Способ получения адамантанола-1

Изобретение относится к способу получения адамантанола-1 - ценного компонента смазочных масел, гидравлических и трансмиссионных жидкостей. Способ включает окисление адамантана метилгипобромитом или бромноватистой кислотой, генерированными in situ из четырехбромистого углерода и метанола или воды, в присутствии катализаторов - соединения молибдена Мо(СО)₆ в случае использования метилгипобромита или бромноватистой кислоты, или соединения меди Cu(асас)₂ в случае использования метилгипобромита, при температуре 100-150°С в течение 3-6 ч при мольном соотношении [Мо(СО)₆ или Cu(асас)₂]:[адамантан]:[CBr₄]:[метанол или вода]=1:100:100:1000-5000. Способ позволяет удешевить себестоимость и упростить технологию процесса за счет уменьшения энерго- и трудозатрат.1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения адамантанола-1.

Адамантанол-1 и его производные (простые эфиры, продукты его окисления - кетоны, гидроксикетоны) вследствие высокой термостабильности, удовлетворительных реологических характеристик и бактерицидных свойств представляют большой интерес в качестве ценных компонентов смазочных масел, гидравлических и трансмиссионных жидкостей.

Адамантанол-1 является исходным сырьем для получения таких ценных лекарств как амантадин (симметрел), ремантадина и кемантана (Е.И.Багрий. Адамантаны. М.: Наука, 1989, 264 с.[1]).

Адамантанол-1 (2) обычно получают каталитическим окислением легкодоступного адамантана (1) различными окислителями.

Для каталитического окисления адамантана были использованы такие окислители, как кислород, пероксид водорода, гидропероксиды, йодозобензол и др. Так, окислить адамантан кислородом можно в условиях фотокатализа в присутствии церийаммонийнитрата (E.Baciocchi, G.V.Sebastiani. Tetrahedron Lett., Vol.28, N17, 1941-1944 (1987) [2]). Реакция протекает с образованием на первой стадии 1-адамантилгидропероксида, который затем превращается в адамантанол-1 с достаточно высокой селективностью ˜90%

Метод имеет ряд существенных недостатков:

1. Необходимость проведения фотохимической реакции в стеклянных и кварцевых реакторах, объем которых строго ограничен.

2. Взрыво- и пожароопасность процесса из-за использования активного окислителя - кислорода.

В работе (N.Kitajima N., M.Jto, H.Fukui, J.Moro-oka. J. Chem. Soc. Chem. Commun. N2. 102-104 (1991) [3]) описано каталитическое окисление адамантана с помощью O₂ и Н₂О₂ в присутствии комплексов железа. Процесс проходит в мягких условиях (25°С, 3ч), при обязательном присутствии металлического цинка

[Fe]=[Fe(HBpZ₃)(hfacac)₂O, где HBpZ₃-гидротрис-1-пирозолилборат, hvacac-гексафторацетилацетон

Роль переходного металла в процессах окисления углеводородов кислородом сводится по-видимому, прежде всего, к активации окислителя. В пользу такого предположения может служить пример по окислению адамантана комплексом рутения, содержащего в координационной сфере дикислород. Данный комплекс является сильным окислителем. Так, взятый в стехиометрическом соотношении к адамантану он селективно окисляет последний, превращая его в адамантанол-1 с выходом 61% (C.M.Che, W.H.Leung, C.K.Li, C.K.Poon. J. Chem. Soc. Dalton Trans. N 3, 379-384 (1991) [4])

Недостатки методов:

1. Труднодоступность и дороговизна катализаторов (комплексов).

2. Большой расход катализатора (стехиометрические количества).

3. Значительные трудности при выделении целевого продукта из-за неполной конверсии исходного соединения и образования побочных продуктов: адамантанола-2 (3) и адамантанона-2 (4).

4. Процесс нетехнологичен из-за невозможности повторного использования катализатора.

Порфириновые комплексы марганца катализируют окисление адамантана такими окислителями как хлорит натрия, монопероксифталат магния и пероксосульфат калия при использовании в качестве сокатализаторов азотистых оснований и межфазных катализаторов. Так, хлорит натрия в присутствии катализатора MnCl·(ТМР) (ТМР-5,10,15,20-тетракис-(2,4,6-триметилфенил)порфириндианион) и 4-третбутилпиридина активно окисляет адамантан с преимущественной атакой третичного углеродного атома (Е.И.Багрий, А.И.Нехаев. Нефтехимия, т.36, №6, 483-494 (1996) [5]).

При окислении адамантана монопероксифталатом магния в присутствии комплекса марганца с 5,10,15,20-тетракис(2,6-дихлорфенил)порфирином конверсия адамантана составила 84%, при селективности реакции по адамантанолу-1 (2) ˜42%, остальная часть продуктов не была идентифицирована.

Недостатки метода:

1. Труднодоступность и дороговизна катализатора.

2. Использование большого количества неорганического окислителя, который практически нерастворим в органических растворителях.

3. Неселективность процесса.

4. Низкий выход целевого продукта.

5. Сложности в процессе выделения адамантанола-1 из-за образования побочных продуктов и значительного количества отходов (NaCl).

Карбоксилатный комплекс марганца состава Mn₄ ³⁺O₂[(CH₃)₃(COO)₆(OH)₂ катализирует гидроксилирование адамантана третбутилгидропероксидом (K.L.Taft, R.J.Kulawiec, J.E.Sarneski, R.H.Crabtree. Tetrahedron Lett., Vol.30, N4, 5689-5692 (1989) [6]; Г.Б.Шульпин. Нефтехимия, Т.41, №6, 440-448 (2001) [7]). Реакцию проводят в CH₂Cl₂ или смеси СН₂Cl₂ с бензолом при комнатной температуре. Основным продуктом реакции является адамантанол-1 (2). Окисление адамантана под действием биядерных комплексов марганца, активированных хелатными лигандами (в частности, N,N'-диметил-N,N'-бис(2-пиридилметилэтилен-1,2-диамином) может быть осуществлено не только третбутилгидропероксидом, но и йодозобензолом [6]

Недостатки метода:

1. Сложности синтеза катализатора.

2. Большой расход окислителей.

3. Неселективность процесса.

Каталитическое окисление адамантана с образованием смеси трех кислородсодержащих продуктов: адамантанола-1, адамантан-1,3-диола (5) и адамантанона-2 (4) было осуществлено с использованием в качестве окислителя 2,6-дихлорпиридин-N-оксида под действием порфириновых комплексов рутения, в частности тетрафенилпорфиринаторутенийкарбонила (Ru(TPP)(CO)) (H.Higuchi, M.Hirobe. J.Am. Chem. Soc. Vol.114, 10660-10662 (1992) [8]) отличительной особенностью окислительной системы 2,6-дихлорпиридин-N-оксид-Ru(ТРР)(СО) является чрезвычайно малый расход катализатора, который при соотношении [субстрат]:[окислитель]:[катализатор]=20000:20000:1 обеспечивает почти количественный выход кислородсодержащих продуктов [8]

Недостатки метода:

1. Низкая селективность процесса.

2. Умеренный выход целевого продукта из-за образования побочных продуктов.

3. Труднодоступность и дороговизна окислителя и катализатора.

4. Сложности при выделении целевого продукта.

Соединения рутения катализируют окисление адамантана с помощью периодата натрия при 40°С (J.M.Bakke, M.Lundquist. Acta Chem. Seand. Ser. B. Vol.40, N6, 430-433 (1986) [9]). Реакция идет селективно по узловому углеродному атому в среде ацетонитрила, четыреххлористого углерода и воды. Катализатором служит RuO₄, при этом его не готовят специально, а добавляют в реакционную смесь RuCl₃, Н₂О и смесь долго нагревают (26 час.). За это время реагирует 81% адамантана, а содержание адамантанола-1 в реакционной смеси составляет 82%. Не менее эффективен в этих условиях диоксид рутения RuO₂

На основании сходства по трем признакам (исходный реагент - адамантан, присутствие галоидметана и воды, использование катализатора, образование в результате реакции адамантанола-1) за прототип взят метод окисления адамантана с помощью периодата натрия под действием соединений рутения [9].

Прототип имеет следующие недостатки:

1. Труднодоступность и дороговизна катализатора.

2. Длительность процесса (26 часов).

3. Образование стехиометрического количества сильной кислоты HJO₄ (которая обладает высокой окислительной активностью), необходимость ее нейтрализации и образование неорганических отходов и сточных вод, которые необходимо утилизировать.

4. Усложнение процедуры выделения и очистки целевого продукта из-за неполной конверсии адамантана.

Авторами предлагается способ получения адамантанола-1, не имеющий указанных недостатков.

Сущность способа заключается в окислении адамантана с помощью метилгипобромита (MeOBr) или HOBr, которые в условиях реакции генерируются in situ из CBr₄ и МеОН или Н₂О под действием соединений молибдена или меди, таких как Мо(СО)₆ или Cu(асас)₂ при 100-150°С в течение 3-6 часов, при мольном соотношении [Мо или Cu]:[AdH]:[CBr₄]:[MeOH или Н₂O]=1:100:100:1000-5000, предпочтительно 1:100:100:3000.

Окисление адамантана под действием Мо(СО)₆ проходит с помощью MeOBr и HOBr, а в присутствии Cu(асас)₂ - только MeOBr, так как вода дезактивирует медьсодержащий катализатор. В оптимальных условиях при конверсии адамантана 85% единственным продуктом реакции является адамантанол-1.

Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа:

1. Для получения адамантанола-1 окислением адамантана используются системы CBr₄-МеОН-Мо(СО)₆, CBr₄-МеОН-Cu(асас)₂, CBr₄-Н₂O-Мо(СО)₆, генерирующие in situ сильные окислители метилгипобромит и бромноватистую кислоту.

Преимущества предполагаемого метода:

1. Доступность и дешевизна катализаторов.

2. Уменьшение продолжительности реакции (3-6 часов).

3. Отсутствие агрессивных окислителей.

4. Удешевление себестоимости и упрощение технологии в целом за счет уменьшения энерго- и трудозатрат.

5. Селективность процесса.

Предлагаемый способ поясняется примерами:

ПРИМЕР 1. Реакции проводили в стеклянной ампуле (V=20 мл) или микроавтоклаве из нержавеющей стали (V=27 мл).

В микроавтоклав (ампулу) под аргоном помещали 0.1 ммоль Мо(СО)₆ [или Cu(асас)₂], 10 ммоль адамантана, 10 ммоль CBr₄ и 100-500 ммоль МеОН [или Н₂О] (которые играют роль реагента и растворителя одновременно), автоклав герметично закрывали (ампулу запаивали) и нагревали при 100-150°С в течение 3-6 часов. После окончания реакции микроавтоклав (ампулу) охлаждали до ˜20°С, вскрывали, реакционную массу при проведении реакции в метаноле фильтровали через слой силикагеля (2 г), непрореагировавший метанол отгоняли, остаток перегоняли в вакууме с воздушным холодильником.

При проведении реакции в воде реакционную смесь экстрагировали хлористым метиленом (5 мл × 3р), растворитель отгоняли, остаток кристаллизовали из этанола.

Выделенный адамантанол-1 имел т.возг.92°С/10 Па и т.пл. 246-247°С (субл.). ИК-спектр (ν, см^-1): 1150, 3600 (ОН). Спектр ЯМР ¹³С (CDCl₃, δ, м.д, TMS): 67.90 (С-1), 45.32 (С-2, С-8, С-9), 30.85 (С-3, С-5, С-7), 36.15 (С-4, С-6, С-10). Масс-спектр, m/z (J_отн (5)):152 [М]=(24), 29 (7), 39 (10), 41 (12), 43 (15), 53 (5), 55 (7), 67 (5), 77 (7), 79 (5), 94 (14), 95 (100), 96 (7), 109 (5).

Найдено (%): С, 78.87; Н, 10.57. С₁₀Н₁₆О. Вычислено (%): С, 78.90; Н, 10.60.

Другие примеры, подтверждающие способ, приведены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты опытов по синтезу адамантанола-1 с помощью МеОН (или Н2О) и CBr4 под действием медь- или молибденсодержащих катализаторов
№№п/п	Катализатор	ROH	Мольное соотношение [kat]:[AdH]:[CBr4]:[ROH]	Температура, °С	Время реакции, ч	Выход Ad-OH, %
1	2	3	4	5	6	7
1.	Cu(acac)2	МеОН	1:100:0:500	150	6	0
2.	-″-	-″-	1:100:100:500	100	-″-	26
3.	-″-	-″-	1:100:100:1000	100	-″-	31
4.	-″-	-″-	-″-	150	3	38
5.	-″-	-″-	1:100:100:5000	-″-	-″-	63
6.	Мо(СО)6	-″-	1:100:100:3000	100	6	56
7.	-″-	-″-	-″-	150	3	74
8.	-″-	Н2O	-″-	-″-	ч	85
9.	Cu(асас)2	-″-	-″-	-″-	6	0

Способ получения адамантанола-1 общей формулы

каталитическим окислением адамантана, отличающийся тем, что в качестве окисляющих агентов используют метилгипобромит или бромноватистую кислоту, генерированные in situ из четырехбромистого углерода и метанола или воды, в присутствии катализаторов - соединения молибдена Мо(СО)₆ в случае использования метилгипобромита или бромноватистой кислоты или соединения меди Cu(асас)₂ в случае использования метилгипобромита при температуре 100-150°С в течение 3-6 ч при мольном соотношении [Мо(СО)₆ или Cu(асас)₂]:[адамантан]:[CBr₄]:[метанол или вода]=1:100:100:1000-5000.