ES2300300T3 - Reactivo de fosfatacion, procedimiento y uso. - Google Patents

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Abstract

Composición producida mezclando íntimamente y haciendo reaccionar exclusivamente a una temperatura de la temperatura ambiente a 180ºC una cantidad efectiva de anhídrido fosfórico con de 75% en peso a 117% en peso de ácido fosfórico (54% en peso a 85% en peso de P4O10), para producir una suspensión o pasta uniforme que tiene un porcentaje en peso efectivo equivalente de ácido fosfórico de 121 a 124.

Description

Reactivo de fosfatación, procedimiento y uso.
Campo de la invención
Esta invención se refiere a un único agente de fosfatación que puede prepararse separadamente y usarse para producir composiciones de tipo éster fosfato que tienen un contenido elevado de fosfatos monoalquilo en combinación con un bajo contenido de fosfatos de dialquilo, fosfatos de trialquilo, ácido fosfórico y otros componentes no iónicos, tales como el alcohol material de partida.
Descripción de la técnica anterior
Se han demostrado las prestaciones superiores de los ésteres tipo fosfatos aniónicos basados en alcoholes grasos, enriquecidos en el contenido de ésteres de monoalquilo con relación al contenido de ésteres de dialquilo, particularmente con respecto a los ésteres tensioactivos usados en cosmética y productos para limpieza e higiene personal. Estos agentes tensioactivos de elevado contenido en fosfatos de monoalquilo exhiben una combinación única de buena detergencia y baja irritación de la piel, especialmente en comparación con los agentes tensioactivos tipo alquil-sulfato o alquil-sulfonato. En una mezcla dada de fosfatos de alquilo, cuando aumenta el contenido de fosfatos de dialquilo, decrece la solubilidad, la capacidad de formación de espuma y la detergencia, y aumenta el punto Krafft. El intervalo comercialmente deseable para una composición de fosfatos de "monoalquilo" se ha definido como aquel en el que la relación entre el fosfato de monoalquilo y el fosfato de dialquilo es al menos 80:20 en porcentaje en peso (patente de EE.UU. 4.139.485). Se encontró una prestación aceptable a 70:30, y se obtuvo una mejora adicional relativamente baja por encima de 90:10.
Los procedimientos típicos de fosfatación no producen mezclas de elevado contenido de fosfato de monoalquilo junto con un bajo contenido de fosfato de dialquilo, bajo contenido de ácido fosfórico y bajo contenido residual de alcohol. Los dos agentes de fosfatación comúnmente utilizados producen dos extremos en el intervalo de composición.
En un caso, el poli(ácido fosfórico) reacciona con los alcoholes para producir una mezcla de alto contenido de fosfato de monoalquilo y bajo contenido de fosfato de dialquilo, pero también un elevado contenido de ácido fosfórico. Esto es de esperar, ya que el poli(ácido fosfórico) consiste esencialmente en cadenas lineales que producirían una molécula de ácido fosfórico a partir del extremo cola de cada cadena.
Se calculó que la cantidad de ácido fosfórico que se produciría a partir de los extremos de cadena por una alcoholisis completa de una muestra de aproximadamente 117% de poli(ácido fosfórico) era 23,2 por ciento en moles. Se informó de que la reacción de alcoholes simples con una cantidad equimolar de 117% de poli(ácido fosfórico) produjo de 21,0 a 23,8% de ácido ortofosfórico. Fue necesario un exceso de alcohol para finalizar la reacción (F. Clarke y J.Lyons, J. Am. Chem. Soc, 88 4401 (1966)).
La producción de un fosfato de monoalquilo sin contaminación con un fosfato de dialquilo podría hacerse teóricamente a partir de ácido pirofosfórico. La alcoholisis produciría un mol de ácido fosfórico y un mol de fosfato de monoalquilo.
La reacción de lauril alcohol en una cantidad en moles igual a la de ácido pirofosfórico más ácido tripolifosfórico en poli(ácido fosfórico) al 105% de temperatura ambiente a 65ºC durante un periodo de dos horas, seguido de 14 horas a 71-72ºC, produjo una masa cremosa, muy viscosa, que contenía aproximadamente 69% en moles de ácido fosfórico, 20% en moles de fosfato de monolaurilo y 11% de compuestos intermedios tipo pirofosfato. La adición de alcohol en exceso a la masa a temperatura ambiente, seguida por calentamiento a 52ºC durante tres horas para finalizar la conversión de los pirofosfatos, dio una disolución en la cual las relaciones en moles fueron 76% de ácido fosfórico, casi 24% de fosfato de monolaurilo, y solamente trazas de fosfato de dilaurilo. La distribución teórica basada en la composición original de poli(ácido fosfórico) al 105% fue 73% de ácido fosfórico y 27% de fosfato de
laurilo.
Debido a la reactividad relativamente baja de los pirofosfatos intermedios con los alcoholes, generalmente se usa un exceso de uno de los compuestos reaccionantes. La patente de EE.UU. 3.235.627 describe que una relación de equivalentes 1,2-4,0 de poli(ácido fosfórico) por mol de alcohol produce una mezcla de 85-100% de fosfatos de monoalquilo y que quedará un gran porcentaje de alcohol sin reaccionar si no se usa un exceso de poli(ácido fosfórico). Esta patente también afirma que el uso de alcohol en exceso es indeseable, debido a que se producen mayores concentraciones de fosfatos de dialquilo.
En la representación gráfica de sus datos, que cubre el intervalo de 100 a 115% de poli(ácido fosfórico), T. Kurosaki et al., Comun. Jorn. Com. Esp. Deterg. 19, 191 (1988), muestran que una cantidad estequiométrica del ácido más concentrado evaluado, aproximadamente 113%, produce sólo una conversión del alcohol de 60% y requiere un exceso dos veces en moles para conseguir una conversión de aproximadamente 95%. El artículo concluye que, con el fin de fabricar un fosfato de monoalquilo de elevada pureza, se requiere separar de la mezcla el coproducto ácido fosfórico en exceso resultante.
Los reaccionantes de "poli(ácido fosfórico)" utilizados por esta referencia son de un menor porcentaje en peso equivalente efectivo de poli(ácido fosfórico) que el de los reaccionantes de la presente invención los cuales tienen un mínimo de 118 por ciento en peso.
La gran cantidad de ácido fosfórico inevitablemente así producida en los procedimientos basados en los ácidos polifosfóricos comunes, de aproximadamente 115%, es un co-producto indeseable que es particularmente problemático en productos cosméticos, disoluciones de electrólitos, emulsiones y en el hilado de fibras sintéticas, y han necesitado el desarrollo de muchos métodos de purificación para el reparto del ácido y del organofosfato en capas acuosas y orgánicas que a continuación pueden separarse.
El otro extremo de la composición del producto se produce por el uso de anhídrido fosfórico, P_{4}O_{10}. En contraste con el poli(ácido fosfórico) líquido viscoso de 115%, el P_{4}O_{10} es un polvo blanco altamente reactivo con los alcoholes, incluso a temperatura ambiente. Es un agente deshidratante poderoso y relativamente insoluble en la mayor parte de los disolventes orgánicos comunes, excepto aquellos con los que reacciona. Si está en exceso o no adecuadamente disperso en el líquido de reacción, forma subproductos indeseables. Bajo condiciones favorables, la reacción de P_{4}O_{10} todavía transcurre a través de una serie compleja de productos intermedios. Los problemas con cualquier intento de controlar la selectividad surgen del hecho de que cada polifosfato intermedio tiene su solubilidad y velocidad de reacción características.
En presencia de otras especies hidroxi-funcionales tales como agua adventicia o una mezcla de alcoholes, la distribución de productos es una función de la concentración, (la cual se relaciona con la solubilidad), y de las velocidades de las reacciones competitivas de cada fosfato intermedio con cada compuesto hidroxi. Estas condiciones cambian en el curso de la reacción ya que las especies más reactivas se consumen preferentemente y sus concentraciones relativas decrecen.
Teóricamente, en condiciones ideales se formaría una mezcla equimolar de fosfato de monoalquilo (MAP) y de fosfato de dialquilo (DAP) y, de hecho, la reacción de P_{4}O_{10} con un exceso dos veces la cantidad estequiométrica de lauril alcohol, es decir 12 moles por mol de P_{4}O_{10}, en condiciones estándar de laboratorio produjo una mezcla de fosfatos en una relación en moles de aproximadamente 0,509 MAP:0,485 DAP:0,007 H_{3}PO_{4}.
Una tercera opción, que es la esterificación directa del ácido fosfórico, no resulta práctica debido a su baja reactividad y a la dificultad de separar el agua de la mezcla de productos polar y crecientemente viscosa. La elevada temperatura de al menos 120ºC, la presión reducida de 300 torr o menos, preferentemente menor que 50 torr, y/o el uso de disolventes azeotrópicos que se usan para llevar la reacción hasta el final, también producen los fosfatos de dialquilo indeseables y aún dejan concentraciones indeseables de ácido fosfórico sin reaccionar (T. Kurosaki et al., Oil Chemistry, 39(4), 259, (1990)). La combinación de un ácido ortofosfórico con un alcohol en condiciones menos que anhidras (específicamente, como ácido ortofosfórico al 85%) sin presión menor que la atmosférica, un agente azeotrópico o temperaturas considerablemente por encima de 100ºC (punto de ebullición del agua), no darían lugar a la producción de ninguna cantidad significativa de éster.
Se ha informado sobre varios intentos de reducir la tendencia del anhídrido fosfórico a producir el coproducto fosfato de dialquilo. Un trabajo anterior postuló que en el caso óptimo, la sustitución de dos moles de agua por dos de los seis moles de alcohol requeridos para convertir totalmente el P_{4}O_{10} en ortofosfatos, produciría esencialmente cuatro moles del fosfato de monoalquilo. (Sanyo Kasel Kogio K.K., Publicación de Patente Japonesa 41-14416 (1966)). Como se mencionó anteriormente, la secuencia de reacción es compleja. Aunque se informó sobre elevadas relaciones en moles monoalquilo:dialquilo de hasta 94:6, también se produjo la conversión sustancial de anhídrido fosfórico en ácido fosfórico, 60 por ciento en moles), en este ejemplo, en el límite superior del "intervalo adecuado" de contenido de agua, y, en general, se produjeron concentraciones excesivamente altas de ácido fosfórico a lo largo de las series. No se informó del contenido de alcohol sin reaccionar, pero en las condiciones especificadas de estequiometría en el ejemplo citado, podría presumirse que era igual a los moles de ácido fosfórico menos los moles de fosfato de dialquilo o aproximadamente 58 por ciento en moles. El autor claramente especificó que la adición de agua al anhídrido fosfórico seguida por la reacción con el alcohol fue una alternativa inadecuada.
Casi simultáneamente, otro caso (Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd., Publicación de Patente Japonesa 42-6730 (1967)) informó sobre el uso similar de ácido fosfórico al 85% (0,960 moles de agua por mol de H_{3}PO_{4}). Sin embargo, esta estrategia fue reaccionar el ácido ortofosfórico y el anhídrido fosfórico separadamente con el alcohol, aparentemente en presencia del agua introducida con el ácido fosfórico al 85%. La duplicación de los ejemplos 42-6730 mostró claramente que el ácido fosfórico l 85% no reaccionó con el alcohol en las condiciones especificadas. El análisis completo de las mezclas de reacción durante y al final de la secuencia experimental reveló además que la conversión no fue completa al final del periodo de la reacción especificado, sino que más bien finalizó en los procedimientos subsiguientes de trabajo aparentemente necesarios para la separación y caracterización del producto éster de monoalquilo. No se informó de las cantidades de otros productos o componentes en la mezcla de productos. Las cantidades de fosfato de monoalquilo encontradas en la duplicación de los ejemplos en el laboratorio fueron significativamente más bajas que los elevados rendimientos de fosfato de monoalquilo comunicados.
Un estudio más reciente determinó más precisamente el efecto de las relaciones entre el agua, el alcohol y el anhídrido fosfórico sobre la composición de los productos tipo fosfato, otra vez con particular énfasis sobre la relación entre fosfatos de monoalquilo y de dialquilo (T. Kurosaki et al., Comun. Jorn. Com. Esp. Deterg. 19, 191 (1988)). Para cuantificar las especies de fósforo se utilizó la espectroscopía de resonancia magnética nuclear de fósforo 31 de alta resolución. Incluso en las que parecieron ser las relaciones y el método más favorables, el contenido residual de ácido fosfórico estuvo por encima del 15% en moles del total de las especies de fósforo y el fosfato de monoalquilo se estabilizó a aproximadamente 60% en moles. No se informó de la concentración residual de alcohol.
El uso de oxicloruro de fósforo no es una buena opción, ya que no es selectivo; produce tres moles de cloruro de hidrógeno por mol de fosfato, el cual es altamente corrosivo y tiene que separarse por absorción con agua de las emisiones del reactor para impedir la contaminación ambiental; y produce un subproducto indeseable, el cloruro de alquilo (patente de EE.UU. 4.350.645).
Incluso dentro de las limitaciones de los agentes de fosfatación anteriores, es posible obtener mezclas de productos intermedios deseables mediante ciertas secuencias de reacciones de múltiples etapas. Por ejemplo, en la adición de un mol de P_{4}O_{10} a cuatro moles de un alcohol insaturado, seguida de un periodo de digestión, a continuación adición de dos moles de agua y calentamiento continuo hasta finalizar la reacción, se informó que dio un alto contenido de fosfato de monoalquilo que contenía un grupo vinilo polimerizable (patente de EE.UU. 3.686.371).
Un procedimiento más complicado supone la preparación de una mezcla de ésteres de fosfato mediante una secuencia de reacciones estándar, y luego el uso de la mezcla resultante como medio de reacción al cual se añaden anhídrido fosfórico adicional, alcohol y agua. El intento es producir el pirofosfato de dialquilo simétrico como el producto principal y a continuación hidrolizarlo a fosfato de monoalquilo en la etapa final (patente de EE.UU. 4.126.650).
Los mejores resultados se obtuvieron dividiendo la adición de reaccionantes en múltiples etapas y los casos de producción de residuos. Esto es, al residuo inicialmente formado, se añaden alternativamente el anhídrido fosfórico remanente y el alcohol en cuatro partes alícuotas iguales a la temperatura de reacción de 75-90ºC. La mezcla se somete entonces a digestión a 85ºC durante dos horas; se añaden agua y peróxido de hidrógeno al 30%; y se completa la reacciona 80ºC para dar un producto final que contiene más de 80% en peso de fosfato de monoalquilo ácido (análisis por titulación).
Otro estudio (patente de EE.UU. 4.350.645) también utilizó un procedimiento de dos etapas pero en oposición directa a los dos ejemplos anteriores. De hecho, el procedimiento de la patente de EE.UU. 3.686.371 descrito anteriormente es muy similar al método 2 del que el principal autor, Kurosaki, informa que es inferior en su publicación de 1988 (véase anteriormente).
El propósito de la primera etapa de la patente de EE.UU. 4.350.645 es combinar una mezcla equimolar de agua y alcohol con anhídrido fosfórico (dos moles de cada uno, por mol de P_{4}O_{10}) para preparar una composición intermedia, es decir un residuo. Este residuo de pirofosfato monoalquilo se hace reaccionar a continuación con los restantes dos
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moles de alcohol para convertir los pirofosfatos intermedios en ortofosfatos. Las mejores relaciones de productos realizadas para el fosfato de laurilo, aproximadamente 0,821:0,081:0,099 de MAP:DAP:H_{3}PO_{4} (en moles) y 0,829:0,134:0,037 (en peso) (relación en peso de MAP:DAP, 86,1:13,9) para este procedimiento simplificado de dos etapas son comparables al procedimiento de adición en múltiples etapas, considerando la precisión del análisis por titulación (patente de EE.UU. 4.126.650) y son superiores a los procedimientos de una única etapa. Otra evidencia específica fue dada por el ejemplo comparativo 1 en este caso. La fosfatación de lauril alcohol con ácido fosfórico al 85% y P_{4}O_{10} es esencialmente la misma que en el ejemplo 1 en 42-6730. Sin embargo, la composición más completamente definida se refiere como 66,2% en moles de fosfato de monoalquilo, 18,9% de fosfato de dialquilo y 14,9% de ácido fosfórico, en contraste con el "rendimiento de monofosfato de dodecilo": 94,7% del que se informa en 42-6730.
El resumen anterior describe esencialmente el estado de la tecnología existente para la preparación de composiciones enriquecidas en fosfato de monoalquilo por fosfatación directa y las propiedades deseables de estas composiciones, especialmente para mezclas con relaciones en peso de MAP:DAP 80:20 o mayores. Se conocen otros métodos, incluso más sofisticados, que suponen la preparación de productos intermedios en procedimientos de múltiples etapas que tienen grupos de bloqueo que deben separarse y eliminarse como impurezas, después de que los productos intermedios se usen para fosfatar el alcohol sustrato; sin embargo, estos procedimientos son demasiado caros para que sean viables para la mayoría de las aplicaciones comerciales de los productos.
Sumario de la invención
La presente invención se refiere al descubrimiento de un agente de fosfatación único que puede prepararse separadamente y usarse para producir composiciones de ésteres de fosfato en una única etapa, procedimiento sin disolvente en el que la relación en peso de fosfato ácido de monoalquilo a fosfato ácido de dialquilo es mayor que 80:20, concomitante con concentraciones más bajas de ácido fosfórico libre y alcohol residual.
La composición óptima de reaccionante de fosfatación es de aproximadamente 121-123%, expresado como porcentaje equivalente efectivo de poli(ácido fosfórico). El reaccionante se prepara mezclando íntimamente y haciendo reaccionar exclusivamente anhídrido fosfórico (P_{4}O_{10}) con ácido fosfórico (H_{3}PO_{4}) para producir una suspensión o pasta uniforme.
Los ésteres de fosfato pueden formarse poniendo en contacto la pasta o suspensión del reaccionante con el alcohol orgánico (ROH), con suficiente agitación y control de temperatura para disolver el reaccionante en el alcohol y llevar a cabo la reacción hasta su finalización.
Descripción detallada de la invención
Se ha descubierto un nuevo procedimiento el cual produce composiciones enriquecidas en un éster fosfato de monoalquilo, el cual evita las desventajas asociadas con los procedimientos de la técnica anterior. Se usa un único agente de fosfatación el cual es un derivado directo del anhídrido fosfórico en el que se emplea ácido fosfórico como grupo de bloqueo. Este nuevo reaccionante puede prepararse independiente y cuantitativamente en un amplio intervalo de tiempos y temperaturas y, cuando se aísla, es estable durante el almacenamiento en condiciones anhidras. Se disuelve más fácilmente que el anhídrido fosfórico, es bombeable cuando se calienta para reducir su viscosidad, y puede añadirse más rápidamente al alcohol sin los problemas del calor de una reacción altamente exotérmica, característicos del anhídrido fosfórico.
En contraste con el uso de los poli(ácidos fosfórico) al 115-117% solos, comercialmente disponibles, se ha descubierto que con el uso de este reaccionante de fosfatación preparado separadamente no es necesario usar un exceso de ácido relativo al alcohol con el fin de conseguir buenas velocidades de conversión y un bajo contenido de alcohol residual. De hecho, lo más deseable son cantidades estequiométricamente iguales de alcohol y del reaccionante de fosfatación. El ácido fosfórico utilizado como grupo de bloqueo se consume en el procedimiento y, por lo tanto, no contribuye excesivamente a la cantidad residual. Como consecuencia, la concentración residual de ácido fosfórico es comparable a la obtenida por los procedimientos de múltiples etapas más preferibles previamente descritos.
Con el procedimiento de la presente invención, en el que se consiguen relaciones en peso de fosfato de monoalquilo a fosfato de dialquilo iguales a o mayores que 80:20, los porcentajes en peso del alcohol residual y del ácido fosfórico son individualmente cada uno menores que 6%.
Este nuevo reaccionante de fosfatación, cuando se prepara separadamente, está en forma de una suspensión de pequeñas partículas blancas vellosas en una matriz viscosa y transparente. Es agitable por encima de la temperatura ambiente y, por tanto, bombeable. Se disuelve mucho más fácilmente que el P_{4}O_{10,} incluso aunque el tamaño de partículas es mucho mayor, y no produce los duros fragmentos negros lentamente solubles que se encuentran cuando el propio P_{4}O_{10} se mezcla con un alcohol polietoxilado. Puesto que se ha liberado la mayor parte de la energía de deformación del anillo de la molécula tetraédrica de P_{4}O_{10} y de su producto intermedio bicíclico inicial, el calor de la reacción es principalmente el que procede de la conversión de los enlaces fósforo-oxígeno-anhídrido fosforoso de productos intermedios simples monocíclicos o lineales con el carbono-oxígeno-éster fosforoso y los enlaces hidrógeno-oxígeno-ácido fosforoso. La liberación escalonada de energía así conseguida es mucho más fácil de controlar en un procedimiento a escala comercial y el mejor control permite minimizar los subproductos indeseables.
Una vez se ha preparado el reaccionante separadamente, la secuencia de adición de los reaccionantes no es crítica. Por ejemplo, el alcohol puede añadirse al reactor que contiene el reaccionante de fosfatación, o el reaccionante de fosfatación puede añadirse al alcohol. Como es bien sabido en la técnica, la adición de alcohol al polvo de P_{4}O_{10} puede dar lugar a una reacción vigorosa, potencialmente incontrolable y peligrosa.
Una indicación de la naturaleza de la composición inicial de este único reaccionante de fosfatación se obtiene del espectro de resonancia magnética nuclear de fósforo-31 preparado en ausencia de alcohol. Por comparación, el componente principal en el poli(ácido fosfórico) al 105% en peso es el propio ácido fosfórico, 50% en moles, seguido por ácido pirofosfórico, 40% en moles, y ácido tripolifosfórico, 10% en moles. Un espectro del poli(ácido fosfórico) al 115% en peso muestra aún algo de ácido ortofosfórico, 8% en moles; y un patrón más complejo compuesto por ácido pirofosfórico y los fosfatos en los extremos de las cadenas de mayor peso molecular, justificando el 46% en moles de las especies de fósforo, siendo el restante 46% en moles los grupos fosfatos internos de las cadenas. En contraste, el espectro del nuevo reaccionante de fosfatación de esta invención, para una composición equivalente a 122,5% en peso de ácido fosfórico, muestra sólo unas trazas de ácido ortofosfórico; 11% en moles de final de cadena y grupos de ácido pirofosfórico; y 87% de grupos fosfato en el medio y/o cíclicos y 2% en moles de grupos fosfato ramificados. La interpretación exhaustiva sería difícil debido a la amplia gama de estructuras posibles; sin embargo, está claro que están esencialmente ausentes las señales características del P_{4}O_{10} y del ácido fosfórico, las señales de ramificaciones y pirofosfatos son mínimas, y la masa de las especies de fósforo son del tipo más deseado de anhídrido cíclico o lineal.
El procedimiento por el que puede prepararse independientemente el reaccionante de fosfatación es poniendo en contacto y haciendo reaccionar exclusivamente anhídrido fosfórico (P_{4}O_{10}) con ácido fosfórico (H_{3}PO_{4}) de una manera tal que los dos componentes puedan mezclarse en una pasta o suspensión pastosa uniforme.
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La composición del reaccionante de fosfatación de esta invención es crítica y existe dentro de una estrecha gama. El componente ácido fosfórico usado puede estar en un intervalo de concentraciones desde 75 hasta 117% (54 a aproximadamente 85% de P_{4}O_{10}) y está convenientemente disponible comercialmente en el intervalo de esencialmente aproximadamente 85 a aproximadamente 115%. El anhídrido fosfórico es de alta pureza y esencialmente anhidro.
Las composiciones de reaccionantes preparadas de acuerdo con esta invención contienen cadenas ramificadas y productos cíclicos intermedios. Por lo tanto, no experimentan problemas tales como alta viscosidad o como el mismo reaccionante o en las mezclas intermedias con alcohol que producen en el curso de su uso. Puesto que la composición del reaccionante de fosfatación al 115% se comporta como si fuera un poli(ácido fosfórico) a la concentración de 115%, se esperaría que el reaccionante proporcionase una continuidad de composiciones siendo el límite inferior de su intervalo útil aquél en el que el uso de poli(ácido fosfórico) comercialmente disponible se hace impracticable, aproximadamente 117-118%.
Ni el tiempo ni la temperatura del procedimiento para la fabricación del reaccionante de fosfatación son críticos per se. El tiempo puede estar comprendido desde el mínimo requerido para obtener una mezcla uniforme en la que el polvo de P_{4}O_{10} esté completamente humedecido por y mezclado con el ácido fosfórico. El orden de adición no es crítico y puede adaptarse al equipo disponible.
La temperatura inicial puede comenzar a temperatura ambiente y variar hasta aproximadamente 180ºC como se determina por el control de temperatura, las capacidades de agitación y bombeo del reactor y el equipo asociado. Sin embargo, deben evitarse periodos prolongados a temperaturas elevadas.
El reaccionante de fosfatación es estable durante el almacenamiento en condiciones razonables en tanto y cuanto se mantengan condiciones anhidras en el recipiente de almacenamiento. Como todos los materiales de ácido fosfórico condensados (deshidratados), el reaccionante de fosfatación es higroscópico y la absorción de la humedad del aire dará lugar a un cambio en la composición.
Con respecto al uso del reaccionante de fosfatación en una reacción de fosfatación-esterificación, el alcohol puede añadirse al reaccionante de fosfatación o el reaccionante puede añadirse al alcohol dentro de las restricciones de mezclado y de temperatura del reactor, de acuerdo con las prácticas estándar bien conocidas en la técnica. No es necesario efectuar la reacción. La simple combinación del alcohol orgánico y del reaccionante de fosfatación en la relación molar estequiométrica apropiada de cuatro moles de alcohol por moles equivalentes de P_{4}O_{10}, es decir relación equimolar de alcohol-fósforo, es todo lo que se requiere.
Como se advirtió anteriormente, los tiempos y temperaturas requeridas para hacer reaccionar el reaccionante de fosfatación con el alcohol pueden ser fácilmente determinados por los expertos en la técnica, y son principalmente una función de las capacidades de mezclado, bombeo y control de la temperatura del reactor y del equipo asociado. Preferiblemente, durante la etapa de mezcla inicial, la temperatura inicial debe ser lo suficientemente elevada para promover el mezclado y la disolución fácilmente, es decir desde aproximadamente la temperatura ambiente hasta aproximadamente 80ºC, pero podría ser la misma que la temperatura de cocción. Similarmente, la temperatura de cocción sería dictada por la necesidad de obtener ciclos de tiempo razonablemente cortos sin excesiva decoloración del producto; típicamente desde aproximadamente 75ºC hasta aproximadamente 100ºC. Los tiempos típicos de reacción son desde aproximadamente mayores que 3 hasta aproximadamente 12 horas. Sin embargo, dependiendo de la temperatura, se prefieren tiempos de aproximadamente 4 hasta aproximadamente 11 horas para prevenir la degradación del producto y la formación de color.
En general, cuando la composición del reaccionante de fosfatación se desplaza desde una rica en anhídrido fosfórico a una rica en ácido fosfórico se produce un aumento de la relación MAP:DAP. Se produce una relación MAP:DAP 70:30 mediante una composición independientemente preparada al 125%. Este es el límite inferior de las mezclas de productos que muestran tener propiedades útiles de formación de espuma y solubilidad (patente de EE.UU. 5.254.691) y el límite superior del intervalo de composiciones deseado se define considerando otros factores de procesado, tales como la viscosidad y las velocidades de disolución.
La relación MAP:DAP similarmente producida por una composición al 119,9% está en el intervalo favorable, pero las concentraciones residuales de ácido fosfórico y de alcohol aumentan ambas notablemente. Estas tendencias son más pronunciadas para una composición al 115%. Los experimentos testigo en los que se usa directamente poli(ácido fosfórico) al 115% para la fosfatación producen resultados similares, por lo tanto, la composición del reaccionante de fosfatación y el procedimiento para el reaccionante preparado separadamente no ofrecen ninguna ventaja a esa concentración. El límite superior de los procedimientos comerciales en los que se produce poli(ácido fosfórico) por deshidratación de ácido ortofosfórico es aproximadamente 117,5% a causa de las viscosidades excesivamente elevadas que se producen por las largas cadenas de polímero anhídrido.
Así, el estrecho intervalo de composiciones de reaccionante de fosfatación es de 1218% a 124% (expresado como porcentaje equivalente efectivo de poli(ácido fosfórico)); preferiblemente desde aproximadamente 121% a 123%.
Habiendo determinado las cantidades apropiadas de ácido fosfórico y anhídrido fosfórico para preparar el reaccionante de fosfatación, todo lo que se requiere es asegurar que el reaccionante y el alcohol orgánico estén inicialmente presentes en la relación molar estequiométrica apropiada de cuatro moles de alcohol por mol de P_{4}O_{10} equivalente, es decir relación equimolar alcohol-fósforo.
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Un moderado exceso de alcohol no cambia significativamente la relación MAP:DAP pero contribuirá a un mayor contenido de alcohol residual en el producto éster final. El uso de una cantidad significativamente menor que la cantidad estequiométrica de alcohol retarda la velocidad de disolución y deja una concentración indeseablemente alta de pirofosfatos intermedios que tendrían que convertirse por adición de alcohol adicional y/o agua.
Puesto que: i) es deseable minimizar la fosfatación del alcohol por el poli(ácido fosfórico) antes de la adición de P_{4}O_{10} y ii) la formación de reaccionante es una reacción exotérmica; la disolución ácido-alcohol se enfría preferiblemente por debajo de 45ºC antes de la adición del anhídrido fosfórico y se mantiene preferentemente por debajo de aproximadamente 60ºC durante la adición de anhídrido fosfórico. Debido a que la adición de alcohol al polvo de P_{4}O_{10} puede dar lugar a una reacción vigorosa, incontrolable y potencialmente peligrosa, el P_{4}O_{10} debe añadirse a la disolución de ácido-alcohol y no de la otra forma.
Los compuestos orgánicos hidroxilados que pueden fosfatarse por el reaccionante de fosfatación de esta invención son de fórmula RO{C_{n}H_{2n}O}_{x}H en la que R se selecciona del grupo que consiste en una cadena de carbono alifática de C_{1}-C_{30}, saturada o insaturada, lineal o ramificada, un grupo fenilo, un grupo fenilo mono, di o trisustituido, un grupo fenil-alquilo de C_{1}-C_{8} y un grupo fenilo mono, di o trisustituido-alquilo de C_{1}-C_{6}, en los que el grupo o los grupos sustituyentes del grupo fenilo tienen cada uno un total de 1 a 30 átomos de carbono, y en los que cada sustitución puede ser una cadena de carbono saturada o insaturada, lineal o ramificada, un grupo fenilo, un grupo alquil-fenilo, un grupo fenil-alquilo o un grupo alquil-fenil-alquilo; en la que n es de 2 a 4 y puede ser el mismo o diferente para cada unidad de óxido de alquileno; y en la que x es de 0 a 100.
Ejemplos de los alcoholes preferidos son los alcoholes láurico, miristílico y cetílico y sus etoxilados; mezclas de los mismos; y etoxilados de triestirilfenol.
Las características del procedimiento anterior para la formación del reaccionante de fosfatación per se, sugieren que los procedimientos serían adaptables a procedimientos continuos, que funcionen concurrente o consecutivamente. Si parte de un procedimiento continuo, las temperaturas de mezclado (disolución) y de reacción (cocción) podrían ser superiores ya que los tiempos de residencia en las respectivas zonas serían más cortos.
La presente invención se explicará con más detalle con referencia a los siguientes ejemplos de trabajo no limitantes.
Ejemplo 1 Preparación del reaccionante de fosfatación
Un matraz de 2 litros, equipado con una entrada y una salida de un gas inerte y seco por medio de un tubo de silicona que burbujea en el fluido, un agitador, un termómetro y un embudo de adición provisto de rosca para alimentar polvo, se cargó rápidamente con 190,5 g de ácido fosfórico al 105% (Rhone-Poulenc Super Phos 105^{TM}) y el embudo con 218,9 g de P_{4}O_{10}, en un flujo positivo de gas argón seco. El P_{4}O_{10} se añadió al ácido agitado suavemente en un periodo de 42 minutos mientras se mantenía la temperatura del líquido a 30-35ºC. Realmente, sólo se transfirieron al matraz 217,6 g de P_{4}O_{10}. Dicho matraz, que contenía una suspensión dispersada, viscosa y blanca, se sumergió en un baño de aceite el cual se calentó a 100ºC durante un periodo de 53 minutos. Después de 10 minutos adicionales, durante los que la mezcla alcanzó una temperatura máxima de 88ºC, el baño se retiró y se permitió que la suspensión uniforme, agitada con relativa facilidad se enfriara. Se calculó que la composición media era de poli(ácido fosfórico) al 122,7% (P_{4}O_{10} 88,84%).
Ejemplo 2 Fosfatación de alcohol láurico
A 388,2 g de mezcla de reaccionante de fosfatación en el matraz del ejemplo 1, se añadieron rápidamente 911,7 g de alcohol láurico en un flujo positivo de argón. La mezcla se calentó a 80ºC con agitación lenta al principio, la cual se aumentó cuando la mezcla se calentó y los sólidos se dispersaron. Después que los sólidos se hubieron disuelto, se aumentó la temperatura a 87ºC y se mantuvo durante 290 minutos. Después se añadieron agua desionizada (8,0 g) para hidrolizar el pirofosfato intermedio residual y después de 30 minutos, tiempo durante el cual se permitió que la temperatura disminuyera a 78ºC, se añadieron 5,0 g de peróxido de hidrógeno al 15%. La temperatura y la agitación se mantuvieron durante 30 minutos más, y el licor transparente, casi incoloro, se enfrió a 70ºC y se embotelló.
El contenido de alcohol residual, determinado por el espectro de resonancia magnética nuclear de protón, fue 1,8% en moles. Las relaciones en moles de fosfatos, determinadas a partir de los datos cuantitativos de resonancia magnética nuclear de fósforo-31, fueron 0,122 de ácido fosfórico, 0,776 de fosfato de monolaurilo y 0,102 de fosfato de dilaurilo. La conversión en porcentaje en peso dio 1,3% de productos no iónicos (alcohol residual), 4,6% de ácido fosfórico, 77,5% de fosfato de monolaurilo y 16,7% de fosfato de dilaurilo, para una relación en peso MAP:DAP de 82,3:17,7.
Ejemplos 3-7
Para determinar el efecto de la temperatura de envejecimiento sobre las prestaciones del reaccionante de fosfatación, se realizó una serie de experimentos en los que se variaron el tiempo y la temperatura de envejecimiento para la homogeneización y equilibrado de las especies fosfatantes en el reaccionante. Por conveniencia, el ácido fosfórico de 105% se añadió al P_{4}O_{10}.
Por consiguiente, el aparato de los ejemplos 1 y 2 se ensambló y se secó, excepto que se utilizó un matraz de 1 L, y el embudo de adición de polvos se reemplazó por un embudo de adición de líquidos de presión compensada. El embudo se cargó con 110,9 g de poli(ácido fosfórico) Super Phos 105^{TM} y el matraz con 126,3 g de P_{4}O_{10}. El ácido se puso en contacto con el polvo agitado durante un periodo de más de 10 minutos. Se prosiguió la agitación y se permitió que la temperatura de la suspensión subiera hasta 55ºC antes de 5 minutos. El baño de aceite se volvió a subir, se calentó a 100ºC en 15 minutos y se mantuvo durante dos horas adicionales antes de bajarse para marcar el final del periodo de envejecimiento. Se permitió que la suspensión se enfriara hasta 23ºC, temperatura a la cual fue escasamente agitable (solo unas pocas rpm). Se añadió rápidamente alcohol láurico, 524,1 g. La mezcla se calentó a 80ºC con un breve exceso a 92ºC (calor de reacción), y retroceso al valor inicial en 20 minutos. Se mantuvo la temperatura de 78-82ºC durante cinco horas después de que los sólidos se hubieran disuelto, se añadieron 3,8 g de agua desionizada y, después de dos horas más a 82ºC, el líquido transparente se enfrió ligeramente y se embotelló caliente antes de que solidificara.
Los análisis mostraron que las relaciones en moles de fosfatos fueron 0,157 de ácido fosfórico, 0,746 de fosfato de monolaurilo y 0,097 de fosfato de dilaurilo. Mediante un método estándar con una resina de intercambio de iones, se determinó que el alcohol residual (porcentaje de compuestos no iónicos) fue 2,3% en peso, lo que permitió el cálculo de los restantes componentes que fue de 5,9% de ácido fosfórico, 75,8% de fosfato de monolaurilo y 16,0% de fosfato de dilaurilo con una relación en peso MAP:DAP de 82,5:17,5.
Se llevaron a cabo experimentos similares en los que el tiempo de envejecimiento se varió desde más de dos horas hasta esencialmente ninguna. En el último caso, el alcohol se añadió 13 minutos después de que se hubiesen combinado el ácido y el P_{4}O_{10}, para permitir solamente que la temperatura subiera como máximo a 68ºC por el calor de reacción, y que el polvo de P_{4}O_{10} se humedeciera y mezclara con la suspensión. Las temperaturas del baño de aceite para todos los ejemplos excepto para el ejemplo especial anterior de esta serie, se fijaron desde 60 a 220ºC en incrementos de 40ºC. Los resultados de la Tabla 1 muestran que las composiciones de fosfato que excedieron la relación 80:20 en peso se produjeron mediante el reaccionante de fosfatación en todos los tiempos y temperaturas evaluadas excepto la alta temperatura extrema (220ºC), la cual produjo un material duro, decolorado, que no se evaluó más.
Ejemplos 8-10
El aparato y procedimientos utilizados en el balance de los ejemplos fueron los usados en los ejemplos 3-7 con las excepciones que se indiquen. El efecto de la concentración del ácido fosfórico utilizado para preparar el reaccionante de fosfatación se determinó en la próxima serie, también indicada en la Tabla 1, en la que los periodos de envejecimiento se variaron otra vez y se emplearon ambos órdenes de adición. Los resultados mostraron que toda la gama comercial del ácido fosfórico, desde 85 hasta 115%, puede utilizarse para preparar un reaccionante de fosfatación que produzca consistentemente un producto con una relación en peso MAP:DAP por encima de 80:20, combinado con una baja concentración de alcohol y de ácido fosfórico sin reaccionar.
Ejemplo 11
En un intento de reducir más la concentración de ácido fosfórico en la mezcla final de productos, se evaluó una relación en moles de alcohol a P_{4}O_{10} superior_{.}
En el aparato descrito en el ejemplo 3, el matraz de 1 L se cargó con 97,8 g de P_{4}O_{10} bajo un flujo positivo de argón seco y se añadieron 36,5 g de Super Phos 105^{TM} a temperatura ambiente, 23ºC, al polvo agitado suavemente durante un periodo de 35 minutos. La temperatura alcanzó un valor máximo de 60ºC a los 20 minutos con aproximadamente 60% del ácido añadido. El resto del ácido convirtió la mezcla húmeda y aglutinada en una sustancia suave, blanca semejante al caramelo blando. La viscosidad aumentó cuando la temperatura volvió a la ambiente, de modo que la velocidad de agitación se redujo hasta aproximadamente 8 rpm. Cuando la mezcla se volvió a calentar a la temperatura de envejecimiento de 100ºC (baño de aceite), la viscosidad disminuyó de nuevo como era de esperar. A 22ºC, el material era aún agitable, pero con dificultad. Calentando a 28ºC, mejoró significativamente la eficiencia de la agitación, y a 42ºC, el material fue de nuevo convenientemente agitable a 25 rpm. El reaccionante de fosfatación se agitó continuamente durante dos horas en el baño a 100ºC con relativamente poco cambio; después se dejó enfriar.
Con el reaccionante de fosfatación a 36ºC (baño de aceite a 50ºC), se añadieron 496,2 g de alcohol láurico en aproximadamente dos minutos. Esto dio una relación molar de alcohol a fósforo total, expresada como P_{4}O_{10,} de 4,75:1,00 (1,19 moles de alcohol por mol de fósforo). La temperatura del licor de la mezcla fácilmente agitada se estabilizó a la temperatura del baño de 50ºC en 15 minutos sin excederla, de modo que se calentó a 80ºC, valor en el que la temperatura y la agitación se mantuvieron durante nueve horas. Se añadió agua desionizada (3,5 g); se mantuvo a 80-82ºC durante dos horas adicionales; la mezcla se enfrió; y luego se embotelló antes de que solidificara.
Las relaciones en moles de fosfatos fueron 0,116 de ácido fosfórico, 0,783 de fosfato de monolaurilo y 0,101 de fosfato de dilaurilo. El alcohol residual determinado como porcentaje de productos no iónicos fue 16,8% con el porcentaje en peso de fosfatos calculado entonces como 3,6% de ácido fosfórico, 65,7% de fosfato de monolaurilo y 13,9% de fosfato de dilaurilo para una relación MAP:DAP de 82,5:17,5. Por lo tanto, se observó un ligero descenso de la concentración de ácido fosfórico, la relación MAP:DAP no resultó afectada, y el exceso de alcohol quedó esencialmente como diluyente no iónico.
Ejemplos 12-16
Los resultados de la Tabla 1 para los ejemplos 12-16, inclusive, demuestran que la variable crítica era la composición del propio reaccionante de fosfatación. En esta serie, el reaccionante se preparó por adición del Super Phos 105^{TM} al anhídrido fosfórico.
El intervalo evaluado define esencialmente el sorprendentemente estrecho intervalo requerido para producir las deseadas composiciones de ésteres. El límite superior de la concentración también se aproximó al límite práctico desde el punto de vista de la transferencia de reaccionante. En contraste con la simplicidad y conveniencia de la composición al 122,5% en el ejemplo 11, la viscosidad del reaccionante de fosfatación al 125% del ejemplo 13 fue tan alta que se requirió una temperatura del baño de aceite de 140ºC para mantener una buena agitación dentro de las limitaciones del aparato de laboratorio durante el periodo de envejecimiento. La velocidad de disolución del reaccionante de fosfatación fue también significativamente más lenta. La composición del reaccionante de fosfatación al 127% no se mezcló en una mezcla suave y uniforme, sino que más bien se aglomeró en grumos húmedos que pudieron ser movidos por la pala del agitador pero no agitados con eficacia. Se usó una temperatura de curado del baño de aceite de 100ºC, pero efectuó poco cambio aparente sobre este reaccionante de alto contenido de P_{4}O_{10}.
Se prepararon las concentraciones más bajas de reaccionante, es decir 119,9% y 115,1%, y se utilizaron sin complicación.
Los resultados muestran, como se esperaba, un aumento de la relación MAP:DAP cuando la composición se desplazaban de la rica en anhídrido fosfórico a la rica en ácido fosfórico. La relación MAP:DAP 70:30 producida por la composición al 125% es el límite inferior de las mezclas de productos que mostraron tener propiedades espumantes y de solubilidad útiles (H. Mori et al., Patente de EE.UU. 5.234.691, 19 octubre de 1993) y considerando otros factores de procesado tales como la viscosidad y las velocidades de disolución, define el límite superior del intervalo de composiciones deseable. Los resultados para la composición al 127% muestran que está fuera del intervalo de composiciones deseable.
La relación MAP:DAP producida por la composición al 119,9% estuvo en el intervalo favorable establecido por los primeros ejemplos, pero las concentraciones residuales de ácido fosfórico y de alcohol aumentaron notablemente. Estas tendencias fueron más pronunciadas para la composición al 115%, ejemplo 15. Un experimento testigo en el que se utilizó poli(ácido fosfórico) al 115% directamente para la fosfatación, ejemplo 16, produjo resultados similares mostrando que la composición del reaccionante de fosfatación y el procedimiento no ofrecen ninguna ventaja a esa concentración. El límite superior de procedimientos comerciales en los que se produce poli(ácido fosfórico) por deshidratación de ácido ortofosfórico es aproximadamente 117,5% debido a las viscosidades excesivamente elevadas resultantes de las cadenas largas de polímeros del anhídrido. Las viscosidades inferiores de incluso los reaccionantes de fosfatación de mayor concentración de esta invención son mucho más fácilmente manejables en un procedimiento comercial. Puesto que el reaccionante de fosfatación funciona como si fuese un poli(ácido fosfórico) a la concentración de 115%, sería de esperar que proporcionara un continuo de composiciones siendo su límite inferior pragmático aquel en
el que resulta poco práctico el uso de poli(ácido fosfórico) disponible comercialmente, aproximadamente 117-118%.
Ejemplo comparativo 1
Procedimiento de dos etapas: reacción de alcohol láurico con poli(ácido fosfórico) antes de la adición de anhídrido fosfórico
En un matraz de 1 L, equipado similarmente al del ejemplo 1, se combinaron a temperatura ambiente 81,1 g de ácido fosfórico al 105% (0,430 moles de ácido fosfórico, 0,179 moles de ácido pirofosfórico y 0,027 moles de ácido tripolifosfórico) y 37,0 g de alcohol dodecílico (láurico) (0,20 moles). La temperatura de la disolución agitada subió hasta un máximo de 35ºC en 10 minutos. La masa se calentó entonces a 72ºC, en donde se mantuvo durante 14 horas. La composición de fosfatos por análisis mediante ^{31}P-RMN de la masa viscosa y cremosa fue 0,600 moles de ácido fosfórico, 0,179 moles de fosfato de monolaurilo y 0,045 moles de ácido pirofosfórico, verificándose la conversión sustancial de los componentes del poli(ácido fosfórico) y la ausencia de fosfatos de dialquilo.
A 98,0 g de la mezcla anterior se añadieron 302,6 g de alcohol láurico (1,624 moles) y el licor se calentó a 52ºC para disolver la mezcla residual de fosfato. Así, la disolución que contenía ácido fosfórico y fosfato de alcohol se enfrió a 30ºC y se añadieron 74,9 g de anhídrido fosfórico en porciones casi iguales separadas por 25 minutos. La temperatura subió de 41ºC hasta un máximo de 61ºC 10 minutos después de finalizar la adición. El licor se calentó entonces a 80ºC y se mantuvo durante 18 horas, se añadieron 2,4 g de agua desionizada, la mezcla se agitó a 80ºC durante dos horas, se enfrió a 60ºC y se embotelló.
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Las materias primas totales cargadas fueron 1,788 moles de alcohol láurico (0,164 moles en el residuo y 1,624 en dos etapa), 0,719 moles de fósforo (como poli(ácido fosfórico) al 105%) y 0,264 moles de anhídrido fosfórico (1,055 moles de fósforo). La composición media del reaccionante de fosfatación calculada fue 122,7% de poli(ácido fosfórico) y la relación molar de alcohol a fósforo fue 1,008:1,000. Las relaciones molares de los productos fosfato fueron 0,146 de ácido fosfórico, 0,730 de fosfato de monolaurilo y 0,124 de fosfato de dilaurilo. La composición en peso fue 1,0% de compuestos no iónicos, 5,4% de ácido fosfórico, 73,3% de fosfato de laurilo y 20,3% de fosfato de dilaurilo, con una relación MAP:DAP de 78,3:21,7. Esta composición está por debajo de la relación 80:20 considerada como la mínima para una composición deseable de fosfato de monoalquilo y además por debajo de la relación 85:15 obtenida por la modificación de procedimiento de esta invención, incluso aunque la cantidad de producto fosfato de laurilo producida en la primera etapa fuese sólo aproximadamente 10% del alcohol total y la carga de reaccionante de fosfatación y no contenía ningún coproducto fosfato de dialquilo.
El procedimiento de la presente invención es decididamente superior al del ejemplo comparativo 1, publicado en la patente de EE.UU. 4.350.645, en la que el anhídrido fosfórico aparentemente no se añadió completamente en condiciones controladas de menores temperaturas inferior para minimizar la reacción directa entre el anhídrido fosfórico y el alcohol. La elevada cantidad de fosfato de dialquilo característica de esa reacción se refleja en la composición molar final de los productos, la cual fue ácido fosfórico 0,149, fosfato de monolaurilo 0,662 y fosfato de dilaurilo 0,189 (la conversión de la relación en moles MAP:DAP a la relación en peso dio 68,2:31,8) incluso aunque las relaciones globales de reaccionantes son una composición media de poli(ácido fosfórico) al 122,5% equivalente para el reaccionante de fosfatación, y la relación en moles de alcohol a fósforo es 1,00:1,00.
Ejemplos comparativos 2 y 3
Los siguientes experimentos se llevaron a cabo según la publicación de patente japonesa 42-6730.
Ejemplo comparativo con el ejemplo 1 de 42-6730
En un matraz de 500 mL equipado como en el ejemplo 1 de esta solicitud, se cargaron 186,31 g de alcohol dodecílico bajo un flujo positivo de gas argón. Se añadieron 23,40 g de ácido fosfórico al 85% al alcohol agitado y precalentado durante un periodo de 11 minutos, manteniéndose la temperatura a 42-44ºC. Se permitió que la temperatura del licor disminuyera de forma natural hasta 38ºC en siete minutos y se mantuvo a 35-38ºC durante dos horas con agitación continuada. El embudo de adición de líquidos se reemplazó por un embudo de adición de polvos de presión compensada, estanco al aire y alimentado por un tornillo, que contenía anhídrido fosfórico y se añadieron 56,72 g con agitación y enfriamiento intermitente durante un intervalo de 131 minutos para mantener la temperatura a 38-39ºC. La temperatura del licor se subió hasta 60ºC en 35 minutos y se mantuvo a 63-64ºC durante la mayor parte de las tres horas del periodo de cocción posterior a la adición. Se permitió que el licor se enfriara hasta 58ºC durante un periodo de cuatro minutos después, durante el cual se separó una muestra de 22,18 g.
A continuación, el licor se diluyó con 224,54 g de etanol anhidro y se transfirió cuantitativamente a un matraz de 3000 mL con cinco lavados de etanol anhidro; el peso total de diluyente etanol fue de 1215,23 g. La disolución se calentó a reflujo según el procedimiento de tratamiento tras la reacción descrito en la patente 42-6730. Se separó una porción de la disolución y se eliminó el etanol a vacío.
El análisis de la primera muestra, tomada después de terminar el procedimiento reivindicado en la patente 42-6730, por resonancia magnética nuclear cuantitativa de ^{13}C, mostró que la relación integral entre las señales del alcohol residual y las de los carbonos alfa combinados de los fosfatos de alquilo fue 7,3:92,7, estando de acuerdo la integral total de estos grupos con el valor del grupo terminal metilo y las señales bien resueltas individuales e internas de los grupos metileno. El espectro de resonancia magnética nuclear de P-31 mostró que la mezcla aún contenía 13,8% en moles de pirofosfatos intermedios. En vista del 7,3% en moles de alcohol sin reaccionar, y del 13,8 por ciento en moles de pirofosfatos residuales, fue imposible conseguir el rendimiento de 94,7% de éster fosfato de monododecilo comunicado por la publicación de patente japonesa 42-6730 sin ulterior reacción.
El análisis de la mezcla concentrada después del tratamiento con etanol, mostró que la cantidad de pirofosfatos intermedios se había reducido a aproximadamente 6,8 por ciento en moles, con aproximadamente una pequeña diferencia entre los grupos alquilados y no alquilados. Las regiones de las señales de ortofosfato de monoalquilo y dialquilo contenían ahora ambas señales que se solapaban que indicaban la formación de fosfatos sustituidos con el grupo etilo así como con el grupo dodecilo; es decir, algunos fosfatos de dialquilo podían contener tanto un grupo etilo como un grupo dodecilo y se produjo fosfato de monoetilo.
Similarmente, el espectro de C-13 confirmó la formación de especies de fosfatos de etilo, pero en una relación en moles de aproximadamente 12:88 a las señales de fosfato de dodecilo. Esta relación de aproximadamente el doble que la esperada de la reacción con la porción de los pirofosfatos que se consumieron, se explicó por el aumento de 5 por ciento en moles observado en el alcohol dodecílico residual, hasta 12,3%. Aparentemente, se había producido una pequeña cantidad de transesterificación.
En un experimento separado, se confirmó la ausencia de fosfatos de alquilo en el alcohol dodecílico-disolución de ácido fosfórico al 85% después del primer periodo de "reacción" (es decir, solamente estuvo presente el ácido ortofosfórico). Adicionalmente, se analizaron las dos porciones de la mezcla de productos purificada mediante separación del producto precipitado del producto soluble en etanol. El espectro P-31 de la torta del filtro mostró relaciones en moles de ácido fosfórico 8,6%, fosfatos de monoalquilo 53,5% y fosfatos de dialquilo 37,9%. El sólido obtenido por evaporación del etanol del filtrado fue ácido fosfórico 15,5%, fosfatos de monoalquilo 77,6% y fosfatos de dialquilo 7,0%. Por lo tanto, no se consiguió una separación eficiente en la etapa de purificación; se separó el fosfato de monododecilo en la torta del filtro y el fosfato de didodecilo permaneció en la disolución de etanol.
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Ejemplo comparativo con el Ejemplo 2 de 42-6730
A un matraz de 500 mL, equipado como en el ejemplo comparativo anterior, se añadieron 195,06 g de alcohol 2-etilhexílico bajo argón. El licor se calentó a 70ºC y se inició la adición de ácido fosfórico al 85%. Después de 18 minutos se detuvo la adición, para un total de 28,88 g, habiendo subido la temperatura a 73ºC. Se tomaron muestras de 10,09 g y 9,74 g después de 12 y 77 minutos, manteniéndose la temperatura a 72-73ºC. El espectro de RMN P-31 confirmó que solamente estaba presente el ácido fosfórico en ambos casos; no se produjo ninguna reacción con el alcohol para formar ésteres.
La disolución se enfrió a 41ºC y, corrigiendo las masas separadas como muestras, se añadieron 96,73 g de anhídrido fosfórico en un periodo de 98 minutos durante el cual se permitió que la temperatura subiese gradualmente hasta 47ºC. La reacción se continuó a la "misma temperatura" durante 30 minutos como se indicó en el ejemplo de la patente 42-6730 (realmente, la temperatura subió hasta 48ºC). Puesto que la mezcla estaba aún turbia con algunos fragmentos de anhídrido fosfórico remanente, se separaron para análisis 25,55 g. Las relaciones en moles de las señales en las regiones de ortofosfato (aproximadamente 1 ppm) a pirofosfato (aproximadamente 13 ppm) a polifosfato superior (aproximadamente 27 ppm) fueron 23,7:64,7:11,6, indicando una conversión limitada. Por lo tanto, el licor se calentó en la siguiente hora a 70ºC para comenzar un segundo periodo de reacción de 30 minutos, a 70-79ºC, asumiendo que "la misma temperatura" significaba la que se utilizó para el periodo de "reacción" del ácido fosfórico. El análisis de una muestra reciente de 25,87 g de la mezcla después de este periodo mostró que las relaciones entre las señales en las regiones de ortofosfato, pirofosfato y polifosfato eran 40,4:55,4:4,2, indicativo aún de una conversión muy
incompleta.
El licor remanente se diluyó con 230,60 g de etanol anhidro y se lavó en un matraz de 2000 mL con tres volúmenes de etanol reciente para un total de 1251,03 g de diluyente. La disolución se calentó luego a reflujo, el calentamiento se continuó durante 20 minutos, y luego se permitió que el líquido se enfriara de forma natural en el baño de aceite y se tomaron muestras. La disolución transparente se refrigeró a + 10ºC y se examinó periódicamente respecto a la formación de cristales. No se observó ninguno durante un periodo de siete días, de forma que se suspendió el tratamiento.
El espectro de RMN P-31 de la muestra final, después de su concentración, mostró que aún contenía una proporción significativa de pirofosfatos intermedios en relación en moles 32,0:68,0 con los ortofosfatos. El patrón de seis señales de pirofosfato fue esencialmente el mismo que el observado en la muestra tomada antes del tratamiento con etanol, indicando que el único cambio significativo había sido la conversión de una porción de los pirofosfatos en ortofosfatos. Ahora, los dos picos del éster de ortofosfato (mono y dialquilo) tenían ambos picos laterales más pequeños que mostraban la presencia de grupos etilo así como de grupos 2-etilhexilo de cada producto.
El espectro de RMN C-13 confirmó la formación de fosfatos de mono y dialquilo sustituidos con grupos etilo así como con grupos 2-etilhexilo. La relación en moles de grupos fosfato de etilo a grupos fosfato de 2-etilhexilo fue 21:79.
Aunque la cantidad de las diversas especies de fósforo sería difícil de calcular a partir de los espectros finales, debido al solapamiento de las señales de los grupos etilo y 2-etilhexilo, puede calcularse una estimación de la composición final que se habría producido a partir de la mezcla tratada previamente con etanol si se hacen las suposiciones razonables de que los piro y tripolifosfatos intermedios se convirtieron en ortofosfatos sólo por reacción con alcohol 2-etilhexílico y no se produjo ninguna transesterificación significativa (en este ejemplo, tal conversión completa no habría ocurrido ¡debido a que el reaccionante de fosfatación estaba en exceso!). Los porcentajes en moles de la composición así estimada sería ácido fosfórico 12,6%, fosfato de mono(2-etilhexilo) 63,9% y fosfato de di(2-etilhexilo) 23,6%. La conversión a porcentajes en peso normalizados (los valores serían menores si estuviese presente alcohol residual) serían ácido fosfórico 5,5 por ciento en peso, fosfato de mono(2-etil-hexilo) 60,3 por ciento en peso y fosfato de di(2-etilhexilo) 34,2%. La relación en peso MAP:DAP calculada sería 63,9:36,1.
Los datos anteriores muestran que el procedimiento reivindicado no fue suficiente para completar la conversión de los reaccionantes alcohol o derivados del fósforo en ortofosfatos. No se produjo ninguna formación de fosfatos de alquilo en la primera etapa de reacción de ácido fosfórico al 85% con el alcohol, y completar la reacción después de la adición de anhídrido fosfórico requirió el procedimiento de trabajo que implicaba la disolución en un gran exceso del etanol y aún otro un periodo de calentamiento adicional, indefinido, para completar la conversión.
En ambos ejemplos, las mezclas de productos antes e incluso después de la segunda etapa de reacción con etanol, produjeron mezclas que contenían altas concentraciones de alcohol residual de partida, ácido fosfórico residual y/o fosfato de dialquilo tal que los rendimientos de 94,7 y 90,2% de fosfato de monoalquilo comunicados no estuvieron presentes en ningún momento durante el procedimiento.
Finalmente, el segundo ejemplo utilizando una composición de reaccionante de fosfatación efectivamente equivalente a 125,9% en peso de poli(ácido fosfórico), aproximándose al extremo superior del intervalo de 91,4 a 126,8% descrito en el caso del documento 42-6730, estuvo fuera de la máxima concentración útil de 125% definida en la presente memoria y, como se esperaba, produjo una relación en peso menor que 70:30 de fosfatos de monoalquilo a dialquilo definida como funcional pero marginalmente aceptable por sus prestaciones (véanse los ejemplos 12 y 13 en la Tabla 1 adjunta) y ciertamente menor que las relaciones 80:20 preferidas producidas en la presente invención.
2

Claims (2)

1. Composición producida mezclando íntimamente y haciendo reaccionar exclusivamente a una temperatura de la temperatura ambiente a 180ºC una cantidad efectiva de anhídrido fosfórico con de 75% en peso a 117% en peso de ácido fosfórico (54% en peso a 85% en peso de P_{4}O_{10}), para producir una suspensión o pasta uniforme que tiene un porcentaje en peso efectivo equivalente de ácido fosfórico de 121 a 124.
2. Composición según la reivindicación 1, en la que el porcentaje en peso efectivo equivalente de ácido fosfórico es de 121 a 123.
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