СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ N-(ФОСФОНОМЕТИЛ)-ГЛИЦИНА Российский патент 2023 года по МПК C07F9/38 

Изобретение относится к области основного органического синтеза, а именно, к процессу получения фосфорорганического соединения N-(фосфонометил)-глицин (глифосат, Glyphosate, C₃H₈NO₅P) путем окисления N-(фосфонометил)-иминодиуксусной кислоты (ФИДУК) пероксидом водорода в присутствии катализатора.

N-(фосфонометил)-глицин – пестицид, арборицид, гербицид с широким спектром активности, входящий в качестве действующего вещества в наиболее распространенные средства защиты растений, применяемые для борьбы с сорняками, в том числе в России (раундап, торнадо, утал, форсат, фосулен, цидокор, глиалка, глисол, глитан, глифонин, глицел, интосорг, нитосорг). В настоящее время потребность рынка РФ и СНГ в глифосате составляет около 40 тыс. тонн. При этом уже на протяжении десятилетий именно глифосат остаётся наиболее востребованным гербицидом [Duke S.O. Glyphosate: The world’s most successful herbicide under intense scientific scrutiny // Pest Manag. Sci. 2018. V. 74, №5. P. 1025-1026. doi: 10.1002/ps.4902].

Начиная с момента открытия уникальных гербицидных свойств глифосата было предложено множество способов его получения [Molin W.T. Glyphosate, a Unique Global Herbicide. J. E. Franz, M. K. Mao, and J. A. Sikorski // Weed Technol. 1998. V. 12, №3. P. 564-565. doi: 10.1017/S0890037X0004433X], однако среди них лишь некоторые были реализованы в крупнотоннажных синтезах [Ющенко Д.Ю., Хлебникова Т.Б., Пай З.П., Бухтияров В.И. Глифосат: Способы Получения // Кинетика и Катализ. 2021. V. 62, №3. P. 283-295. doi: 10.31857/s0453881121030126]. При этом наиболее экономически и экологически обоснованными среди них считаются процессы получения глифосата, основанные на каталитическом окислении ФИДУК. В роли окислителя может выступать кислород [Riley D.P., Fields D.L. Electron transfer agents in metal-catalyzed dioxygen oxidations: effective catalysts for the interception and oxidation of carbon radicals // J. Am. Chem. Soc. 1992. V. 114, №5. P. 1881-1882. doi: 10.1021/ja00031a053] либо пероксид водорода. Однако именно окисление пероксидом водорода более технологично, поскольку позволяет проводить процесс в относительно мягких условиях: при атмосферном давлении и температурах не выше 100 °С, что делает возможным использование эмалированных или стеклянных реакторов [Tian J., Shi H., Li X., Yin Y., Chen L. Coupling mass balance analysis and multi-criteria ranking to assess the commercial-scale synthetic alternatives: a case study on glyphosate // Green Chemistry. 2012. T. 14, № 7. C. 1990. doi 10.1039/c2gc35349k]. В большинстве своём это каталитические процессы, однако первые примеры этого метода основаны на некаталитических реакциях.

Известен способ [US 3954848, С07F 9/38, 04.05.1976], в котором в качестве окислителя предложено использовать пероксид водорода или неорганические окислители, или пероксосоединения совместно с 1-2 эквивалентами сильной кислоты, например, серной, при температуре от 70 до 100°С:

.

При этом расход пероксида водорода должен составлять 2 или больше эквивалента H₂O₂ на 1 эквивалент ФИДУК. Выходы глифосата составляют около 76%. Основным недостатком этого подхода является необходимость использования больших количеств экологически неблагоприятных окислителей (пероксосоединений) и сильных кислот.

Известен пример каталитического окисления ФИДУК пероксидом водорода в присутствии активированного угля [US 5948938, С07F 9/38, 07.09.1999], недостатком которого является большая загрузка катализатора (активированный уголь марок PM-KS, PC, Taiko KW, NORIT, DARKO и др.) от 0.16 до 0.25 г на один грамм ФИДУК. Выходы глифосата составляют 77-85%.

Описаны способы окисления ФИДУК до глифосата, где в качестве катализаторов (сокращенно «Cat») используют соли кобальта или ванадия совместно с хинонами и/или гидрохинонами [US 5072033, B01J 27/08, С07F 9/38, 10.12.1991], или бипиридилами [US 5061820, B01J 27/08, С07F 9/38, 29.10.1991]. Недостатками этих способов являются: большие загрузки катализатора [ФИДУК] / [Cat] = 20-30; токсичность катализатора, ухудшающая качество продукта.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является 2-стадийный процесс получения глифосата, описанный в [US 5023369, B01J 23/30, С07F 9/38, 11.06.1991], аналог [IE 71937, B01J 23/30, 01.01.1992]:

1 стадия 2 стадия

На первой стадии окисление ФИДУК 47% водным раствором пероксида водорода протекает при 65-70 °C в присутствии растворимых в воде соединений молибдена и/или вольфрама или их смесей, представляющих собой молибдаты/ вольфраматы щелочных или щелочноземельных металлов, добавляемые в концентрациях (рассчитанных на количество исходной ФИДУК) от 0.005 до 5 мас.%, что соответствует соотношению [ФИДУК] / [Na₂WO₄] = 26000-26, с образованием N-оксида-N-(фосфонометил)-иминодиуксусной кислоты (N-оксида ФИДУК). Массовое соотношение соединений вольфрама к соединениям молибдена изменяется от 10:90 до 90:10 (либо от 25:75 до 75:25 или от 40:60 до 60:40).

Вторую стадию – превращение N-оксида ФИДУК в глифосат – проводят в присутствии 0.3 мол. % сульфата ванадила или в присутствии метабисульфита натрия, либо смесей растворимых в воде соединений сульфидов, сульфитов или бисульфитов и растворимых в воде соединений молибдена. При этом конверсия исходной ФИДУК составляет 96.7%, а селективность по глифосату достигает 91.4 (по результатам анализа методом ВЭЖХ).

Недостатками этого способа являются, во-первых, необходимость использования двух различных катализаторов на стадии получения N-оксида и на стадии его трансформации в глифосат, и во-вторых, использование дополнительного реактора 2й стадии, в который перегружают раствор промежуточного соединения N-оксида ФИДУК, для получения целевого продукта глифосата.

Дальнейшие попытки улучшения процесса получения глифосата путем каталитического жидкофазного окисления ФИДУК пероксидом водорода заключаются в основном в повышении эффективности второй стадии процесса. В патенте [US 5043475, B01J 21/02, С07F 9/38, 27.08.1991] для достижения указанной цели предлагается к получаемому N-оксиду ФИДУК добавлять железо, цинк, алюминий, ванадий или медь, или растворимые в воде соединения этих элементов в количестве от 0.005 до 5 мас.%. Авторы [EP 0439445, С07F 9/38, 31.07.1991] для достижения этой цели предлагают добавлять к N-оксиду ФИДУК метабисульфиты в меньших количествах: от 0.01 до 1.0 мас.%. В патенте [US 6528680, С07F9/38, 04.03.2003] для получения глифосата проводят реакцию N-оксида ФИДУК с соединениями серы (II, IV): тионил галидами, дитионитом аммония или солями щелочных металлов дитионитов, диалкил сульфитов, дихлоридом серы, диоксидом серы или кислот на основе серы (IV). В патенте [US 6696602, C07F9/28, 24.02.2004] для получения глифосата предлагают проводить реакцию N-оксида ФИДУК c тиоциановой кислотой или её солями. В [WO 2004014925, С07F9/3813, 19.02.2004] для превращения N-оксида ФИДУК в глифосат используют соли никеля или кобальта в количестве 0.01-0.3 мас.%, а для получения N-оксида ФИДУК показана возможность использования в качестве катализатора хромовой кислоты ([ФИДУК] / [Cat] = 1500).

Последующие улучшения способов были связаны с применением вместо описанных ранее катализаторов стехиометрических количеств солей металлов.

Например, описан способ окисления ФИДУК с предварительным получением аммонийной соли ФИДУК [CN 1482130, С07F9/38, 24.05.2006]. В этом случае к раствору ФИДУК совместно с водным раствором аммиака при pH 7.0 добавляют вольфрамат натрия (0.6 мас. %) и порционно в течение 2 ч приливают 3-кратный избыток по отношению к ФИДУК пероксида водорода, затем – водный 10%-раствор сульфата железа (1.5 кратный избыток по отношению к ФИДУК), в результате получают водный раствор глифосата. Выход глифосата составляет 90% по результатам анализа методом ВЭЖХ.

Известен способ получения глифосата путем каталитического жидкофазного окисления ФИДУК водным раствором пероксида водорода до глифосата, в котором процесс осуществляют в одну стадию в двухфазной системе "органическая фаза –водная фаза" в присутствии металлокомплексного катализатора с общей формулой Q₃{PO₄[W(O)(О₂)₂]₄}, где: Q – четвертичный аммониевый катион [(R₁ )₃NR₂] ⁺, а R₁, R₂ содержат от 1 до 16 атомов углерода [RU 2618629, C07F 9/38, 05.05.2017].

Также описан некаталитический способ окисления ФИДУК пероксидом водорода [CN 1557820, С07F 9/32, 21.02.2007], при котором мольное соотношение реагентов [ФИДУК]:[H₂O₂]:[FeSO₄×7 H₂O] составляет 1:2:3.6. В этом случае сульфат железа (II) используется в качестве реагента и не подвергается отделению от глифосата или рециклу, что является недостатком метода.

Несмотря на достаточно высокую эффективность описанных выше способов получения глифосата путем жидкофазного окисления ФИДУК пероксидом водорода, при которых выход глифосата составляет от 70 до 86% относительно теоретического, они все обладают общим недостатком – необходимостью использования двух разных катализаторов/каталитических систем для двух отдельных стадий процесса: окисления ФИДУК до N-оксида ФИДУК и превращения N-оксида ФИДУК в глифосат.

Необходимость использования второй группы катализаторов, например, сульфата ванадила или железа (II), объясняется протеканием в их присутствии перегруппировки N-оксида по типу неклассической реакции Полоновского [Bur S.K.6.17 Polonovski- and Pummerer-type Reactions and the Nef Reaction // Compr. Org. Synth. II. 2014. V. 6. P. 755-801. doi: 10.1016/B978-0-08-097742-3.00626-1], в результате которой N-оксид ФИДУК каталитически превращается в глифосат. Т.е. в описанных выше способах получения глифосата путем жидкофазного окисления ФИДУК пероксидом водорода процесс трансформации ФИДУК в глифосат представляет собой последовательность реакций, в которой на первой стадии в результате окисления ФИДУК образуется N-оксид ФИДУК, а на следующей стадии полученный таким образом N-оксид ФИДУК претерпевает каталитическую перегруппировку с образованием глифосата.

Изобретение решает задачи увеличения эффективности и упрощения способа получения N-(фосфонометил)-глицина (глифосата) при каталитическом окислении ФИДУК пероксидом водорода.

Технический результат – получение глифосата с высоким выходом при значительном упрощении процесса.

Задачи решаются способом получения N-(фосфонометил)-глицина, который осуществляют путем одностадийного каталитического жидкофазного окисления N-(фосфонометил)-иминодиуксусной кислоты ФИДУК водным раствором пероксида водорода в одну стадию. В качестве катализатора используют оксометаллаты молибдена и/или вольфрама, а также их пероксокомплексы, например: вольфрамат и/или молибдат натрия или калия; вольфрамовую кислоту или молибденовую кислоту; метавольфрамат аммония; паравольфрамат или парамолибдат аммония; фосфорно-вольфрамовую или фосфорно-молибденовую кислоту; тетрапероксодивольфрамат (VI) натрия или калия тетрагидрат или тетрапероксодимолибдат (VI) натрия или калия дигидрат.

В качестве окислителя используют коммерчески доступный водный раствор пероксида водорода с концентрацией 30-37%.

Процесс каталитического жидкофазного окисления ФИДУК осуществляют при температуре 50-95°С и общем атмосферном давлении (≈101 кПа).

Используют следующие мольные соотношения компонентов: [H₂O₂] / [ФИДУК] = 0.8–2.0; [ФИДУК] / [Cat] = 250–1500.

Существенными преимуществами заявляемого способа являются:

- использование лишь одного, коммерчески доступного катализатора для окисления N-(фосфонометил)-иминодиуксусной кислоты (ФИДУК) пероксидом водорода до N-(фосфонометил)-глицина (глифосата);

- проведение процесса синтеза глифосата из ФИДУК в одну стадию в одном реакторе;

- проведение реакции в водной среде без необходимости использования дополнительных органических растворителей;

- отделение целевого продукта в виде твердой фазы от использованного катализатора, находящегося в растворе;

- повторное использование отделённого катализатора.

Предлагаемый способ синтеза глифосата, как и прототип, основан на каталитическом окислении N-(фосфонометил)-иминодиуксусной кислоты (ФИДУК) пероксидом водорода. При этом, в отличие от прототипа, а также подобных работ, где окисление ФИДУК протекает последовательно в присутствии разных катализаторов сначала на стадии синтеза N-оксида ФИДУК и затем на стадии перегруппировки полученного N-оксида ФИДУК в глифосат по механизму неклассической реакции Полоновского [Bernier D., Wefelscheid U.K., Woodward S. Properties, Preparation and Synthetic Uses of Amine N -Oxides. An Update // Org. Prep. Proced. Int. 2009. V. 41, № 3. P. 173–210. doi: 10.1080/00304940902955756], в предлагаемом решении окисление ФИДУК и образование глифосата протекает синхронно в присутствии одного и того же катализатора. При этом нет необходимости в добавлении дополнительных катализаторов и/или нестехиометрических реагентов, а также в разделении процесса на две стадии и/или выделении промежуточного продукта N-оксида ФИДУК, либо в переносе раствора N-оксида ФИДУК, образовавшегося в результате окисления ФИДУК, в другой реактор.

Т.е. в оптимальных условиях (температура 50–95°С, мольные соотношения [ФИДУК]/[Cat]=250–1250, [H₂O₂]/[ФИДУК]=1.4–1.8), в присутствии в реакционной смеси катализатора, представляющего собой оксометаллаты молибдена и/или вольфрама, а также их пероксокомплексы, достигается высокий выход глифосата без использования сокатализаторов и/или других нестехиометрических реагентов.

Получение глифосата осуществляют следующим способом.

Реакцию каталитического окисления ФИДУК проводят в термостатированном реакторе с использованием магнитной или механической мешалки (300-750 об/мин ^-1). Реактор снабжен обратным холодильником и имеет устройство для дозировки пероксида водорода.

Способ каталитического окисления ФИДУК пероксидом водорода с получением глифосата осуществляют следующим образом.

В термостатированный реактор помещают расчетные количества катализатора, воды, ФИДУК, и при перемешивании добавляют водный раствор пероксида водорода. Заданную температуру поддерживают с точностью ±0.3°С посредством водяного термостата. При необходимости водный раствор пероксида водорода добавляют в реакционную смесь порционно через определенные промежутки времени, либо организуют непрерывную подачу в ходе реакции с использованием дозирующего устройства. По окончанию эксперимента реакционную смесь упаривают, охлаждают до комнатной температуры. Выпавший белый кристаллический осадок отфильтровывают и сушат при 100-110°С, затем определяют массу. Полученный продукт может содержать остаточные количества субстрата – ФИДУК. Содержание глифосата в полученном продукте определяют с использованием метода ИК-спектрометрии [RU 2775230, G01N 21/3563, 28.06.2022]. Оставшийся фильтрат, содержащий катализатор, направляют для повторного использования в качестве растворителя, содержащего необходимое количество катализатора.

Сущность изобретения иллюстрируется примерами каталитического окисления ФИДУК пероксидом водорода. Примеры 1-34 иллюстрируют получение глифосата предлагаемым способом в присутствии катализатора, представляющего собой различные оксометаллаты молибдена и/или вольфрама, а также их пероксокомплексы (Таблица 1), при разных значениях температуры, соотношений мольных концентраций реагентов [H₂O₂]/[ФИДУК] и [ФИДУК]/[Cat] (таблица 2) и при варьировании времени реакции и разных способах добавления окислителя (фиг. 1).

Пример 1

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят в присутствии катализатора Cat = Na₂WO₄ при мольных соотношениях [ФИДУК] / [Cat] = 1000, [H₂O₂] / [ФИДУК] = 1.8 следующим образом.

В реактор помещают 10.0 мл раствора 0.005 М Na₂WO₄ в воде (0.05 моль) и добавляют 12.3 г гидрата ФИДУК (50.2 ммоль) и дополнительно 20.0 мл воды. Реактор нагревают до 90°С. К реакционной смеси при перемешивании в течение 3 ч добавляют отдельными порциями 9.7 мл водного 30%-раствора (ρ=1.108 г/мл при 24°С) пероксида водорода (90.4 ммоль). По окончании процесса реакционную смесь упаривают, охлаждают до комнатной температуры. Выпавший белый кристаллический осадок отфильтровывают и сушат при 100-110°С. Масса выделенного продукта составляет 6.85 г, что соответствует выходу 92% от рассчитанного теоретически.

Пример 2

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что в качестве катализатора Cat используют Na₂MoO₄.

Пример 3

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что в качестве катализатора Cat используют (Na₂MoO₄ + Na₂WO₄ ) в мольном соотношении 1:1.

Пример 4

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что в качестве катализатора Cat используют вольфрамовую кислоту H₂WO₄.

Пример 5

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что в качестве катализатора Cat используют молибденовую кислоту H₂MoO₄.

Пример 6

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что в качестве катализатора Cat используют метавольфрамат аммония (NH₄)₆H₂W₁₂O₄₂.

Пример 7

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что в качестве катализатора Cat используют паравольфрамат аммония (NH₄)₁₀H₂W₁₂O₄₂.

Пример 8

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что в качестве катализатора Cat используют парамолибдат аммония (NH₄)₆Mo₇O₂₄, при этом мольное соотношение [ФИДУК] / [Cat] = 500.

Пример 9

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 8 с тем отличием, что в качестве катализатора Cat используют Фосфорновольфрамовую кислоту H₃PW₁₂O₄₀.

Пример 10

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 8 с тем отличием, что в качестве катализатора Cat используют Фосфорномолибденовую кислоту H₃PMo₁₂O₄₀.

Пример 11

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что в качестве катализатора Cat используют Тетрапероксодивольфрамат (VI) калия тетрагидрат K₂W₂O₁₁, приготовленный по известной методике [Пероксокомплексы хрома, молибдена, вольфрама / И. И. Вольнов; Отв. ред. В. Я. Росоловский; АН СССР, Ин-т общ. и неорган. химии им. Н. С. Курнакова. - М.: Наука, 1989. - 176 с. — ISBN 5-02-001314-5].

Пример 12

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что в качестве катализатора Cat используют Тетрапероксодивольфрамат (VI) калия тетрагидрат K₂ Mo₂O₁₁, приготовленный по известной методике [Пероксокомплексы хрома, молибдена, вольфрама / И. И. Вольнов; Отв. ред. В. Я. Росоловский; АН СССР, Ин-т общ. и неорган. химии им. Н. С. Курнакова. - М. : Наука, 1989. - 176 с. — ISBN 5-02-001314-5].

Выход глифосата X в процентах от рассчитанного теоретически по примерам 1-12 приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Получение глифосата каталитическим окислением ФИДУК пероксидом водорода в присутствии различных катализаторов

№ примера Катализатор X,% Пример 1 Вольфрамат натрия Na₂WO₄ (Cas 13472-45-2) 92 Пример 2 Молибдат натрия Na₂MoO₄ (Cas 7631-95-0) 83 Пример 3 Na₂WO₄ / Na₂MoO₄ = 1 / 1 86 Пример 4 Вольфрамовая кислота H₂WO₄ (Cas 7783-03-1) 90 Пример 5 Молибденовая кислота H₂MoO₄ (Cas 7782-91-4) 82 Пример 6 Метавольфрамат аммония (NH₄)₆H₂W₁₂O₄₂ (Cas 12333-11-8) 81 Пример 7 Паравольфрамат аммония (NH₄)₁₀H₂W₁₂O₄₂ (Cas 11120-25-5) 82 Пример 8 Парамолибдат аммония (NH₄)₆Mo₇O₂₄ (Cas 12027-67-7) 79 Пример 9 Фосфорновольфрамовая кислота H₃PW₁₂O₄₀ (Cas 1343-93-7) 78 Пример 10 Фосфорномолибденовая кислота H₃PMo₁₂O₄₀ (Cas 12026-57-2) 73 Пример 11 Тетрапероксодивольфрамат (VI) калия тетрагидрат K₂W₂O₁₁ 83 Пример 12 Тетрапероксодимолибдат (VI) калия дигидрат K₂Mo₂O₁₁ 80

Окисление ФИДУК пероксидом водорода в заявляемых условиях в присутствии разных коммерчески доступных либо предварительно синтезированных по известным методикам катализаторов (Примеры 11 и 12, таблица 1) показывает, что при использовании в качестве катализаторов оксометаллатов молибдена и/или вольфрама, а также их пероксокомплексов выход целевого продукта глифосата сравним или превосходит результаты известных способов.

Пример 13

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что температура реакционной смеси составляет 50 °С, а соотношения [ФИДУК] / [Cat] = 250 и [H₂O₂] / [ФИДУК] = 1.3.

Пример 14

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 13 с тем отличием, что температура реакционной смеси составляет 70 °С.

Пример 15

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 13 с тем отличием, что температура реакционной смеси составляет 90 °С.

Пример 16

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 13 с тем отличием, что температура реакционной смеси составляет 95 °С, а соотношение ФИДУК] / [Cat] = 400.

Пример 17

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 13 с тем отличием, что температура реакционной смеси составляет 40 °С.

Пример 18

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что соотношение [ФИДУК] / [Cat] = 1000 и [H₂O₂] / [ФИДУК] = 1.4.

Пример 19

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 18 с тем отличием, что соотношение [ФИДУК] / [Cat] = 850.

Пример 20

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 18 с тем отличием, что соотношение [ФИДУК] / [Cat] = 400.

Пример 21

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 18 с тем отличием, что соотношение [ФИДУК] / [Cat] = 60.

Пример 22

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 18 с тем отличием, что соотношение [ФИДУК] / [Cat] = 1250.

Пример 23

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 19 с тем отличием, что соотношение [H₂O₂] / [ФИДУК] = 1.5.

Пример 24

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 19 с тем отличием, что соотношение [H₂O₂] / [ФИДУК] = 1.6.

Пример 25

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 19 с тем отличием, что соотношение [H₂O₂] / [ФИДУК] = 1.7.

Пример 26

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 19 с тем отличием, что соотношение [H₂O₂] / [ФИДУК] = 1.8.

Пример 27

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 19 с тем отличием, что соотношение [H₂O₂] / [ФИДУК] = 2.0.

Пример 28

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 19 с тем отличием, что соотношение [H₂O₂] / [ФИДУК] = 0.8.

Пример 29

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 19 с тем отличием, что все расчетное количество пероксида водорода добавляют однократно.

Пример 30

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 18 с тем отличием, что соотношение [ФИДУК] / [Cat] = 850, а время выдержи 2.5 ч.

Пример 31

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 18 с тем отличием, что время выдержки составляет 2 часа.

Выход глифосата X в процентах от рассчитанного теоретически по примерам 13-31 приведен в таблице 2.

Данные таблицы 2 показывают (примеры 13-17), что увеличение температуры от 50 до 95°С приводит к повышению выхода целевого глифосата. При этом минимальное значение температуры, при которой удаётся получить коммерчески значимые выходы глифосата составляет 50°С. Наблюдаемое значение выхода глифосата при температурах 90 и 95 °С сопоставимо. Повышение температуры более 95°С нецелесообразно в связи с тем, что при таких температурах происходит закипание реакционной смеси. Следовательно, оптимальный интервал температур составляет 80-90 °С.

Таблица 2 – Сводные экспериментальные данные по реакции каталитического окисления ФИДУК до глифосата при варьировании температуры процесса, соотношения концентраций пероксида водорода H₂O₂ и катализатора Na₂WO₄ к субстрату в реакционной смеси

№ примера Т, °С [ФИДУК]/[ Cat] [H₂O₂]/[ФИДУК] X, % Пример 13 50 250 1.3 35 Пример 14 70 72 Пример 15 90 80 Пример 16 95 400 81 Пример 17
(для сравнения) 40 250 15 Пример 18 90 1000 1.4 76 Пример 19 850 1.4 84 Пример 20 400 1.4 83 Пример 21 60 1.4 85 Пример 22
(для сравнения) 1250 1.4 62 Пример 23 850 1.5 86 Пример 24 1.6 88 Пример 25 1.7 88 Пример 26 1.8 90 Пример 27 2.0 83 Пример 28
(для сравнения) 0.8 40 Пример 29
(для сравнения) 1.8 46 Пример 30 90 1000 1.8 84 Пример 31 90 1000 1.8 73

Примеры 18-22 таблицы 2 указывают на то, что окисление ФИДУК до глифосата можно проводить при соотношении [ФИДУК]/[Cat] = 60-1250, предпочтительно [ФИДУК]/[Cat] = 400-1000. Окисление ФИДУК при малых концентрациях катализатора, когда [ФИДУК]/[Cat] > 1000, приводит к снижению выхода целевого глифосата, а увеличение концентрации катализатора ([ФИДУК]/[Cat] < 60) также приводит к снижению выхода.

Оптимальным интервалом соотношений концентраций окислителя к субстрату является [H₂O₂]/[ФИДУК] = 1.3 – 1.8 (примеры 23-29, таблица 2), предпочтительно, 1.8 при порционной дозировке пероксида водорода. Использование меньшего или большего количества пероксида водорода приводит к снижению выхода глифосата. Это обусловлено в первом случае, при [H₂O₂]/[ФИДУК] < 1, недостатком пероксида водорода, необходимого для окисления субстрата в соответствии со стехиометрией реакции, а во втором, при [H₂O₂]/[ФИДУК] > 2.0, образованием побочных продуктов вследствие переокисления целевого глифосата большим избытком окислителя. При этом использование порционной дозировки пероксида водорода также позволяет избежать переокисления образующегося глифосата в реакционной среде и обеспечивает получение бóльших выходов целевого продукта.

Примеры 32-34 иллюстрируют получение глифосата предлагаемым способом в присутствии катализатора Na₂WO₄ при варьировании времени реакции, а также концентрации и способов добавления окислителя пероксида водорода.

Пример 32

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 в присутствии катализатора Cat = Na₂WO₄ при мольных соотношениях [ФИДУК] / [Cat] = 1000, [H₂O₂] / [ФИДУК] = 1.8 с тем отличием, что используют раствор катализатора, оставшегося после отделения целевого продукта глифосата в примере 1.

В реактор помещают 5.0 мл фильтрата, выделенного в примере 1, и 5.0 мл 0.005 М водного раствора Na₂WO₄. Далее эксперимент проводят в соответствии с примером 1.

После завершения реакции масса выделенного продукта составляет 6.55 г (выход 88% от рассчитанного теоретически), содержание глифосата 97 % мас.

Пример 33

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что используют разбавленный раствор пероксида водорода (5%).

В реактор помещают 10.0 мл 0.005 М водного раствора Na₂WO₄ (концентрация вольфрамата натрия 5 ммоль/л) и добавляют 12.3 г гидрата ФИДУК (50.2 ммоль) и дополнительно 20.0 мл воды. Реактор нагревают до 90°С. К реакционной смеси при перемешивании в течение 3 ч добавляют 60.0 мл водного 5%-раствора (ρ=1.011 г/мл при 24 °С) пероксида водорода (90.4 ммоль).

После завершения реакции масса выделенного продукта составляет 6.25 г (выход 84% от рассчитанного теоретически), содержание глифосата 95 мас.%.

Пример 34

Жидкофазное окисление ФИДУК пероксидом водорода проводят аналогично примеру 1 с тем отличием, что окислитель – пероксид водорода – добавляют либо однократно в начале опыта (фиг. 1, Кривая 1), либо порционно (фиг. 1, Кривая 2).

Результаты, приведенные на графике (фиг. 1), показывают, что оптимальным временем для получения глифосата является 180 мин (3 ч) и дальнейшее увеличение времени реакции практически не приводит к существенному увеличению выхода глифосата. Этот эффект наблюдается как в случае добавления необходимого количества (1.4 экв.) пероксида водорода однократно (кривая 1), так и в случае добавления пероксида водорода порциями во времени (кривая 2). Однако, следует отметить, что в случае порционного добавления пероксида водорода минимизируется возможность протекания реакций переокисления, образующегося глифосата и его выход повышается, поэтому порционная дозировка предпочтительна.

Оптимальное время выдержки реакции составляет 2-3 ч, поскольку за это время достигаются высокие выходы глифосата. При этом меньшее время выдержки приводит к снижению выхода, а дальнейшее увеличение времени выдержки нецелесообразно.

Таким образом, предлагаемый способ получения глифосата позволяет проводить каталитическую реакцию окисления ФИДУК пероксидом водорода в присутствии лишь одного катализатора, представляющего собой оксометаллаты молибдена и/или вольфрама, а также их пероксокомплексы, при этом, в отличие от известных решений, в предложенном способе отсутствует стадия получения и/или накопления N-оксида ФИДУК, образование глифосата протекает синхронно с окислением ФИДУК. Кроме того, использование катализатора в малых концентрациях [ФИДУК] / [Cat] = 250-1250 положительно влияет на экономические показатели процесса. При этом, проведение реакции окисления при минимальном избытке окислителя по отношению к субстрату [H₂O₂] / [ФИДУК] = 1.4-1.8, достигаемое путем дозировки окислителя во времени, позволяет уменьшить вклад параллельно протекающей реакции разложения H₂O₂ во времени, и следовательно, уменьшает расход пероксида водорода, что также важно в промышленном применении процесса.

Изобретение относится к области основного органического синтеза, а именно к способу получения N-(фосфонометил)-глицина. Способ осуществляют путем каталитического жидкофазного окисления N-(фосфонометил)-иминодиуксусной кислоты ФИДУК водным раствором пероксида водорода H₂O₂ в одну стадию. В качестве катализатора Cat используют оксометаллаты молибдена и/или вольфрама, а также их пероксокомплексы. Способ характеризуется тем, что реакцию проводят в водной среде без использования дополнительных органических растворителей в течение 2-3 ч при температуре 50-95°С и общем атмосферном давлении при следующих мольных соотношениях компонентов: [ФИДУК]/[Cat]=250-1250; [H₂O₂]/[ФИДУК]=1,4-1,8. Технический результат: высокий выход глифосата при значительном упрощении процесса. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил., 34 пр.

1. Способ получения N-(фосфонометил)-глицина путем каталитического жидкофазного окисления N-(фосфонометил)-иминодиуксусной кислоты ФИДУК водным раствором пероксида водорода H₂O₂ в одну стадию, в котором в качестве катализатора Cat используют оксометаллаты молибдена и/или вольфрама, а также их пероксокомплексы, характеризующийся тем, что реакцию проводят в водной среде без использования дополнительных органических растворителей в течение 2-3 ч при температуре 50-95°С и общем атмосферном давлении при следующих мольных соотношениях компонентов: [ФИДУК]/[Cat] = 250-1250; [H₂O₂]/[ФИДУК] = 1,4-1,8.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют водный раствор пероксида водорода с массовой концентрацией 5-30%.