Способ получения (1-адамантил)ацетона (2-оксопропиладамантана)

Изобретение относится к улучшенному способу получения (1-адамантил)ацетона (2-оксопропиладамантана) формулы (1) взаимодействием 1-бром(хлор)адамантанов с изопропенилацетатом в присутствии катализатора. При этом в качестве катализатора используют гетерогенный марганецсодержащий катализатор MnCl₂×4H₂O/SiO₂ при мольном соотношении реагентов [1-AdBr или 1-AdCl]:[изопропенилацетат]=1:3 и мас. содержании катализатора 10-20% (в расчете на 1-AdBr или 1-AdCl), при температуре 130-150°C и продолжительности реакции 2-3 часа. Способ позволяет получать целевой продукт с высоким выходом, облегчить выделение целевого продукта, использовать более доступные катализаторы, упростить аппаратурное оформление процесса. 1 табл., 7 пр.

 

Предполагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности, к способу получения (1-адамантил)ацетона.

(1-Адамантил)ацетон (1) находит применение в синтезе ряда замещенных адамантанов и является исходным сырьем для получения биологически активных веществ. Кроме того, алкиладамантилкетоны рекомендованы для использования в ветеринарии для лечения болезни Ньюкасла (И.К. Моисеев, Н.В. Макарова, М.Н. Земцова. ЖОрХ, т.37, вып.4, 489-509 (2001) [1]; С.А. Коньков, И.К. Моисеев. Известия ВУЗов. Химия и химич. технология, т.53, №2, 3-16 (2010) [2]).

Один из известных способов получения (1) основан на реакции (1-адамантил)уксусной кислоты (2) с уксусной кислотой под действием окислителя - MnO₂ (О.Ф. Козлов, М.И. Новикова, С.Д. Исаев. Вести. Киевск. политехн. института. Хим. машиностроение и технология, №18, 29-31 (1981) [3]). Реакцию проводят пропусканием смеси (1-адамантил)уксусной кислоты (2) и уксусной кислоты в токе CO₂ через особым образом приготовленный катализатор, содержащий MnO₂. Выход (1-адамантил)ацетона (1) по данному методу составляет 48% [3]:

Недостатком этого метода является низкий выход целевого продукта.

В работе (W.H.W. Lunn, W.D. Podmore, S.S. Szindi. J. Chem. Soc. (c), 1657-1660 (1968) [4]) описан способ получения (1-адамантил)ацетона (1) конденсацией хлорангидрида (1-адамантил)уксусной кислоты (3) этоксимагнийдиэтилмалонатом с последующим гидролизом полученного кетоэфира без его выделения:

Недостатки метода:

1. Использование дорогостоящего этоксидиэтилмагниймалоната.

2. Пожароопасность магнийорганических соединений.

3. Технологические сложности из-за использования исходных реагентов высокой чистоты, необходимость защиты от влаги.

4. При гидролизе полученного кетоэфира требуется длительное кипячение (16 ч) в смеси серной и уксусной кислот.

5. Низкая атомная эффективность и образование большого количества отходов.

При сольволизе очищенного (1-адамантилацетил)малоната (4) с помощью смеси серной и уксусной кислот выход кетона (1) составляет 88% (Ф.Н. Степанов, Л.И. Сидорова, Н.Л. Довгань. ЖОрХ, т.8, вып.9, 1834-1837 (1972) [5]):

Взаимодействие 1-адамантанола (5) или его нитрата (6) с 2-хлор-1-пропеном в присутствии концентрированной серной кислоты приводит к смеси 1-хлорадамантана (7) с (1-адамантил)ацетоном (1). Реакцию проводят по следующей методике: к раствору 1-адамантанола (5) и серной кислоты при 10-15°C добавляют 2-хлор-1-пропен и выдерживают 3 часа при 15°C (Ю.Н. Климочкин, И.К. Моисеев. ЖОрХ, т.28, вып.1, 207-208 (1992) [6]):

Недостатки метода:

1. Необходимость использования большого избытка концентрированной H₂SO₄.

2. Низкий выход целевого продукта.

3. Неселективность процесса из-за образования побочного продукта - 1-хлорадамантана (7).

4. Необходимость утилизации кислых стоков.

Известен способ получения (1-адамантил)ацетона (1) взаимодействием 1-бромадамантана (8) с изопропенилацетатом в присутствии AlBr₃ в среде сероуглерода (CS₂).

Смесь 1-бромадамантана (8) (10 г) и AlBr₃ (6 г) в 30 мл CS₂ прибавляют за 1 час к раствору 20 г изопропенилацетата в 20 мл CS₂ при 20°C в атмосфере азота. Реакционную массу выдерживают 3 часа и выливают в смесь льда и разбавленной HCl, органический слой отделяют, промывают водой, сушат, упаривают растворитель и выделяют (1) (Szinai S.S. Process for preparing adamantane derivatives. Англ. пат. №1.348.183 (C07C 49/43), опубл. 13.03.1974. РЖХим. 1975, №1, 1024П [7]):

Недостатки метода:

1. Низкий выход целевого продукта.

2. Применение высокотоксичного, пожароопасного растворителя - сероуглерода.

3. Использование значительного количества катализатора AlBr₃ (0.46 моль на 1 моль 1-бромадамантана (8)).

Известен метод получения (1-адамантил)ацетона (1) взаимодействием 1-бромадамантана (8) с изопропенилацетатом с использованием в качестве растворителя хлористого метилена (CH₂Cl₂) под действием катализатора AlBr₃. С увеличением концентрации AlBr₃ с 0.85 до 1.25 моль на 1 моль 1-бромадамантана (8) выход целевого продукта повышается до 91%. Реакцию проводят в температурном интервале от -10°C до -5°C (И.А. Новаков, Б.С. Орлинсон, Е.Н. Савельев, Г.А. Новикова. Способ получения производных 2-оксопропиладамантанов. RU 2.221.769 C1 (C07C 49/115), опубл. 20.01.2004 [8]):

На основании сходства по трем признакам (исходные реагенты - 1-бромадамантан (8) и изопропенилацетат, использование катализатора, образование в результате реакции (1-адамантил)ацетона (1)) за прототип взят способ получения (1-адамантил)ацетона (1) взаимодействием 1-бромадамантана (8) с изопропенилацетатом в присутствии AlBr₃ [8].

Прототип имеет следующие недостатки:

1. Использование значительного количества AlBr₃.

2. Необходимость проведения реакции при низкой температуре (-)5°C-(-)10°C.

3. Образование большого количества алюминий- и бромсодержащих неорганических отходов и сточных вод, которые необходимо утилизировать.

Задачей настоящего изобретения является упрощение технологии получения (1-адамантил)ацетона (1).

Авторами предлагается способ получения (1-адамантил)ацетона (1), не имеющий недостатков, присущих прототипу.

Сущность способа заключается во взаимодействии 1-бром(хлор)адамантана (7,8) с изопропенилацетатом в присутствии гетерогенного марганецсодержащего катализатора 10-25% MnCl₂·4H₂O/SiO₂ при температуре 130-150°C в течение 2-3 часов при мольном соотношении реагентов [1-AdBr]:[изопропенилацетат]=1:3 и мас. содержании катализатора 10-20% (в расчете на 1-AdX (X=Cl, Br)).

В оптимальных условиях при полной конверсии 1-бромадамантана (8) и 1-хлорадамантана (7) единственным продуктом реакции является (1-адамантил)ацетон (1), катализатор за 5 оборотов не теряет своей активности.

Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа:

1. Для получения (1-адамантил)ацетона (1) из 1-бромадамантана (8), 1-хлорадамантана (7) и изопропенилацетата используется гетерогенный марганецсодержащий катализатор. Преимущества предлагаемого метода:

1. Высокий выход целевого продукта.

2. Доступность катализатора.

3. Отсутствие растворителя, легкость выделения целевого продукта.

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

5. Отсутствие коррозии и простота аппаратурного оформления.

Предлагаемый способ поясняется примерами.

Методика приготовления катализатора.

1) Образец №1.

Крупнопористый силикагель (ГОСТ 3956-76) измельчают и отбирают фракцию от 45 до 200 микрометров. 1,15 г MnCl₂×4H₂O растворяют в 18 см³ дистиллированной воды и в полученный раствор засыпают 10 г указанной фракции силикагеля. Приготовленную пасту выдерживают ~0.5 часа и затем высушивают в течение 1÷2 часов при 130-150°C. Полученный в количестве 11.5 г катализатор содержит 6.1 мас.% MnCl₂, 86.9 мас.% силикагеля, остальное - вода.

2) Образец №2.

Таким же образом, смешивая 18 см³ дистиллированной воды, 2,36 г MnCl₂×4H₂O и 9,9 г измельченного силикагеля, получают после сушки 12.3 г катализатора, содержащего 12.2 мас.% MnCl₂, 80.5 мас.% силикагеля, остальное - вода.

3) Образец №3.

Смешивая 2,50 г MnCl₂×H₂O, 20 см³ дистиллированной воды и 7,2 г измельченного силикагеля, получают 10 г высушенного катализатора, содержащего 16 мас.% MnCl₂, 72 мас.% силикагеля, остальное - вода.

Общая методика.

В микроавтоклав из нержавеющей стали (V=17 мл) помещали гетерогенный марганецсодержащий катализатор (образцы №1, №2 или №3), 1-бром(хлор)адамантан (8,7), изопропенилацетат, герметично закрывали и нагревали при 130-150°C в течение 2-3 часов. После окончания реакции микроавтоклав охлаждали до 20°C, вскрывали, жидкую реакционную массу сливали с катализатора, фильтровали через Al₂O₃ (элюент - гексан), растворитель отгоняли, остаток перегоняли в вакууме. Выход 80-99% (в расчете на исходные 1-бромадамантан (8) и 1-хлорадамантан (7)).

К той же партии катализатора добавляли новую порцию исходных реагентов (1-бромадамантан (8), изопропенилацетат) и проводили реакцию в аналогичных условиях еще 5 раз.

ПРИМЕР 1. В микроавтоклав помещали 0.17 г катализатора №1 (10 мас.% в расчете на 1-AdCl), 1.7 г (10 ммолей) 1-хлорадамантана (7), 3 г (30 ммолей) изопропенилацетата (играет роль реагента и растворителя одновременно), герметично закрывали и нагревали при 140°C в течение 3 часов. После окончания реакции микроавтоклав охлаждали до 20°C, вскрывали, реакционную массу фильтровали через Al₂O₃ (элюент - гексан), растворитель отгоняли, остаток перегоняли в вакууме. Выход 87%.

Выделенный (1-адамантил)ацетона (1) имел т.кип. 97-98°C (1 мм рт.ст.). Ик-спектр (ν, см^-1): 1710 (C=O). Спектр ЯМР ¹³C (CDCl₃, δ, м.д.): 33.26 (C¹), 42.42 (C², C⁸, C⁹), 28.55 (C³, C⁵, C⁷), 36.70 (C⁴, C⁶, C¹⁰), 58.01 (1-AdCH₂), 28.65 (CH₃), 208.59 (C=O). Найдено, %: C 80.97; H 10.45. C₁₃H₂₀O. Вычислено, %: C 81.20; H 10.48.

Примеры 2-6, аналогичны примеру 1 (данные приведены в табл.1) ПРИМЕР 7. Аналогичен примеру 1, за исключением использования вместо 1-хлорадамантана (7) 2.1 г (10 ммолей) 1-бромадамантана (8). Выход (1-адамантил)ацетона (1) 90%, т.кип. 97.5-98°C (1 мм рт.ст). Физико-химические свойства полученного кетона (1) соответствуют данным, приведенным в примере 1 и литературным данным (И.Я. Грава, Я.Ю. Полис, М.Ю. Лидак, Э.Э. Лиепиньш и др. ЖОрХ, т.17, вып.4 (1981) [9]).

Примеры 8-13, аналогичны примеру 7 (данные приведены в таблице 1).

Таблица 1
Результаты опытов по синтезу (1-адамантил)ацетона (1) в присутствии гетерогенного марганецсодержащего катализатора
№№ п/п	1-AdX [X=Br (8), Cl(7)]	Образец катализатора, количество катализатора, мас.% (в расчете на 1-AdX)	Температура, °C	Продолжительность реакции, ч	Конверсия 1-AdX, %	Выход (1-адамантил)ацетона (1), %
1	(7)	№1, 10 мас.%	140	3	87	87
2	-//-	№1, 20 мас.%	-//-	-//-	100	97
3*	-//-	№2, 10 мас.%	-//-	-//-	100	99
4	-//-	№2, 20 мас.%	-//-	2	100	82**
5	-//-	№3, 10 мас.%	-//-	-//-	100	80**
6	-//-	№2, 10 мас.%	150	-//-	100	99
7	(8)	№1, 10 мас.%	140	3	90	90
8	-//-	№1, 20 мас.%	-//-	-//-	100	98
9*	-//-	№2, 10 мас.%	-//-	-//-	100	99
10	-//-	№2, 20 мас.%	-//-	2	95	80**
11	-//-	№3, 10 мас.%	-//-	-//-	100	84**
12	-//-	-//-	130	3	80	80
13	-//-	№2, 10 мас.%	150	2	100	99
* - катализатор в oп. 3 и 9 за 5 оборотов не теряет своей активности
** - образование продуктов полимеризации

Способ получения (1-адамантил)ацетона (2-оксопропиладамантана) формулы (1)

взаимодействием 1-бром(хлор)адамантанов с изопропенилацетатом в присутствии катализатора, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют гетерогенный марганецсодержащий катализатор MnCl₂·4H₂O/SiO₂ при мольном соотношении реагентов [1-AdBr или 1-AdCl]:[изопропенилацетат]=1:3 и мас. содержании катализатора 10-20% (в расчете на 1-AdBr или 1-AdCl), при температуре 130-150°C и продолжительности реакции 2-3 ч.