此處的術語“烷基”包括直鏈和支鏈烷基。
R3，R4，R5和R6經選擇以提供所需的R1和R2值。例如，當R1為式-CR3(CH2R5)R6的C5-C16烷基且R3和R5均為甲基，則R6為C2-C12烷基。R4，R5和R6可帶支鏈。
因此，R1和R2的適用的值包括2，4，4-三甲基戊基，1，1，3，3-四甲基丁基，2-乙基己基和1-甲基-1-乙基戊基。
(I)式(I)的化合物的制備方法 式(I)的化合物可采用已知的化學反應進行制備。例如，式(II)的仲膦
(其中R1和R2如上文定義)可通過酸催化加成或在自由基條件下將伯膦加成至烯烴后制備得到。隨后，該仲膦可以(i)與氧化劑反應以生成次膦酸；(ii)與硫反應以生成二硫代次膦酸；或者(iii)與有限量的氧化劑反應以生成膦氧化物，其隨后與硫反應以制備單硫代次膦酸。
自由基條件可用于制備在beta碳原子處被R基團取代的仲膦，因為自由基條件可促進將膦加成至伯碳原子，例如1-烯的末端碳原子。
酸催化可用于制備在alpha碳原子處被R基團取代的仲膦，因為酸催化可促進將膦加成至叔碳原子。
(A)仲膦在自由基條件下的制備 在自由基條件下將膦加成至烯烴的方法為已知方法。例如，美國專利4,374,780描述了將兩摩爾的2，4，4-三甲基戊烯-1通過自由基加成至膦后以過氧化氫氧化制備雙(2，4，4-三甲基戊基)次膦酸的方法。
因此，式(II)的仲膦
(其中R1和R2如上文定義，且R2為-CH2-CHR3R4)的制備方法包括，例如，在自由基條件下使式R1PH2的伯膦和式CH2＝CR3R4的烯烴進行反應。
自由基引發(fā)劑已為本領域所知，且技術人員能夠選擇可用于上述反應的自由基引發(fā)劑。特別涉及偶氮雙自由基引發(fā)劑，例如偶氮二異丁腈。
該膦加成反應并不特別受溫度限制，它可在較寬的溫度范圍內發(fā)生。因此，通常根據所用引發(fā)劑的半衰期來選擇進行該反應的溫度范圍。例如，對于偶氮二異丁腈，該反應可在約40℃至約110℃，優(yōu)選約60℃至約90℃的溫度范圍內進行。
為了減少不想要的叔膦的生成，該反應應當用摩爾過量的伯膦進行。
例如，(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基己基)膦可通過在上述自由基條件下加成 (a)(2，4，4-三甲基戊基)膦至2-乙基己-1-烯或 (b)2-乙基己基膦至(2，4，4-三甲基)戊烯-1 制備得到。
(B)通過酸催化加成進行的仲膦制備 通過酸催化加成將膦加成至烯烴的方法為已知的方法(例如參見美國專利2584112)。例如，美國專利5,925,784描述了通過將膦催化加成至二異丁烯，然后以過氧化氫氧化制備雙(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的方法。
因此，式(II)的仲膦
(其中R1和R2如上文定義，且R2為-CR3(CH2R5)R6)的制備方法包括，例如，使式R1PH2的伯膦和式HR5C＝CR3R6的烯烴在酸催化劑的存在下進行反應。
該酸催化加成步驟通常可在可質子化有機溶劑(即，包含羥基(OH)基團的有機溶劑)如乙二醇或乙二醇醚的存在下進行。用于該目的的適用乙二醇或乙二醇醚的范例包括乙二醇，丙三醇和乙二肟。
該酸催化劑可以是任意非氧化強酸。優(yōu)選烷基磺酸(包括但不限于甲磺酸和甲苯磺酸)，因為它們具有可得性、低成本且與多數不銹鋼(常被用于制作工業(yè)反應器)相容。然而，其它非氧化性強酸(如HCI和H3PO4)可用于本發(fā)明的方法，盡管HCl將要求該反應在耐鹵化物反應器中進行。酸催化劑與伯膦的摩爾比為約1:1至約5:1，優(yōu)選約1.5:1.0。摩爾過量的酸催化劑可能會提高產率，但會增加該工藝的成本。
一般而言，該酸催化加成步驟可按如下進行將酸催化劑在惰性氣氛(例如氮氣)中大氣壓和提高的溫度下(例如，約50℃至約160℃，優(yōu)選約75℃至約125℃)添加至含有伯膦和烯烴的容器中，并使該反應進行約2至約88小時(優(yōu)選介于約8至約20小時)。溫度提高可提高產率并減少反應時間。該反應產物可通過標準方法進行分析，例如，氣相色譜(GC)和/或核磁共振(NMR)分析 過量烯烴的存在可提高膦加成步驟的產率，但也會導致烯烴二聚體和三聚體。烷基膦可能會過量存在，但該過量的烷基膦通常應在氧化前除去。因此，多數情況下，該反應將包含摩爾比從約0.5:1至約3:1，優(yōu)選約1.5:1.0的烯烴和伯膦。
酸催化加成步驟完成后，該反應混合物可通過處理(例如，用堿水洗滌，回收該有機相，并在提高的溫度下(例如，約80℃)真空除去任意未反應的起始物質和溶劑)以提供可不經純化直接用于氧化步驟的粗仲膦制備物。
該烯烴可以是單個種類或兩個相關烯烴種類(分別具有對相鄰碳原子的叔碳雙鍵)的混合物。例如，二異丁烯通常作為(2，4，4-三甲基)戊烯-1和(2，4，4-三甲基)戊烯-2的混合物進行市售。在酸催化劑的存在下，伯膦可加成至兩種烯烴的beta碳(叔碳)。
例如 (a)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基)膦可由(2，4，4-三甲基戊基)膦和二異丁烯在酸催化劑的存在下制備； (b)(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基己基)膦可由2-乙基己基膦和二異丁烯在酸催化劑的存在下制備； (c)(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)膦可由(2，4，4-三甲基戊基)膦和2-乙基己烯-1在酸催化劑的存在下制備； (d)(1-甲基-1-乙基戊基)(2-乙基己基)膦可由2-乙基己基膦和2-乙基己烯-1在酸催化劑的存在下制備。
(C)仲膦的氧化 上述仲膦可通過氧化制備相應的次膦酸。
在分子水平，仲膦的氧化通過兩個步驟完成。首先，該仲膦被氧化為膦氧化物，其隨后被氧化形成次膦酸。在實踐中，仲膦的完全氧化可在單個反應中實現。例如，該仲膦可通過與氧化劑(優(yōu)選過氧化氫)在酸催化劑(例如，硫酸)和水存在下于大氣壓下和提高的溫度(例如，約50℃至約110℃，優(yōu)選約80℃至約100℃)下反應約4至約16小時或直至完全反應后被氧化。較低的溫度會減緩反應，導致更長的反應時間。然而，更高的溫度傾向于除去一個烷基基團，導致部分單烷基膦酸副產物的形成。反應的過程可通過如31P NMR進行追蹤。
適用的氧化劑包括過氧化氫，這是一種便宜并且方便的氧化劑。該氧化反應的化學計量學要求在該反應中兩當量的過氧化氫與1當量的膦進行反應。然而，過量過氧化氫的存在可以較低的額外成本提高產率(即，促使氧化反應趨于完全)。因此在許多情況下，過氧化氫將相對仲膦過量存在，例如其當量比可介于約2:1至約4:1，優(yōu)選約3:1。
該反應完成后，可對該反應混合物進行處理(例如，以堿水(例如，氫氧化鈉)洗滌，然后以酸水(例如，硫酸)洗滌，然后在提高的溫度下(例如，約80℃)真空干燥)以提供包含目標次膦酸產物的液體產物。
前述方法通常提供包含目標次膦酸以及副產物的液體終產物。當該工藝在適當條件下進行時，該目標次膦酸可以是該液體終產物的主要成分(例如，占重量的80-95％或更多)。
所述方法的液體終產物可不經進一步純化用于金屬萃取工藝，因為多數副產物預計不會干擾金屬萃取工藝。然而，該氧化步驟可導致膦酸副產物(即R1PO(OH)2和R2PO(OH)2)的形成，其可例如減少該終產物相對鈣和鎳對于鈷的選擇性。如果需要，可選擇反應條件(如上文指出，特別是溫度)以最小化膦酸副產物的生成。如果需要，可通過一次或多次堿水洗滌該液體終產物以將單膦酸的水平降低至可接受的水平，例如，約1％或更少。
(D)仲膦或膦氧化物與硫的反應 上述仲膦還可用作中間體來制備相應的單硫代次膦酸和二硫代次膦酸。
例如，二硫代次膦酸可參照已知的方法(例如，如美國專利5925784或GB902802所述)由仲膦與硫的反應進行制備。之前定義的仲膦可與硫、水和堿性試劑(例如氫氧化銨)反應生成相應的仲二硫代次膦酸的鹽，例如其銨鹽。該類反應通常在約0℃至約100℃，優(yōu)選約15℃至約75℃的溫度范圍內進行。由此制備的鹽可與酸(例如HCl，稀硫酸或甲磺酸)反應生成仲二硫代次膦酸。這些反應通常在約-30℃至約75℃，優(yōu)選約10℃至約50℃的溫度范圍內進行。
例如，單硫代次膦酸可通過如下步驟制備 (i)使仲膦與有限量的氧化劑反應生成仲膦氧化物；并 (ii)使該仲膦氧化物與硫反應生成單硫代次膦酸。
適用的制備單硫代次膦酸的方法可參見，例如，美國專利4555368。簡單而言，仲膦可被氧化形成相應的二有機膦氧化物，且不形成明顯數量的相應二有機次膦酸。為了實現這一點，可通過逐漸或遞增添加該氧化劑，以從約40℃至約60℃，優(yōu)選從約50℃至約55℃的受控溫度，進行該氧化反應。所添加的氧化劑數量應當足以充分氧化所有的仲膦，通常使用等摩爾量的氧化劑。添加的時間可隨所用的仲膦起始量而變化。一般而言，逐漸或遞增添加氧化劑的在受控溫度條件下進行的氧化可在約1至約3小時的期間內完成。
只要氧化劑能夠將該仲膦氧化為仲膦氧化物，則具體氧化劑的選擇并非關鍵。過氧化氫是此處所用的優(yōu)選氧化劑，因而它價格低廉，易于獲取，且在其使用時的氧化反應溫度和速率易于控制。
在基本上所有的仲膦被轉化為相應的仲膦氧化物之后，可將所得的仲膦升溫至介于約60℃至約90℃，優(yōu)選約65℃至約75℃的更高溫度，并添加過量的硫和過量的氫氧化物以將該仲膦氧化物轉化為相應的單硫代次膦酸鹽化合物。該種堿存在下的硫化反應可在介于約60℃至約90℃的溫度下進行，并持續(xù)至反應基本完全。一般而言，該反應可于約60℃至約90℃的溫度下在約1至約5小時內完成。
所得的單硫代次膦酸可進行互變異構化，在如下互變異構體之間互變。

(II)式I化合物的用途 本領域已知有機次膦酸可用于金屬萃取，特別是鈷(II)萃取(例如，參見美國專利4373780；4353883；4348367和5925784)。還已知有機次膦酸可用于萃取其它金屬，例如稀土金屬，錒系以及鉑族金屬。
另據發(fā)現有機單-和二硫代次膦酸可用作金屬萃取劑(例如，參見美國專利5028403和4721605)。這些含磷酸的酸性隨硫含量的上升而上升，這可能會提高該酸在低pH溶液中萃取金屬的能力，但也可能會增加后續(xù)從中洗提金屬的難度。
因此，可以理解式(I)的化合物可用作金屬萃取劑(例如，用于從單含某金屬或混合了其它不太想要的金屬的水溶液中回收各類金屬)。在實施方式中，式(I)的化合物可用于鈷萃取工藝。
雙(2，4，4-三甲基戊基)-次膦酸(披露于美國專利4374780并由Cytec Industries銷售，商品名CYANEX 272)被廣泛用于從硫或低氯化物介質中分離鈷和/或鎳。CYANEX 272可選擇性地結合鈷，且同時排斥經常在含鈷(II)水溶液中存在的鈣，鎂和鎳。CYANEX272還可用于分離重稀土金屬以及從鈷溶液選擇性分離鐵和鋅。然而，CYANEX 272具有一定的局限和缺陷。具體而言，CYANEX 272在負載鈷后會逐漸變得粘稠并難以使用，因此，在工藝過程中它通常僅負載其最大理論能力的70-75％。
在此處所述的實施例中，據觀察(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(此處示范的式(I)的化合物)具有與CYANEX 272相當的鈷負載能力，但與CYANEX 272不同的是，它即使在最大鈷負載時仍不會過度粘稠。因此，在實施方式中，(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3四甲基丁基)次膦酸可在工業(yè)過程中允許理論能力的100％的鈷負載，較CYANEX 272提高25-30％，且不會出現粘度問題。鈷負載能力的提高和/或粘度問題的減少(可在此處所述的實施例中的(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸觀察到)可在特定的應用(例如商業(yè)鈷(II)萃取工藝)中提高總體的效率和生產率。
在此處所述的實施例中觀察到(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸比CYANEX 272能更好地排斥鈣。在商業(yè)鈷萃取工藝中，鈷通常通過以硫酸從有機相洗提進行回收。人們不希望與鈣進行共萃取，因為鈣可導致從有機相洗提鈷的過程中在有機相和水相的界面上石膏的形成，并因此會干擾并降低洗提步驟的生產率。因此，在實施方式中，更好的鈣排斥(可在此處所述的實施例中的(2，4，4-三甲基-戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸觀察到)可減少在鈷萃取工藝中共萃取的鈣的量，從而提高鈷洗提步驟的生產率和效率。
此外，在此處所述的實施例中觀察到與CYANEX 272相比，(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸對鈷相對鎳具有更高的選擇性。
美國專利5925784披露了雙(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸并啟示了該化合物可用作分離鈷和/或鎳的試劑。然而，雙(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的某些屬性限制了它的工業(yè)實用性；例如它在室溫下為固體，且在工業(yè)中常用于鈷萃取工藝的芳香族和脂肪族溶劑中具有有限的溶解度。相反地，根據本發(fā)明，可通過選擇R1和R7的值以提供在室溫下為液體和/或與用于鈷萃取的芳香族和脂肪族溶劑混溶(優(yōu)選全比例)的式(I)的化合物。
該式(I)的化合物可參照已知的方法(例如，美國專利5925784，4353883和4348367所述的方法)用于鈷萃取。例如，(2，4，4-三甲基-戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸可直接替換CYANEX 272，盡管需要對該工藝進行一定程度的改造以適應這兩種化合物之間的化學和物理屬性差異。本領域技術人員能夠不經創(chuàng)造性的步驟，通過常規(guī)實驗將式(I)的化合物用于該種已知的方法。
本說明書中所涉及的所有出版物和專利申請均引用作為參考，其引用程度如同每一個單獨的出版物和專利申請均為特定的單獨的引用作為參考。
任意出版物的引用均針對其在申請日前的披露，不應視為承認本發(fā)明由于在先發(fā)明而未能先于該出版物提出。

具體實施例方式 實施例1化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的合成。
該(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的二次合成終產物以下稱為“批次1”。
(I)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)膦的合成 將2，4，4-三甲基戊基膦(302.7g，99％GC，2.07mol，1.0eq.)，二異丁烯(2，4，4-三甲基-戊烯-1和2，4，4-三甲基-戊烯-2的混合物；348.3g，3.11mol，1.5eq.)和二乙二醇(295g，重量比～0.97)在氮氣下加入三口燒瓶。將混合物加熱至80℃，此時將甲磺酸(298.9g，3.11mol，1.5eq.)通過加液漏斗在50分鐘內緩慢滴入該燒瓶。將該混合物繼續(xù)加熱，在120℃下回流，并消化過夜(16小時)。
冷卻該反應混合物并加入甲苯(300ml)，然后緩慢添加NaOH水溶液(125g溶于500g水中，3.11mol，1.5eq.)，從而使反應溫度保持在60℃以下。劇烈混合后將內含物轉移至分液漏斗以實現澄清相分離。然后收集該有機相，并在80℃下真空去除溶劑和未反應的起始物質。所得的產物(452g，85％產率)為澄清無色液體，并通過31P NMR和GC分析。結果31P NMRδ-23.54(雙峰)；GC/MS保留時間(m/e)12.70min(258)。
(II)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的合成 將水(500g，1.0相對二烷基膦體積的重量比)和催化量的硫酸(5g，1％相對水的重量)添加至三口圓底燒瓶。該燒瓶以氮氣封住，并配備了機械攪拌設備。將該(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)膦(443g，1.7mol，1.0eq.；由上述步驟(I)得到)添加至該反應容器以形成雙相系統(tǒng)，其中上層為有機相。然后將該反應混合物在攪拌和氮氣下加熱至50℃。移走熱源，并將～25％過氧化氫水溶液(700g，5.2mol，3.0eq.)緩慢滴加至該反應混合物，以確保溫度緩慢并穩(wěn)定地上升，同時避免溫度大幅度和突然的變化。添加一當量H2O2(～50min)后，采用外部熱源以在以同樣方式(～45min)添加第二當量的H2O2前提供>95℃的反應溫度。此時添加過量的H2O2，以確保起始物質的完全氧化。將反應混合物在>95℃下消化過夜(16小時)，此時萃取樣本進行31P NMR分析，以確定反應是否完全。結果31P NMR峰值δ 63.53。
當反應完成時，向該混合物添加甲苯(～200ml)以降低有機層的粘度。然后以等體積的水洗滌該有機相。隨后進一步以NaOH水溶液(100g溶于1L的水)洗滌該有機相以得到pH～7-8。去除水層，并通過酸洗(含于水的H2SO4，10g/L)恢復該次膦酸。然后將目標產物脫水并在80℃下真空干燥以得到澄清透明液體(405g，82％產率)。
實施例2化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的合成。
該(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的二次合成終產物以下稱為“批次2?！? (I)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)膦的合成 將2，4，4-三甲基戊基膦(412.4g，2.82mol，1.0eq.)，二異丁烯(2，4，4-三甲基-戊烯-1和2，4，4-三甲基-戊烯-2的混合物；474.3g，4.23mol，1.5eq.)和二乙二醇(413.3g，重量比～1.00)在氮氣下加入三口燒瓶。將混合物加熱至80℃，此時將甲磺酸(407.6g，4.24mol，1.5eq.)通過加液漏斗在50分鐘內緩慢滴入該燒瓶。將該混合物繼續(xù)加熱，在113℃下回流過夜(16小時)。
冷卻該反應混合物并加入甲苯(400ml)，然后緩慢添加NaOH水溶液(174.8g溶于500g水中，4.37mol，1.5eq.)，從而使反應溫度保持在60℃以下。劇烈混合后將內含物轉移至分液漏斗，并添加500ml水和300ml甲苯。觀察到澄清的相分離，去除水層，然后以1L的水額外洗滌該有機層。然后收集該有機相，并在80℃下真空去除溶劑和未反應的起始物質。所得的產物(562.1g，77％產率)為澄清無色液體，并通過31P NMR和GC分析。結果31P NMRδ-24.76(雙峰)；GC/MS保留時間(m/e)14.98min(258)。
(II)(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的合成 將水(578g，～1.0相對二烷基膦體積的重量比)和催化量的硫酸(5.8g，1％相對水的重量)添加至三口圓底燒瓶。該燒瓶以氮氣封住，并配備了機械攪拌設備。將該(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)膦(556.9g，2.16mol，1.0eq.；由上述步驟(I)得到)添加至該反應容器以形成雙相系統(tǒng)，其中上層為有機相。然后將該反應混合物在攪拌和氮氣下加熱至50℃。移走熱源，并將～25％過氧化氫水溶液(889.8g，6.54mol，3.0eq.)緩慢滴加至該反應混合物，以確保溫度緩慢并穩(wěn)定地上升，同時避免溫度大幅度和突然的變化。添加1當量H2O2(～120min)后，采用外部熱源以在以同樣方式(～90min)添加第二當量的H2O2前提供>95℃的反應溫度。此時添加過量的H2O2，以確保起始物質的完全氧化。將反應混合物在>95℃下消化過夜(16小時)，此時萃取樣本進行31P NMR分析，以確定反應是否完全。結果31P NMR峰值δ 63.52。
當反應完成時，向該混合物添加甲苯(～500ml)以降低有機層的粘度。去除水相后進一步以NaOH水溶液(100g溶于1L的水)處理該有機相以得到pH～7-8。去除水層，并通過酸洗(含于水的H2SO4，100g/L)恢復該次膦酸。然后將目標產物脫水并在80℃下真空干燥以得到澄清透明粘稠液體(551.7g，88％產率)。取樣本進行NMR分析并進行甲基化以供GC/MS分析。結果31P NMR峰值δ 65.73；GC/MS保留時間(m/e)19.02min(272)。
實施例3 對兩種新型萃取劑((2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(批次1和批次2))的樣本通過氣相色譜/質譜檢測器(GC/MSD)進行檢測以完全鑒定活性成分，以及所有其它的微量組分和雜質。酸性組分首先被轉化為其各自的甲基酯，從而可以從氣相色譜柱洗脫。
1.實驗 精確稱量(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(批次1和批次2)的兩個樣本至極為接近0.1毫克，并以甲苯稀釋至終濃度為20％的重量百分比。取500μL的該種溶液與等體積的甲基化試劑(N，N-二甲基甲酰胺二甲基縮醛)反應，并將0.2μL的所得混合物注入氣相色譜。
2.結果 表1顯示了(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(批次1和批次2)的兩個樣本各個組分的GC/MSD分析結果(面積％)。
表1.(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(批次1和批次2)組成
3.討論 (2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的兩個樣本(批次1和批次2)的色譜在存在的成分和雜質的組成上比較相似，在成分的數量上略有不同。除了主要成分((2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸)之外，該分析揭示了對應雜質，即二烷基次膦酸，單烷基膦酸和膦氧化物的存在。單烷基膦酸的存在必需盡量減少，因為它們趨于減少該萃取劑的鈷/鎳選擇性。
實施例4化合物2，4，4-三甲基戊基(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的表征。
以下試驗工作涉及新型萃取劑(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(TEST 1)和CYANEX 272的性能的研究。該實驗考察了從硫酸鹽溶液中萃取單個金屬以及作為pH、鈷負載能力函數的相互選擇性以及作為鈷負載函數的有機溶液粘度。
A 部分-在變化的pH下由單種金屬磷酸鹽溶液進行萃取 A.1 實驗 該單金屬水溶液可通過將稱重的相應硫酸鹽和稱重的硫酸鈉溶解于去離子水中制備得到。在各溶液中的金屬濃度為0.001M，而Fe(III)為0.0015M。所有溶液的硫酸鈉濃度均為0.5M。所研究的金屬為Co(II)，Ni(II)，Ca(II)，Mg(II)，Mn(II)，Zn(II)，Fe(III)和Cu(II)。
該有機溶液可通過以ISOPAR M稀釋劑稀釋(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸或CYANEX 272至0.1M的次膦酸制備得到。ISOPAR M是可從Imperial Oil(加拿大)購得的脂族(>99.5％)烴稀釋劑。
各種金屬在有機和水相之間的平衡分布為pH的函數，其可通過在50℃下在帶夾套燒杯中使等體積(300mL)的兩相接觸并進行機械攪拌混合后測定。通過循環(huán)浴將萃取過程中的溶液溫度維持在50℃。向水相添加已知體積的氫氧化鈉或硫酸來調節(jié)pH。在每次pH調節(jié)之間均采用15分鐘的接觸時間。取各個相的樣本(15mL)并進行分析。
水提取液樣本的平衡pH可通過在室溫下以pH1.00(氯化鉀-鹽酸緩沖液)，4.00(苯二甲酸氫鉀緩沖液)，以及7.00(磷酸鉀單堿-氫氧化鈉緩沖液)緩沖液校正的ROSS聯合pH電極進行測定。
所有實驗中的水性樣本均通過原子吸收光譜(AAS)分析。各個樣本有機相中的金屬濃度可通過將投料溶液中的初始金屬濃度減去提余液濃度后推出。
A.2 結果 除了鈷，鎳和鈣外，本發(fā)明還考察了其它金屬(即，鋅，鐵，銅，鎂和錳)。然而(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸和CYANEX 272對這些金屬并無明顯差異，因此它們的數值未在此報道。表2顯示了作為pH的函數的(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸和CYANEX 272對鈷，鈣和鎳的萃取數據。表3顯示了分別使用(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸(“試驗”)和CYANEX 272時各個金屬的pH50值以及ΔpH50(ΔpH50＝pH50Co-pH50金屬)值。pH50值可采用分布比例的對數(log D)作為pH函數作圖后確定。分布系數D定義為在有機相中的總金屬含量與水相中的金屬含量的比例。
該結果揭示了(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸對鈷-鎳，鈷-鋅，鈷-鐵以及鈷-鈣的選擇性。此外，(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸顯示的對鈷相對鈣和鎳的選擇性遠高于CYANEX 272。這種更高的鈷-鈣選擇性可通過減少循環(huán)中石膏的形成在溶劑萃取工廠中形成巨大的優(yōu)勢。
表2 CYANEX 272和(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸對鈷，鎳和鈣的萃取
表3.使用(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸和CYANEX272時各個金屬的pH50和ΔpH50(ΔpH50＝pH50Co-pH50金屬)值
B 部分-鈷負載能力和粘度 B.1 鈷負載能力的實驗 將稱重的鈷硫酸鹽溶于去離子水以制備水溶液。該溶液的金屬濃度為40g/L。該有機溶液可通過以ISOPAR M稀釋劑將(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸萃取劑或CYANEX 272稀釋至0.14M的次膦酸制備得到。ISOPAR M是可從Imperial Oil(加拿大)購得的脂族(>99.5％)烴稀釋劑。
鈷在有機和水相之間的平衡分布可在50℃下將水體積(250mL)和有機體積(50mL)接觸，得到水和有機相比例為5后測定。該兩相在帶夾套燒杯中接觸并以機械攪拌混合。通過循環(huán)浴將萃取過程中的溶液溫度維持在50℃。向水相添加已知體積的氫氧化鈉來調節(jié)pH。為確保最大的金屬負載需要將6.13±0.03的恒定pH保持15分鐘。進行相分離，通過相分離(P/S)紙過濾有機相以確保不存在夾帶水。有機相中的金屬濃度通過在室溫下以100g/L H2SO4洗提同等體積(40mL)的兩相后確定。將洗提液收集在樣品瓶中。對一份(35mL)洗提的有機相以等體積的新鮮酸(35mL)進行再次洗提。以30mL的洗提有機相和30mL的新鮮酸第3次重復洗提。
這三次洗提液獨立放置并以ICP單獨分析。將三份洗提液濃度相加得到負載的鈷的量?？偣策M行三次負載試驗(試驗1，試驗2和試驗3)。
水相樣本的平衡pH可參照上述章節(jié)的描述進行測定。
B.2 作為鈷負載函數的有機溶液粘度的實驗 將稱重的鈷硫酸鹽溶于去離子水以制備水溶液。該溶液中的金屬濃度為40g/L。
該有機溶液可通過以ISOPAR M稀釋劑將稱重的CYANEX272(200克，Lot# WE2060451)或(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基-丁基)次膦酸萃取劑(200克，試驗3)稀釋至20％(w/w)后制備得到。該溶液被分成兩等份以制備不同百分比的鈷負載。
鈷在有機和水相之間的平衡分布可參照上述章節(jié)的描述，但將溫度設為室溫，水相和有機相的比例改為相等(各相均為500mL體積)后進行測定。為確保最大的金屬負載需要分別針對CYANEX272和(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基-丁基)次膦酸萃取劑(試驗3)將5.90±0.02和6.05±0.02的恒定pH保持15分鐘。分離相，并將有機相3000rpm離心30分鐘以確保未夾帶水相或沉淀物。
然后通過以不同體積混合100％負載和0％負載制備樣本，從而可在不同溫度下測定0％，10％，30％，45％，60％，75％，90％和100％鈷負載的粘度。
該樣本可通過TA Instruments的Ar1000N流變儀進行測試。在10至60℃下90秒的間隔內采用逐步流動法(step flow method)。多數情況下至少每10℃采集數據點。通過Peltier板提供溫度控制(+/-0.1℃)。其幾何位置包括60mm的錐和2°角的板。我們發(fā)現所有的樣本均為牛頓流體，即，它們的粘度獨立于剪切速率。因此，所報道的在不同溫度下的試驗均在相同的剪切速率(500/s)下完成。
B.3 結果 測定(2，4，4-三甲基-戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的三個樣本(試驗1，試驗2和試驗3)和CYANEX 272的有機相中的計算鈷濃度并顯示于表4。

該結果提示這兩種萃取劑的負載能力略有不同，CYANEX 272比(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸具有略高的最大鈷負載能力。
下文的兩個表(5和6)顯示了(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸和CYANEX 272的粘度。結果顯示(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸的鈷溶液負載變化時，其粘度并未改變太多。另一方面，對于CYANEX 272，樣本的鈷溶液負載在75，90和100％之間時，其粘度急劇上升。從實際使用的角度看，這意味著(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸可實現100％鈷負載，而CYANEX 272的鈷負載由于粘度問題的限制被局限在70-75％。



權利要求
1.由式(I)定義的化合物
其中
R1和R2不同，且R1和R2各自獨立選自
(a)-CH2-CHR3R4，其中R3為甲基或乙基；而R4為可選地取代的烷基或雜烷基；以及
(b)-CR3(CH2R5)R6，其中
R3為甲基或乙基；且
R5為H或可選地取代的烷基或雜烷基，而R6為可選地取代的烷基或雜烷基；或者
R5，R6及它們連接的乙烯基團形成五或六元的可選地取代的環(huán)烷基或雜環(huán)烷基環(huán)；
且X和Y分別獨立為O或S。
2.如權利要求1所述的化合物，其中R1和R2僅包含碳原子和氫原子。
3.如權利要求2所述的化合物，其包含總數介于12和20的碳原子。
4.如權利要求2或3所述的化合物，其中R1和R2各自獨立為C5-C16烷基或C5-C16環(huán)烷基。
5.如權利要求2所述的化合物，其中R1和R2各自獨立為C6-C10烷基。
6.如權利要求2所述的化合物，其中R1和R2各自獨立為C8烷基。
7.如權利要求2所述的化合物，其中R1和R2各自獨立選自2，4，4-三甲基戊基，1，1，3，3-四甲基-丁基，2-乙基己基以及1-甲基-1-乙基戊基。
8.如權利要求1至7任意一項所述的化合物，其中X和Y均為O。
9.如權利要求1至7任意一項所述的化合物，其中X和Y之一為O，另一個為S。
10.如權利要求1至7任意一項所述的化合物，其中X和Y均為S。
11.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)次膦酸
12.化合物(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基-己基)次膦酸。
13.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基己基)次膦酸。
14.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)次膦酸。
15.化合物(1-甲基-1-乙基戊基)(2-乙基-己基)次膦酸。
16.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)二硫代次膦酸。
17.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)單硫代次膦酸。
18.化合物(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基-己基)二硫代次膦酸。
19.化合物(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基-己基)單硫代次膦酸。
20.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基-己基)二硫代次膦酸。
21.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基-己基)單硫代次膦酸。
22.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)二硫代次膦酸。
23.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)單硫代次膦酸。
24.化合物(1-甲基-1-乙基戊基)(2-乙基-己基)二硫代次膦酸。
25.化合物(1-甲基-1-乙基戊基)(2-乙基-己基)單硫代次膦酸。
26.式(II)的仲膦的制備方法
其中R1和R2如權利要求1所定義，且R2為-CH2-CHR3R4，其中該方法方法包括在自由基條件下使式R1PH2的伯膦和式CH2＝CR3R4的烯烴進行反應。
27.式(II)的仲膦的制備方法
其中R1和R2如權利要求1所定義，且R2為-CR3(CH2R5)R6，其中該方法包括使式R1PH2的伯膦和式HR5C＝CR3R6的烯烴在酸催化劑的存在下進行反應。
28.如權利要求27所述的方法，其中乙二醇被用作進行該反應的溶劑。
29.如權利要求27或28所述的方法，其中該酸催化劑為甲磺酸。
30.如權利要求27至29任意一項所述的方法，其中該伯膦為(2，4，4-三甲基戊基)膦，而該烯烴為二異丁烯。
31.如權利要求1定義的式(I)的制備方法，該方法包括
(a)參照權利要求26或27所述的方法制備仲膦；并(b)使該仲膦
(i)與氧化劑反應以生成相應的次膦酸；
(ii)與硫反應以生成相應的二硫代次膦酸；或者
(iii)與有限量的氧化劑反應以生成相應的膦氧化物，其隨后與硫反應生成相應的單硫代次膦酸。
32.如權利要求31所述的方法，其中該仲膦為參照權利要求18的方法制備的(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基-丁基)膦。
33.如權利要求31或32所述的方法，其中該式(I)的化合物為次膦酸，而該氧化劑為過氧化氫。
34.如權利要求1至25任意一項所述的化合物或其鹽作為金屬萃取劑的用途。
35.如權利要求1至15任意一項所述的化合物或其鹽作為金屬萃取劑的用途，其中X和Y均為O且該金屬為鈷。
36.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1，1，3，3-四甲基丁基)膦。
37.化合物(1，1，3，3-四甲基丁基)(2-乙基-己基)膦。
38.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(2-乙基己基)膦。
39.化合物(2，4，4-三甲基戊基)(1-甲基-1-乙基戊基)膦。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有以下式(I)的次膦酸及其硫衍生物其中R1和R2不同，且R1和R2各自獨立選自在α碳處具有分支的有機基和在β碳處具有分支的有機基，且X和Y分別獨立選自O或S，且其中所述化合物在室溫下為液體。據發(fā)現式(I)的化合物可用于如金屬萃取劑等用途。本發(fā)明還提供了制備式(I)的化合物及其相應的膦中間體的方法。
文檔編號C07F9/00GK101472934SQ200780022303
公開日2009年7月1日 申請日期2007年6月12日 優(yōu)先權日2006年6月14日
發(fā)明者周躍輝, 杰弗里·查爾斯·亨利·戴克, 博班·雅科夫列維奇, 西里爾·克里斯汀·亨利·布爾熱, 艾倫·詹姆斯·羅伯遜, 多納托·努恰羅內 申請人:氰特加拿大有限公司