Способ получения адамантанола-1

Изобретение относится к способу получения адамантанола-1, являющегося ценным компонентом смазочных масел, гидравлических и трансмиссионных жидкостей, а также исходным сырьем для получения некоторых лекарственных средств. Способ заключается во взаимодействии адамантана с водой в среде CCl₄ и амида пропионовой кислоты в присутствии ванадиевого катализатора - VO(acac)₂ в течение 5-15 часов при 120-175°С при мольном соотношении [V]:[AdH]:[CCl₄]:[H₂O]:[CH₃CH₂CONH₂]=1:20:100:1000:100. Изобретение позволяет простым и экологически безопасным способом получить целевой продукт с количественным выходом. 1 табл., 12 пр.

 

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

Адамантанол-1 и его производные (простые эфиры, а также 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. Кроме того, адамантанол-1 является исходным сырьем для получения таких ценных лекарств как амантадин (симметрел), ремантадин и кемантан (Е.И.Багрий. Адамантаны. М.: Наука, 1989, 264 с. /1/).

Обычно адамантанол-1 (2) получают каталитическим окислением легкодоступного адамантана (1) различными окислителями, такими как кислород, пероксид водорода, гидропероксиды, иодобензол и др.

Так, в работе (Kitajima N., Ito М., Fukui Н., Moro-oka Y. Hydroxylation of alkanes and arenes using molecular oxygen. // J. Chem. Soc., Chem. Commun. - 1991 - №2 - P.102-104 /2/) описано каталитическое окисление адамантана с помощью O₂ и H₂O₂ в присутствии комплексов железа. Процесс протекает в мягких условиях (25°C, 3 часа) при обязательном присутствии металлического цинка.

По видимому, роль переходного металла в процессах окисления адамантана кислородом сводится к активации окислителя. В качестве примера следует привести окисление адамантана комплексом рутения, содержащим координационно связанную молекулу кислорода. Этот комплекс, взятый в стехиометрическом соотношении к адамантану (1), селективно окисляет его в адамантанол-1 (2) с выходом 61% (Che C.M., Leung W.H., Li C.K., Poon C.K. Synthesis, reactivities and electrochemistry of trans-dioxoruthenium (VI) complexes of π-aromatic diimines. // J. Chem. Soc., Dalton Trans. - 1991. - №3. - P.379-384) /3/.

Еще одним примером может служить окисление адамантана пероксидом водорода в ацетонитриле при 75°C в присутствии комплексов рутения - цис-[Ru(dmp)₂S₂]-(PF₆)₂, где dmp-2,9-диметил-1,10-фенантролин, а S-CH₃CN или H₂O. Основным продуктом реакции является адамантанол-1 (2) (Goldstein A.S., Drago R.S. Hydroxylation of methane by a sterically hindered rhutenium complex // J. Chem. Soc., Chem. Commun. - 1991. - №1. - P.21-22) /4/.

катализатор:

Указанные методы имеют следующие недостатки.

1. Труднодоступность и дороговизна катализаторов (комплексов).

2. Большой расход катализатора (стехиометрические количества).

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

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

Для окисления адамантана такими окислителями, как хлорит натрия, монопероксифталат магния и пероксосульфат калия в качестве катализаторов используются порфириновые комплесы марганца, а в качестве сокатализаторов применяют азотистые основания и межфазные катализаторы.

Хлорит натрия в присутствии катализатора MnCl (TMP) (TMP-5,10,15,20-тетракис(2,4,6-триметилфенил)порфириндианион) и 4-трет-бутилпиридина активно окисляет адамантан с преимущественной атакой третичного углеродного атома (Багрий Е.И., Нехаев А.И. Фотоинициированные превращения насыщенных углеводородов. Нефтехимия. - 1996. - Т.36. - №6. - С.483-494) /5/.

При окислении адамантана монопероксифталатом магния в присутствии комплекса марганца с 5,10,15,20-тетракис(2,6-дихлорфенил)порфирином конверсия (1) 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, что усложняет выделение целевого продукта.

4. Образование значительного количества отходов (NaCl).

Карбоксилатный комплекс марганца состава Mn₄ ³⁺O₂[(СН₃)₃C-COO]₆(OH)₂ катализирует гидроксилирование адамантана трет-бутилгидропероксидом (Taft K.L., Kulawiec R.J., Sarneski J.E., Crabtree R.H. Oxidation of hydrocarbons catalyzed by manganese carboxylate complexes. // Tetrahedron Lett. - 1989. - V.30. - №4, p.5689-5692) /6/. Шульпин Г.Б. Окисление насыщенных углеводородов трет-бутилпероксидом, катализируемое комплексами марганца. // Нефтехимия. - 2001. - Т.41. - №6. - С.440-448 /7/). Реакцию проводят в CH₂Cl₂ или в его смеси с бензолом при комнатной температуре. Основным продуктом реакции является адамантанол-1 (2).

Недостатки метода:

5. Сложная методика синтеза катализатора.

6. Использование большого количества взрыво- и пожароопасного окислителя - трет-бутилгидропероксида.

7. Образование трудноразделимой смеси адамантанола-1 и адамантанола-2.

Соли и комплексы рутения катализируют окисление адамантана с помощью периодата натрия при 40°C (Bakke J.M., Lundquist М. The RuO₄ Oxidation of cyclic saturated hydrocarbons, formation of alcohols. // Acta Chem. Scand. Ser. B. - 1986. - V.40. - №6. - P.430-433) /8/. В среде ацетонитрила, четыреххлористого углерода и воды реакция идет селективно по узловому углеродному атому. По мнению авторов окисление проходит путем отщепления гидрид-иона с образованием карбкатиона. Катализатором служит RuO₄, при этом его не готовят специально, а добавляют в реакционную смесь RuCl₃ (или RuO₂) n H₂O и смесь нагревают в течение 26 ч. Конверсия адамантана составляет 81%, содержание адамантанола-1 (2) в реакционной смеси не превышает 82%.

Недостатки метода:

1. Дороговизна катализатора.

2. Значительная продолжительность протекания процесса (26 часов).

3. Образование в результате реакции стехиометрического количества сильной кислоты HJO₄ и необходимость ее нейтрализации (что предполагает образование неорганических отходов и сточных вод, подлежащих утилизации).

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

Сравнительно недавно был предложен новый метод окисления адамантана с помощью метилгипобромита(MeOBr), который в условиях реакции генерируется in situ из CBr₄ и МеОН под действием соединений молибдена и меди, таких как Mo(CO)₆ и Cu(асас)₂ при 100-150°C в течение 3-6 часов, при мольном соотношении [Mo или Cu]: [AdH]:[CBr4]:[MeOH]=l:100:100:1000:5000. Аналогичный результат был получен при использовании воды вместо метанола (Джемилев У.М., Хуснутдинов Р.И., Щаднева Н.А., Байгузина А.Р., Бурангулова Р.Ю., Смирнов А.А. / Способ получения адамантанола-1. Патент РФ, №2286332 (27.10.06)) /9/.

На основании сходства по четырем признакам (исходный реагент - адамантан, присутствие галоидметана, использование катализатора, образование в результате реакции адамантанола-1) за прототип взят метод окисления адамантана с помощью метилгипобромита (MeOBr), генерируемого in situ из CBr₄ и MeOH под действием соединений молибдена и меди.

Недостатки прототипа:

1. Использование в качестве одного из компонентов окислительной системы метанола, требующего специальных условий хранения.

2. Неполная конверсия адамантана(85%).

3. Сложности с выделением целевого продукта из-за твердого агрегатного состояния CBr₄, который берется в реакцию в избытке.

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

Сущность способа заключается в гидроксилировании адамантана с получением адамантанола-1 (2) с помощью CCl₄, воды и амида пропионовой кислоты в присутствии ванадиевого катализатора - VO (acac)₂ в течение 5-15 часов при 120-175°C при мольном соотношении [V]:[AdH]:[CCl₄]:[CH₃CH₂CONH₂]:[H₂O]=1:20:100:100:1000.

В оптимальных условиях реакции при полной конверсии адамантана единственным продуктом реакции является адамантанол-1(2).

Преимущества предлагаемого метода:

1. Использование вместо метилового спирта - воды, и как следствие - экологическая безопасность процесса.

2. Доступность и дешевизна исходных реагентов: четыреххлористого углерода и воды.

3. Использование вместо твердого CBr₄ жидкого четыреххлористого углерода, являющегося отходом многих химических производств.

4. Количественный выход адамантанола-1(2).

Способ поясняется примерами.

Пример 1. В стеклянную ампулу (V=10 мл) помещали 0.1 ммоль VO(acac)₂, 7 ммоль амида пропионовой кислоты, 1,5 ммоль 1-AdH, 10 ммоль четыреххлористого углерода (CCl₄), 50 ммоль воды. Ампулу запаивали и помещали в стальной микроавтоклав, который герметично закрывали, реакционную смесь нагревали при 175°C в течение 5 часов с перемешиванием.

После окончания реакции автоклав (ампулу) охлаждали до комнатной температуры, вскрывали. Реакционную смесь экстрагировали хлороформом или хлористым метиленом (5 мл×3р), растворитель отгоняли, остаток кристаллизовали из этанола.

Выделенный в виде белых кристаллов адамантанол-1 (2) имел следующие константы: т.пл. 246-247°C (этанол). ИК-спектр (ν, см^-1): 1150, 3600 (OH). Спектр ЯМР ¹³C (CDCl₃, δ м.д.): 67.90(C-1), 45.32(C-2, C-8, C-9), 30.85 (C-3, C-5, C-7), 36.15 (C-4, C-6, C-10). Масс-спектр, m/z (J_отн(%)):152[M]+(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. C₁₀H₁₆O. Вычислено (%): C 78.89; H 10.59; O 10.52.

Другие примеры(№2-12), подтверждающие способ, приведены в таблице.

Результаты опытов по синтезу адамантанола-1 реакцией адамантана с CCl4, водой в присутствии амида пропионовой кислоты под действием ванадийсодержащего катализатора - VO(acac)2
№ n/n	Мольное соотношение [V]:[AdH]:[CCl4]:[H2O]:[CH3CH2CONH2]	T, °C	t, ч	Конверсия 1, %	Выход 2, %
1	2	3	4	5	6
1	1: 20: 100:1000:0	175	5	52	9
2	1:20:0:1000:100	175	5	-	-
3	1: 20: 100:1000:1	175	5	32	13
4	1: 20: 100:1000:20	175	5	38	18
5	1:20: 100:1000:60	175	5	88	41
6	1: 20: 100:1000:100	175	5	98	90
7	1:20: 100:1000:100	150	5	84	55
8	1:20: 100:1000:100	150	10	87	61
9	1: 20: 100:1000:100	120	5	20	95
10	1: 20: 100:1000:100	120	10	73	70
11	1: 20: 100:1000:100	120	15	75	72
12	1: 20: 100:1000:100	80	5	-	-

Способ получения адамантанола-1 общей формулы

путем каталитического гидроксилирования адамантана, отличающийся тем, что адамантан взаимодействует с водой в среде ССl₄ и амида пропионовой кислоты в присутствии ванадиевого катализатора - VO(acac)₂ в течение 5-15 ч при 120-175°С при мольном соотношении [V]:[AdH]:[CCl₄]:[H₂O]:[CH₃CH₂CONH₂]=1:20:100:1000:100.