專利名稱：制備亞烷基二胺三乙酸的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制備亞烷基二胺三乙酸(衍生物)的方法。
亞烷基二胺三乙酸(衍生物)，如乙二胺三乙酸及其鹽在螯合化學領域如金屬清洗中已有應用。制備亞烷基二胺三乙酸的方法可從EP0,546,867中得知。在該參考文獻中公開的方法從純乙二胺-N，N’-二乙酸開始，包括四個反應步驟，即(i)使乙二胺二乙酸或其鹽(優(yōu)選鈉鹽)與甲醛接觸，(ii)使所得產(chǎn)物與氰化物來源反應以形成單腈二酸，(iii)水解步驟(ii)的產(chǎn)物，和在需要的情況下，將單酰胺二乙酸環(huán)化成酮基哌嗪二酸，和(iv)使所得的酮基哌嗪二乙酸與堿金屬或堿土金屬氫氧化物(優(yōu)選氫氧化鈉)反應以獲得乙二胺三乙酸。
該參考文獻的方法因此包括了四個單獨的工藝步驟。本發(fā)明的目的是減少工藝步驟的數(shù)目。
此外，該方法的起始原料，即乙二胺二乙酸難以合成，因此是昂貴的。更尤其，乙二胺二乙酸的合成需要兩步法即通過乙二胺與甲醛和氰化物反應、隨后將所得的腈皂化，或者通過乙二胺與乙醇腈(HO-CH-CN)反應、隨后將所得的腈皂化來合成乙二胺二乙酸。請注意，如果這些反應的任何一種是在單個工藝步驟中進行，那么獲得了乙二胺單乙酸、乙二胺二乙酸和乙二胺三乙酸的混合物。因此，為獲得純乙二胺二乙酸(例如在以上方法中需要作為起始原料的那些)，兩步法是必不可少的。這使得起始原料的合成十分復雜。因此，本發(fā)明的另一個目的是使用其中能夠應用廉價和容易合成的起始原料的方法。
最后，本發(fā)明的目的是生產(chǎn)高純度的亞烷基二胺三乙酸。
現(xiàn)在令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，所有上述目的能夠用包括將亞烷基二胺(衍生物)轉(zhuǎn)化為亞烷基二胺三乙酸(衍生物)的鹽的方法來獲得，其中反應是在多價金屬離子Ma+的存在下進行，以及如果任何反應劑含有或形成了腈或酰胺基團，則整個反應是在水解條件下進行。
尤其，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果亞烷基二胺(衍生物)在多價金屬離子的存在下被轉(zhuǎn)化為亞烷基二胺三乙酸(衍生物)，獲得了高純度的所需的亞烷基二胺三乙酸(衍生物)，然而，如果在同一方法中使用單價金屬離子代替多價金屬離子，則獲得了亞烷基二胺二乙酸、亞烷基二胺三乙酸和亞烷基二胺四乙酸(衍生物)的混合物。在這種情況下，必須進行進一步的純化步驟以獲得高純度的亞烷基二胺三乙酸或其衍生物。
在本發(fā)明的方法中，可以在從亞烷基二胺起始的單一工藝步驟中形成亞烷基二胺三乙酸(衍生物)的鹽。因此，能夠明顯減少工藝步驟的數(shù)目和能夠使用比在以上參考文獻的方法中使用的乙二胺三乙酸明顯更便宜的起始原料，即亞烷基二胺。
以下更詳細地描述本發(fā)明。為了方便起見，使用以下術語ADA亞烷基二胺AD1A亞烷基二胺單乙酸AD2A亞烷基二胺二乙酸AD3A亞烷基二胺三乙酸AD4A亞烷基二胺四乙酸EDA乙二胺ED1A乙二胺單乙酸ED2A乙二胺二乙酸ED3A乙二胺三乙酸ED4A乙二胺四乙酸。
本發(fā)明涉及制備亞烷基二胺三乙酸(衍生物)的方法，包括將下式的亞烷基二胺(衍生物) 或 其中B選自未取代或取代的亞烷基橋基，以及R獨立地選自H或-CH2-COOH(的鹽)，-CH2-CN或-CH2-CONH2，轉(zhuǎn)化為下式的亞烷基二胺三乙酸(衍生物)的鹽 其中反應是在多價金屬離子Ma+的存在下進行，以及如果任何反應劑含有或形成了腈或酰胺基，那么整個反應是在水解條件下進行。
優(yōu)選，在ADA(衍生物)起始原料中的亞烷基橋基B是未取代或取代的亞乙基或亞丙基橋基。如果橋基是取代的，一個或多個橋碳原子一般可以獨立地被C1-C6烷基和優(yōu)選C1-C4烷基取代。優(yōu)選的是，橋基是未取代的，和優(yōu)選B選自-CH2-CH2-或-CH2-CH2-CH2-和更優(yōu)選B是-CH2-CH2-。換句話說，優(yōu)選的ADA(衍生物)是EDA(衍生物)。優(yōu)選，R代表H和/或CH2COOH結構部分，其中H是最優(yōu)選的。EDA(衍生物)因此優(yōu)選包括ED2A，ED1A，和EDA(的鹽)，更優(yōu)選包括ED1A和EDA(的鹽)，還更優(yōu)選它基本由ED1A和/或EDA(的鹽)組成，甚至更優(yōu)選它包括EDA(的鹽)，和最優(yōu)選它基本由EDA(的鹽)組成。
本發(fā)明方法的產(chǎn)物是AD3A(衍生物)的鹽。該鹽至少部分由帶負電的AD3A(衍生物)和帶正電的多價金屬離子的配合物組成。當然，如果在反應過程中存在其它陽離子，除了該配合物以外，所述鹽可以另外包括這些陽離子。然而，對于本發(fā)明的方法，必要的是，在反應過程中形成的至少部分或優(yōu)選全部AD3A(衍生物)即時通過多價金屬離子復合。不希望束縛于任何理論，申請人相信，由于該配合物的形成，在AD3A(衍生物)中第二個還保留的NH官能團被封閉。該NH官能團因此不能轉(zhuǎn)化為N-CH2-COOH結構部分，因此避免了AD4A(衍生物)的形成。本發(fā)明的方法因此使得有可能制備高純度的AD3A(衍生物)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在相同的反應條件下，如果使用單價金屬離子如鈉代替多價金屬離子，除了AD3A以外，還確實形成了AD4A。再次不希望束縛于任何理論，申請人相信，單價金屬離子不能形成其中剩余NH官能團被封閉的配合物。這在以下示意說明 本發(fā)明的AD3A-多價金屬配合物 AD3A鹽≠AD3A-金屬配合物注意，除了存在多價金屬離子以外，對于本發(fā)明的方法還必需的是，如果任何反應劑含有或形成腈或酰胺基團，那么整個反應是在水解條件下進行?！八鈼l件”在本發(fā)明的意義上是指使得加到反應混合物中或在反應過程中形成的任何腈和/或酰胺基團立即轉(zhuǎn)化為羧酸結構部分或其鹽的反應條件。一般，當在整個反應過程中選擇pH為9以上，優(yōu)選10以上，更優(yōu)選11以上，和最優(yōu)選12以上時，就存在這種水解條件。適合的pH值可以通過添加堿來獲得。適合的堿例如是多價金屬離子本身的氫氧化物或堿金屬氫氧化物。
如果在反應過程中存在腈或酰胺基團，則由于這些基團的水解而形成了氨。因此，至少當反應劑含有或形成腈或酰胺基團時，優(yōu)先選擇這樣的反應條件，使得氨從反應混合物中分離并且能夠被除去。如果在反應過程中應用大氣壓，可以選擇溫度例如在25℃和反應混合物的沸騰溫度之間，優(yōu)選在50℃和反應混合物的沸騰溫度之間，更優(yōu)選在70℃和反應混合物的沸騰溫度之間，和最優(yōu)選在100-110℃的范圍內(nèi)。另外，如果施加較低的壓力，較低的溫度也是可行的。
ADA(衍生物)向AD3A(衍生物)的轉(zhuǎn)化優(yōu)選是在單一工藝步驟中進行，這意味著在反應過程中沒有形成明確的可分離的中間產(chǎn)物。最優(yōu)選，反應用單罐法進行。
本發(fā)明的方法不局限于與ADA(衍生物)合并以形成AD3A(衍生物)的鹽的任何特定的反應劑。
在一個工藝方案中，ADA(衍生物)與甲醛和氰化物來源在多價金屬離子Ma+的存在下在水解條件下反應。
適合的甲醛來源例如是甲醛或低聚甲醛。適合的氰化物來源包括氣體氰化氫，氰化氫的水溶液，和氰化物鹽，例如堿金屬氰化物如氰化鈉或氰化鉀及其水溶液，或多價金屬離子和氰化物的鹽，如氰化鈣。另外，可以使用結合的甲醛和氰化物來源，即在反應條件下能轉(zhuǎn)化為甲醛和氰化物來源的分子。這種結合的甲醛和氰化物來源例如是乙醇腈(glyconitrile)。
如上所述，必要的是，在該工藝方案中，反應是在水解條件下進行。優(yōu)選，在整個反應工藝過程中選擇pH為至少9，更優(yōu)選至少10，和最優(yōu)選至少12。
不希望受任何理論的束縛，申請人相信，非水解條件導致形成了反應性的含NH的AD3A衍生物，它含有腈或酰胺基團而非游離酸基。進一步相信，這種AD3A衍生物不與多價金屬離子形成配合物。反應性NH官能團因此沒有被封閉，導致了AD4A(衍生物)的形成。與其中應用非水解條件的情況相反，水解條件導致形成了本發(fā)明的AD3A(衍生物)，它含有三個羧酸基團。如在以上闡述的那樣，該AD3A(衍生物)據(jù)信形成了與多價金屬的配合物，從而封閉了反應性NH官能團和避免了AD4A(衍生物)的形成。這在以下示意說明 本發(fā)明的AD3A-多價金屬配合物 順便提一下，應當注意，在EP0 546 867中，通過選擇反應條件，使得在第一步驟中形成單腈二酸和隨后單腈化合物部分水解成酰胺，獲得下式的酮基哌嗪二乙酸，從而封閉反應性NH官能團 該化合物被分離和最后水解成ED3A。因此，在第一步中，腈基保持完整，因此沒有發(fā)生水解；在第二步中，腈基被部分水解成酰胺基，它在第三步中被完全水解。這是包括幾個單獨的工藝步驟的非常復雜的方法，其中各工藝步驟在非常特殊的pH下進行。與之相反，在本發(fā)明的方法中，在整個反應中，選擇如此高的pH，使得在反應過程中存在的腈和/或酰胺基立即和完全水解。所以，整個工藝控制和尤其pH控制要比EP0,546,867簡單得多。此外，本發(fā)明方法的應用使得反應在單一工藝步驟中完成。再次注意到，本發(fā)明的整個反應可以在水解條件下進行而不形成AD4A(衍生物)，這是由于多價金屬離子的存在。
由于腈基的水解，在反應過程中形成了氨。因此，如上所述，如果應用大氣壓，反應溫度優(yōu)選在25℃和反應混合物的沸騰溫度之間，更優(yōu)選在50℃和反應混合物的沸騰溫度之間，還更優(yōu)選在70℃和反應混合物的沸騰溫度之間，和最優(yōu)選在100-110℃的范圍內(nèi)。在較低的反應壓力下可以應用較低的溫度。
在以下用圖解方式示例了用EDA、ED1A和ED2A作為AD3A起始原料的本發(fā)明的以上工藝方案 優(yōu)選的是，反應劑以化學計算量的±10％和更優(yōu)選±5％的量使用。最優(yōu)選使用化學計算量的反應劑。對于上述反應，這意味著最優(yōu)選的是每摩爾EDA各使用3摩爾的甲醛和氰化物來源(反應I)，每摩爾ED1A各使用2摩爾甲醛和氰化物來源(反應II)，和每摩爾ED2A各使用1摩爾的甲醛和氰化物來源(反應III)。
一般，在該工藝方案中可以使用各種可能的添加次序。優(yōu)選將甲醛和氰化物來源同時添加至ADA(衍生物)中。最優(yōu)選的是，以這樣的方式加入甲醛和氰化物來源，使得在各時間點下相同摩爾量的甲醛和氰化物進入反應混合物。
在本發(fā)明的另一工藝方案中，ADA(衍生物)與含有活化的β-碳原子的乙酸衍生物，如選自CH2X-COOH(的鹽)、CH2X-CN、CH2X-CONH2或它們的混合物中的化合物在多價金屬離子Ma+的存在下反應，其中X是鹵素原子。
優(yōu)選，X選自Cl、Br和I，更優(yōu)選Br和I，和最優(yōu)選X是Cl。
進一步優(yōu)選的是，乙酸衍生物包括CH2X-COOH，最優(yōu)選基本由CH2X-COOH組成。最優(yōu)選，乙酸衍生物是一氯乙酸(“MCA”)。如上所述，優(yōu)選ADA(衍生物)的取代基R包括-CH2COOH結構部分和最優(yōu)選由-CH2COOH結構部分組成。在這種情況下，所有反應劑僅僅包括游離酸基，以及在反應過程中不需應用水解條件。在這種情況下的pH一般不是關鍵的，優(yōu)選是在6以上和更優(yōu)選在7以上。此外，因為在這種情況下在反應過程中不產(chǎn)生氨，所以溫度沒有第一工藝方案中的溫度要求嚴格。它一般是在5℃和反應混合物的沸騰溫度之間，優(yōu)選在10℃和反應混合物的沸騰溫度之間，和最優(yōu)選在25℃和反應混合物的沸騰溫度之間。
如果應用含有腈和/或酰胺基的ADA(衍生物)或乙酸衍生物，因為如以上對于第一工藝方案所給出的相同原因，反應必須在水解條件下進行。在這種情況下，一般選擇在整個反應過程中的pH為至少9，優(yōu)選至少10，和最優(yōu)選至少12。此外，如果應用大氣壓，反應溫度優(yōu)選在25℃和反應混合物的沸騰溫度之間，更優(yōu)選在50℃和反應混合物的沸騰溫度之間，還更優(yōu)選70℃和反應混合物的沸騰溫度之間，和最優(yōu)選是在100-110℃的范圍內(nèi)。在較低的反應壓力下可以應用較低的溫度。
如在第一工藝方案中那樣，反應直接在多價金屬離子和AD3A(衍生物)的配合物中進行。因此，在第二工藝方案中，反應也能夠在單一工藝步驟中進行，不必分離中間產(chǎn)物。
在以下示例了用EDA、ED1A和ED2A作為起始原料的第二工藝方案 優(yōu)選，反應劑以化學計算量的±10％和更優(yōu)選±5％的量使用。最優(yōu)選使用化學計算量。對于上述反應，這意味著每摩爾EDA使用3摩爾的一氯乙酸(反應I)，每摩爾的ED1A使用2摩爾的一氯乙酸(反應II)，和每摩爾的ED2A使用1摩爾的一氯乙酸(反應III)。
在本發(fā)明的方法中，多價金屬離子以多價金屬來源的形式在將其它反應劑加入ADA(衍生物)之前或過程中添加。
多價金屬來源優(yōu)選以至少60摩爾％，更優(yōu)選至少80摩爾％，和最優(yōu)選至少100摩爾％的量添加，按金屬計算并且以存在于反應混合物中的ADA(衍生物)的摩爾量為基準。一般，多價金屬的摩爾量少于400摩爾％，更優(yōu)選少于300摩爾％，和最優(yōu)選少于200摩爾％，按金屬計算并且以存在于反應混合物中的ADA(衍生物)的摩爾量為基準。
當然，還可以使用較低摩爾量的多價金屬來源。然而，在該情況下，只有所得AD3A(衍生物)的一部分通過多價金屬復合，未復合的部分至少部分轉(zhuǎn)化為AD4A(衍生物)。這就減少了該方法對AD3A(衍生物)的選擇性。
多價金屬來源優(yōu)選是多價金屬鹽，它優(yōu)選是至少部分水溶性和最優(yōu)選完全水溶性的。“至少部分水溶性”在本發(fā)明的意義上是指在室溫下，至少0.01g，優(yōu)選至少0.05g，和更優(yōu)選至少0.1g的鹽溶解在100ml水中。部分水溶性多價金屬鹽的實例是堿土金屬氫氧化物。該氫氧化物的優(yōu)點是，它能夠同時作為多價金屬來源和pH調(diào)節(jié)劑使用。多價金屬來源還可以是多價金屬和ADA(衍生物)的鹽，多價金屬和氰化物的鹽，或多價金屬和乙酸衍生物的鹽。優(yōu)選，鹽的陰離子包括無機陰離子，如硝酸鹽或鹵化物陰離子，和最優(yōu)選基本由其組成，其中氯化物是最優(yōu)選的。
在多價金屬來源中含有的多價金屬優(yōu)先選自三價和/或二價金屬。適合的三價金屬是鋁。更優(yōu)選，多價金屬基本由二價金屬，如堿土金屬或過渡金屬如Mn2+，F(xiàn)e2+，Co2+，Ni2+，Zn2+或Cu2+組成。還更優(yōu)選的是，多價金屬包括堿土金屬，如鈣、鎂或鋇，以及甚至更優(yōu)選基本由其組成。最優(yōu)選，多價金屬基本由鈣組成。適合的鈣源例如是氫氧化鈣、氯化鈣和硝酸鈣。
任選，該方法可以包括在形成亞烷基二胺三乙酸(衍生物)的鹽之后除去多價金屬離子的另一步驟。這可以通過任何常用方式如沉淀多價金屬離子來進行。沉淀例如可以通過調(diào)節(jié)pH和/或通過添加陰離子來誘發(fā)，該陰離子與多價金屬離子形成沉淀。誘發(fā)沉淀的適合的pH或溫度條件或陰離子對本領域的熟練技術人員來說是已知的。例如，經(jīng)pH調(diào)節(jié)的沉淀能夠通過增加pH至8以上，和優(yōu)選至10以上來進行。經(jīng)添加陰離子的沉淀可以例如通過添加硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽或氟化物來進行，如果例如鈣離子用作多價金屬離子。沉淀的多價金屬離子可以通過任何普通方式如過濾來除去。在除去多價金屬離子之后，AD3A(衍生物)能夠以其完全質(zhì)子化(三個乙酸基)、部分質(zhì)子化(兩個乙酸基或一個乙酸基)或完全去質(zhì)子化的形式分離。此外，如果需要，所得AD3A可以被環(huán)化。適合的環(huán)化條件對熟練技術人員來說是已知的。一般，使用在5-120℃范圍內(nèi)的溫度和13以下、優(yōu)選12以下、更優(yōu)選4以下和最優(yōu)選2以下的pH。
通過以下實施例來進一步解釋本發(fā)明。
從ED3A中除去鈣446g的以上產(chǎn)物與500g水一起攪拌。接著，添加555g的50％氫氧化鈉(6.9摩爾)，形成了氫氧化鈣的沉淀。用使用hyflo助濾劑的壓力過濾器過濾掉沉淀的氫氧化鈣。從濾液中蒸發(fā)水，和所得濾液在真空烘箱中干燥。
830g的反應混合物含有6.0％的Na2ED2A(22摩爾％)，18.9％的Na3ED3A(51摩爾％)和10.7％的EDTA(23摩爾％)。
這表明，ED2A、ED3A和ED4A在根據(jù)其反應性的范圍內(nèi)存在，和該反應不會在ED3A階段停止。
權利要求
1.一種制備亞烷基二胺三乙酸(衍生物)的方法，包括將下式的亞烷基二胺(衍生物) 或 其中B選自未取代或取代的亞烷基橋基，以及R獨立地選自H或-CH2-COOH(的鹽)，-CH2-CN或-CH2-CONH2，轉(zhuǎn)化為下式的亞烷基二胺三乙酸(衍生物)的鹽 其特征在于反應是在多價金屬離子Ma+的存在下進行，以及如果任何反應劑含有或形成了腈或酰胺基，那么整個反應是在水解條件下進行。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中B為未取代或取代的亞乙基或亞丙基，優(yōu)選亞乙基。
3.根據(jù)權利要求1或2的方法，其中亞烷基二胺(衍生物)基本由乙二胺組成。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項的方法，其中亞烷基二胺(衍生物)與甲醛和氰化物來源在多價金屬離子的存在下在水解條件下、優(yōu)選在10以上的pH下反應。
5.根據(jù)權利要求1-3中任一項的方法，其中亞烷基二胺(衍生物)與選自CH2X-COOH(的鹽)、CH2X-CN、CH2X-CONH2或其混合物中的化合物反應，其中X是鹵素原子。
6.根據(jù)前述權利要求任一項的方法，其中多價金屬離子Ma+是二價金屬離子。
7.根據(jù)權利要求7的方法，其中二價金屬離子是II族金屬，優(yōu)選鈣。
8.根據(jù)前述權利要求任一項的方法，其中將多價金屬離子Ma+以至少部分可溶于水中的金屬鹽的形式加到亞烷基二胺(衍生物)中。
9.根據(jù)前述權利要求任一項的方法，其中多價金屬離子Ma+以至少與在該方法中應用的亞烷基二胺(衍生物)的量等摩爾的量加入。
10.根據(jù)前述權利要求任一項的方法，包括在形成亞烷基二胺三乙酸(衍生物)的鹽之后除去多價金屬離子的另一步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備亞烷基二胺三乙酸(衍生物)的方法，該方法包括將亞烷基二胺(衍生物)轉(zhuǎn)化為亞烷基二胺三乙酸(衍生物)的鹽，其中反應是在多價金屬離子M
文檔編號C07C229/16GK1414948SQ00818183
公開日2003年4月30日 申請日期2000年12月15日 優(yōu)先權日2000年1月5日
發(fā)明者M·A·萬多恩, J·W·德里森, T·O·布恩斯特拉, M·厄斯 申請人:阿克佐諾貝爾股份有限公司