Способ получения 1-хлорадамантана, 1- и 4-хлордиамантанов

 

Изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения монохлорзамещенных производных адамантана и диамантана, которые применяют в производстве термо- и хемостойких полимеров, служат исходным сырьем для синтеза лекарственных препаратов и используются в синтезе других производных адамантаноидов (амины, спирты, кислоты). Способ осуществляют путем каталитического хлорирования адамантана и диамантана четыреххлористым углеродом. В качестве катализатора используют такие соли марганца, как MnSO₄, Мn(С₁₇Н₃₅СO₂)₂ (стеарат), Mn(OAc)₂, Мn(асас)₃, MnCl₂, активированные нитрильными лигандами (СН₃СN, СН₃СН₂СN, PhCN, CH₂(CN₂)₂). Мольное соотношение [Мn] : [RCN] :[адамантан или диамантан]:[CCl₄]=1:2-4:1000:1000-5000. Процесс ведут при температуре 200^oС в течение 0,5-8 ч. Технический результат - увеличение конверсии адамантаноидов до 100%. 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности, к способу получения монохлорзамещенных производных адамантана и диамантана (1-хлорадамантана, 1и 4-хлордиамантанов) где (1) - адамантан, (2) - диамантан, (3) - 1-хлорадамантан, (4) - 4-хлордиамантан, (5) - 1-хлордиамантан.

Монохлорпроизводные адамантаноидов находят широкое применение в производстве термо- и хемостойких полимеров, служат исходным сырьем для синтеза лекарственных препаратов и используются в синтезе других производных адамантаноидов (амины, спирты, кислоты и т.д.) (Е.И. Багрий. Адамантаны. М.: Наука, 1989. С. 264 [1]; R.С.Fort, Adamantane: The Chemistry of Diamond Molecules. N.J.Dekker, 1976, 385 р. [2]).

Наиболее известным методом получения 1-хлорадамантана (3) является хлорирование адамантана с помощью свободного Сl₂ путем инициирования реакции УФ-облучением. Максимальная селективность реакции по 1-хлорадамантану (3) достигается при фотохимическом хлорировании в среде ССl₄ или CS₂ при комнатной температуре и продолжительности реакции 3 часа (В.А. Некрасова, Н.И. Шуйкин. Изв. АН СССР. Сер. хим. 3, 714 (1969) [3]).

Фотохимический способ получения 1-хлорадамантана из хлора и адамантана имеет ряд недостатков.

1. Метод является нетехнологичным и экологически опасным из-за токсичности, летучести и высокой активности хлора.

2. Хлор является высокоагрессивным продуктом и большинство сталей при контакте с ним подвергается коррозии, которая усиливается при наличии влаги, поэтому технологическое оборудование должно быть из дорогостоящего титана, выдерживающего агрессивное воздействие хлора и высокие давления.

3. Фотохимические реакции проходят исключительно в прозрачном стеклянном или кварцевом реакторах, следовательно, метод характеризуется низкой производительностью и трудно масштабируется.

Одним из известных в литературе методов синтеза 1- и 4-хлордиамантанов (4, 5) (в виде смеси изомеров в соотношении 1:1) является взаимодействие полициклического углеводорода тетрагидробинора-S (6) (имеет такой же углеводородный состав, что и диамантан) с хлористым ацетилом в растворе дихлорметана в присутствии эквимольного количества АlСl₃ при 0^oС в течение 12-22 ч (D. Faulkner, R.A. Glendinning, D.E. Johnston, M.A. McKervey. Tetrahedron Letters, 20, 1671 (1971) [4]). Общий выход (4, 5) при этом составил 80% [4].

Данный метод, несмотря на высокий выход целевых продуктов, имеет ряд существенных недостатков.

1. Большой расход катализатора АlСl₃ приводит к образованию значительного количества трудноутилизируемых отходов (АlСl₃6Н₂O, Аl(ОН)₃, НСl).

2. Необходимость использования интенсивного перемешивания, охлаждения создает проблемы с соблюдением технологического режима.

3. Использование в качестве хлорирующего агента труднодоступного хлористого ацетила является неоправданным, т.к. его получают хлорированием уксусной кислоты с помощью РСl₃, РСl₅ или SOCl₂ (Г. Либ, В. Шенигер "Синтез органических препаратов из малых количеств веществ". Госхимиздат, 1957, Л., с. 53 [5]). РСl₃, PCl₅ и SOCl₂ сами являются хлорирующими агентами, следовательно, использование АсСl для проведения хлорирования обозначает появление лишней стадии.

4. Существенная продолжительность реакции (22 ч). 1-Хлорадамантан (3) можно селективно получить хлорированием адамантана (1) с помощью хлорсульфоновой кислоты (Б. М. Лерман, З.Я. Арефьева, А.Р. Кузиев, Г.А. Толстиков. Изв. АН СССР, Сер. хим. 4, 884 (1971) [6]). Реакция осуществляется при пониженных температурах (-5^oС) с большим избытком хлорирующего агента: мольное соотношение [AdH]: [ClSO₂OH] = 1: 8-10.

Этот метод имеет следующие недостатки.

1. Необходимость использования низких температур (-5^oС).

2. Большой расход хлорирующего агента.

3. Высокая коррозионная активность хлорсульфоновой кислоты и продуктов ее гидролиза (НСl,H₂SO₄).

4. Большие трудности при выделении целевого продукта из-за использования избытка ClSO₂OH, которую необходимо нейтрализовать и разложить при низкой температуре (водой, NaHCO₃, Na₂CO₃).

Для синтеза 1 и 4-хлордиамантанов также использовали ClSO₂OH (T. Courtney, D. E. Johnston, M. A. McKervey, J.J. Rooney. J.C.S. Perkin, 2691 (1972) [6]).

Этот метод неудобен для препаративных целей, т.к. требует большого расхода хлорирующего агента (мольное соотношение [диамантан]:[СlSO₂OН]=1:58) и низких температур. Из-за применения большого избытка хлорсульфоновой кислоты создаются большие трудности, при выделении целевых продуктов (4, 5) реакционная масса выливается на лед, хлорсульфоновая кислота гидролизуется с образованием НСl и Н₂SO₄ (водный раствор - отходы производства), продукты (4) и (5) экстрагируют эфиром из высококонцентрированого водного раствора серной и соляной кислот. Эта операция опасна и проводить ее необходимо в стеклянном оборудовании или в реакторах из специальных сортов стали.

Известен метод получения индивидуальных 1- и 4-хлордиамантанов (4, 5) хлорированием 1-диамантанола (7) и 4-диамантанола (8) соответственно с помощью хлористого тионила (G. Ola, P. Schilling, R. Renner, J. Kerekes, J. Org.Chem. 1974, 39, 3472-3476 [7]).

Однако данный метод сложно использовать для синтеза значительных количеств продуктов (4) и (5), т.к. исходные спирты (7,8) сами были получены из хлоридов (4, 5) и разделены с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии [6].

Удобным методом получения хлорпроизводных адамантана является хлорирование адамантана с помощью четыреххлористого углерода, который выполняет две функции, одновременно являясь хлорирующим агентом и средой (H. Stetter, M. Krause, W.-D.Last, Angew.Chem., 80, N 22, 970-971 (1968) [8]. Реакция является каталитической и осуществляется в присутствии кислот Льюиса, предпочтительно АlСl₃. Однако хлорирование адамантана протекает неселективно с образованием смеси 1-хлор-(3) и 1,3-дихлорадамантанов (9) с преобладанием последнего. Процесс проходит в мягких условиях (20^oС, 4 ч), но с большим избытком катализатора АlСl₃ мольное соотношение [Аd]:[АlСl₃]=1:1).

При замене АlСl₃ на другой катализатор FеСl₃/К₁₀ (хлорное железо, нанесенное на катионит) селективность реакции по (3) снижается до 2% (P. Kovacic, J. - H. Chen. Chang. J. Org. Chem., 36, 3188 (1971) [9].

Этот способ имеет существенные недостатки.

1. Низкий выход 1-хлорадамантана (2-13%).

2. Большой расход катализатора (АlСl₃ используется в эквимольном количестве по отношению к адамантану).

3. Из-за большого расхода АlСl₃ сильно усложняется выделение и очистка 1-хлорадамантана. После окончания процесса в реактор добавляется вода (или раствор НСl), которая энергично реагирует с безводным АlСl₃ (образование кристаллогидрата АlCl₃6H₂О сопровождается с выделением большого количества тепла). При гидролизе выделяется свободная НСl, которая способствует коррозии реакторов.

4. Образуется большое количество неорганических отходов (AlCl₃6Н₂O, Аl(ОН)₃, НСl) и сточных вод, которые необходимо нейтрализовать.

Более удобным способом хлорирования адамантаноидов является хлорирование с помощью хлороформа под действием катализаторов: солей и комплексов солей, таких как FeBr₂, Fе(асас)₃, NiBr₂, Ni(acac)₂, СrСl₃, Сr(асас)₃, СоСl₂, СоВr₂, Со(асас)₂, Со(асас)₃, предварительно активированных при 200^oС в течение 3 часов в среде СНСl₃ в герметичном автоклаве.

Хлорирование проводят при 200^oС в течение 6 ч при мольном соотношении [AdH] :[Kat]:[CHCl₃]=1:0,01:3-17 и выход 1-хлорадамантана (3) достигает 77%, 1 и 4-хлордиамантанов (4, 5) - 75% (а.с. 96123148/04 от 27.08.98, У.М. Джемилев, Р.И. Хуснутдинов, Н.А. Щаднева, А.И. Маликов. Способ получения монохлорзамещенных производных адамантана и диамантана [10]).

Процесс отличается селективностью по монохлорадамантаноидам, замещенным в узловых положениях.

Метод имеет следующие недостатки.

1. Умеренный выход - 77%
2. Значительная длительность процесса - 9 ч (3 ч - активация катализатора, 6 ч - процесс хлорирования).

При использовании реакции хлорирования адамантана с помощью ССl₄ Со-содержащего катализатора (Патент РФ 2125551, У.М. Джемилев, Р.И. Хуснутдинов, Н. А. Щаднева, В.Н. Латыпов. Способ получения смеси 1-хлор-и 1,3-дихлорадамантанов. [11] ) образуется смесь 1-хлорадамантана (31%) и 1,3-дихлорадамантана (69%) при 150^oС в течение 3-5 ч.

Главным недостатком этого способа является неселективность процесса, так как выход 1-хлорадамантана (3) не превышает 31%.

1-Хлорадамантан (3) был получен при хлорировании адамантана с помощью ССl₄ под действием Rh-содержащих катализаторов: Rh(PPh₃)₃Cl, [Rh(CO)₂Cl₂]₂,
Rh₄(CO)₁₂ при мольном соотношении [AdH]:[Rh]:[CCl₄]=1:0,01:3 (Патент РФ 2126784, У.М. Джемилев, Р.И. Хуснутдинов, Н.А. Щаднева, В.Н. Латыпов. Способ получения 1-хлорадамантана [12]).

Родийсодержащий катализатор хлорирования адамантана имеет следующие недостатки.

1. Низкая активность.

2. Низкая производительность (оптимальное мольное соотношение [Rh]:[AdH] составляет 1:100) катализатора. Этот недостаток является существенным из-за дороговизны солей родия: по каталогу фирмы "Aldrich" (1996-1997 г.) стоимость 1 г комплексов родия достигает Рh(РРh₃)₃Сl и [Rh(CO)₂Cl]₂ - по 215 долларов США/1 г (стр. 1374), Rh(acac)₃ - 124,2 доллара/1 г (стр. 1300).

Авторами предлагается способ получения монохлорпроизводных адамантана и диамантана, не имеющий указанных недостатков.

Сущность способа заключается в хлорировании адамантана и диамантана с помощью четыреххлористого углерода под действием солей и комплексов марганца, таких как MnSO₄, Mn(C₁₇H₃₅CO₂)₂ (стеарат), Мn(асас)₂, Мn(ОАс)₂, МnСl₂, активированных нитрильными лигандами (CH₃CN, СН₃СH₂СN, PhCN и др.) при 200^oС в течение 1 ч, при мольном соотношении [Mn]:[RCN]:[AdH] или [диамантан]:[ССl₄]=1:2-4:1000:1000-5000, предпочтительно 1:2:1000:3000.

В оптимальных условиях (200^oС, 1 ч, при мольном соотношении [Mn]:[RCN]: [AdH] :[CCl₄]=(1:2:1000:3000) выход монохлорадамантанов (3, 4 и 5) достигает 89-98% при полной конверсии исходных адамантаноидов (1, 2).

Процесс отличается высокой селективностью по монохлорадамантаноидам, замещенным в узловых положениях (отсутствуют примеси дихлорзамещенных и замещенных в мостиковых положениях атомов углерода адамантаноидных структур).

Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа.

1. B качестве комплексных катализаторов хлорирования адамантана и диамантана с помощью четыреххлористого углерода используются соединения марганца, активированные нитрильными лигандами.

2. Для получения хлорадамантаноидов хлорированием с помощью четыреххлористого углерода используются дешевые и доступные катализаторы на основе соединений марганца.

3. Если в известном методе хлорирования родиевый катализатор используется в соотношении [Rh]:[AdH]=l:100, то в предлагаемом только 0,001 молей катализатора по отношению к адамантану (или диамантану).

Преимущества предлагаемого метода заключаются в следующем.

1. Высокий выход целевого продукта и высокая селективность процесса по монохлорзамещенным производным адамантана и диамантана (98%).

2. Низкий расход катализатора.

3. Упрощение процедуры выделения целевых продуктов из-за использования небольших количеств катализатора и отсутствия побочных продуктов реакции.

4. Уменьшение количества отходов из-за низкого расхода катализатора.

5. Доступность и дешевизна используемых катализаторов.

6. Непрореагировавший CCl₄ без дополнительной очистки может быть возвращен в реакцию.

7. Удешевление себестоимости, уменьшение трудо- и энергозатрат, экологическая безопасность.

Предлагаемый способ поясняется примерами:
ПРИМЕР 1. Реакции проводили в стеклянной ампуле (V=20 мл) или стальном микроавтоклаве (V=17 мл) (результаты параллельных опытов практически не отличаются).

В стеклянную ампулу помещали 0,002 ммоля катализатора Мm(асас)₃, 0,004 ммоля ацетонитрила, 0,27г (2 ммоля) адамантана, 0,5-3 мл четыреххлористого углерода. Ампулу запаивали и нагревали на масляной бане в течение 1 часа при 200^oС.

После окончания реакции ампулу охлаждали до комнатной температуры, вскрывали, реакционную массу фильтровали, через слой Аl₂О₃ (2 гр).Непрореагировавший CCl₄ отгоняли, остаток перегоняли в вакууме с воздушным холодильником (78-82^oС/1 мм) - при этом происходит возгонка 1-хлорадамаптана (3). Выделенный (3), перекристаллизованный из метанола. имел t^o пл. 164-165^oС (лит. данные 163-164^oС) [3, 4, 6].

Получено 0,33 г 1-хлорадамантана, выход 98%.

ПРИМЕР 2. В стеклянную ампулу емкостью 20 мл (или в стальной микроавтоклав V=17 мл) помещали 0,002 ммоля катализатора Мn(ОАс)₂, 0,004 ммоля ацетонитрила, 0,38 г (2 ммоля) диамантана, 1-3 мл четыреххлористого углерода. Ампулу запаивали (микроавтоклав герметично закрывали) и нагревали на масляной бане при 200^oС 1 час. После окончания реакции ампулу охлаждали до комнатной температуры, вскрывали, реакционную массу фильтровали через Аl₂О₃ (2 г), непрореагировавший ССl₄ отгоняли, остаток кристаллизовали из ацетона для удаления непрореагировавшего диамантана. Выход хлорадамантанов составил 95%. Разделение изомеров проводилось методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Соотношение 1-и 4-хлордиамантанов ~47-53.

1-Хлордиамантан (4): т. пл. = 250-252,5^oС
ИК-спектр (V_max, см^-1): 1067, 972, 880, 808, 720
Спектр ПМР ¹Н (,, м. д,, CDCl₃, TMS): 2,43 (к, 2Н, С³, С¹⁴), 2,14 (д, 2Н, С¹³), 1,88 (м, 5Н, С², С⁷, С⁹, С¹¹, С¹²), 1,25-1,60 (м, 10 Н).

Спектр ЯМР ¹³С (,, м. д, CDCl₃, TMS): 24,86 д (С⁴), 30,46 д (С⁹), 33,10 т (С³), 36,90 д (С⁶), 37,25 д (С⁸, С¹⁰), 37,89 т (С⁵), 40,55 д (С⁷, С¹¹), 44,66 д (С², С¹²), 49,16 т(C¹³),76,27 c (C¹).

М/е 224.

4-Хлордиамантан (5): т. пл. = 75-76^oС
ИК-спектр (V_max, см^-1): 1079, 1070, 1049, 1044, 982. 969, 852, 829, 797, 709, 529.

Спектр ПМР ¹Н (,, м. д., CDCl₃, TMS): 2,09 (д, 6Н, С³, С⁵, С¹⁴), 1,74 (ш.с, 3Н, С², С⁶, С¹²), 1,27-1,65(м, 10Н).

Спектр ЯМР ¹³С (,, м.д., CDCl₃, TMS) 25,00 д (С⁹). 35,12 д (C¹, C⁷, C¹¹), 36,65 т (С⁸, С¹⁰, С¹³), 40,22 д (C₂, С⁶, С¹²), 47,77 т (С³, С⁵, С¹⁴), 65,6 с (С⁴).

М/е 224.

По этой же методике были проведены все остальные опыты, результаты которых приведены в таблице 1.

Установлено, что оптимальной является температура 200^oС, при более низкой температуре снижается конверсия исходных адамантана и диамантана (1, 2), а при более высокой - наблюдается образование смолистых продуктов. При 200^oС оптимальной продолжительностью реакции является 1 час. При увеличении продолжительности опыта наблюдается образование полихлорированных адамантаноидов.

Формула изобретения

Способ получения 1-хлорадамантана, 1- и 4-хлордиамантанов общей формулы



каталитическим хлорированием адамантана и диамантана с помощью четыреххлористого углерода, отличающийся тем, что в качестве катализаторов хлорирования используют соли марганца (MnSO₄, МnСl₂, Мn(С₁₇Н₃₅СO₂)₂ (стеарат), Мn(ОАс)₂, Мn(асас)₃), активированные нитрильными лигандами (СН₃СN, CH₃CH₂CN, PhCN, CH₂(CN)₂) при температуре 200^oC в течение 0,5-8 ч при мольном соотношении [Mn] : [RCN] : [AdH или диамантан] : [ССl₄] = [1] : [2-4: [1000] : [2000-5000] .

РИСУНКИ

Рисунок 1