Способ получения смеси 1-хлор- и 1,3-дихлорадамантанов

 

Изобретение относится к способу получения хлорпроизводных адамантана, которые используются для получения лекарственных препаратов, термостойких полимеров, инсектицидов, а также являются исходными соединениями для синтеза производных адамантана. Адамантан хлорируют с помощью четыреххлористого углерода под действием катализатора - соединений кобальта, общей формулы СоХ, где Х = хлорид, бромид, иодид, ацетат, ацетилацетонат, метаванадат, вольфрамат, октаноат, стеарат, пальмитат при температуре 100-200^oC в течение 3-5 ч, при мольном соотношении AdH : СоХ : CCl₄ = I : 0,005 - 0,01 : 1,5 - 5. Конверсия адамантана составляет 100%. При этом сокращается расход катализатора, упрощается процедура его выделения из продуктов реакции и снижается количество отходов. 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения хлорпроизводных адамантана Хлорпроизводные адамантана используются для получения лекарственных препаратов, термостойких полимеров, инсектицидов и служат в качестве исходных соединений для синтеза производных адамантана (Герм. пат. 1101410, 1960; Chem. Abstrs, 56, 14119c (1962) /1/; Анг. пат. 819240; Chem. Abstrs, 54, 15272d (1960) /2/; Бельг. пат. 629370, 1963; Chem. Abstrs, 60, 9167c (1964) /3/; Е.И. Багрий. Адамантаны. М.: Наука, 1989. С.264 /4/).

В литературе описаны несколько методов получения хлорпроизводных адамантана с помощью различных хлорирующих агентов (C.Walling, M.Magahi. J. Amer. Chem. Soc. 81, 1485 (1959) /5/; C.W.Smith, H.D.Williams. J.Org.Chem., 26, 2207 (1961) /6/; В.А.Некрасова, Н.И.Шуйкин. Изв. АН СССР. Сер.хим., N 3, 714 (1969) /7/; H.Stetter, M.Krause, W.-D.Last., Chem.Ber. 102, 3357-3363 (1969) /8/; H.Stetter, M.Krause, W.-D.Last., Angew. Chem., 80 N 22, 970-971 (1968) /9/; Б. М. Лерман, З.Я.Арефьева, А.Р.Кузыев, Г.А.Толстиков, Изв. АН СССР, сер.хим., N 4, 894 (1971) /10/; S.Chalais, A.Cornelis, W.Kolodziejski, P.Laszlo, A.Mathy, P.Metra, Helv.Chim.Acta, V.68, 1196 (1985) /11/.

Хлорирование адамантана может быть осуществлено с применением газообразного хлора при облучении ультрафиолетовым светом, причем в результате реакции селективно и с хорошим выходом (~83%) образуется 1-хлорадамантан /5-7/.

Реакция лучше проходит в среде CCl₄ или сероуглерода при комнатной температуре в течение 3 ч /7/.

Указанный метод получения 1-хлорадамантана (2) с использованием газообразного, высокотоксичного и агрессивного хлора препаративно неудобен, т.к. требует применения специального коррозионно-стойкого, дорогостоящего оборудования, работающего под давлением.

С другой стороны, сам реактор для синтеза хлорадамантана из-за необходимости фотохимического инициирования должен быть изготовлен из стекла (кварц), что накладывает ограничения по его объему. По этой причине процесс фотохимического получения хлорадамантана (2) хлорированием адамантана характеризуется низкой производительностью.

В-третьих, процесс является экологически опасным, т.к. газообразный, легколетучий хлор неизбежно будет попадать в окружающую среду, создавая угрозы для здоровья населения, а улавливание хлора и его дезактивация представляет собой сложную технологическую проблему.

В работе /10/ для получения хлорпроизводных адамантана предложено использовать хлорсульфоновую кислоту. Реакцию проводят при -5^oC с большим избытком ClSO₂OH (мольное соотношение /AdH/:/ClSO₂OH/ = 1:8-10) К недостаткам данного метода следует отнести большой расход высокореакционноспособного реагента - хлорсульфоновой кислоты, необходимость использования низких температур при продолжительности реакции 60-240 ч. Кроме того, очень сложна процедура выделения целевых продуктов из разбавленных растворов хлорсульфоновой кислоты, т.к. отгонка ее исключается.

Наиболее близким аналогом (прототип) предлагаемого изобретения является метод получения хлорпроизводных адамантана путем хлорирования адамантана с помощью четыреххлористого углерода (CCl₄), который одновременно служит с хлорирующим агентом и средой /8, 9/.

Реакция проходит под действием кислотных катализаторов, предпочтительно AlCl₃ /9/, при использовании которого выход продуктов реакции, представленных 1-хлор-(2)- и 1,3-дихлор-(3)-адамантанами достигает 84% /9/ Для успешного протекания указанной реакции необходимо использовать эквимолярное количество катализатора - безводного хлористого алюминия /9/. При замене AlCl₃ на другой катализатор реакции Фриделя-Крафтса, полученный нанесением FeCl₃ · 6H₂O на K 10 монтмориллонит (монтмориллонит - это алюмосиликат, общая формула этого типа минерала: (OH)₄Si₈Al₄O₂₀ · _nH₂O) с последующей дегидратацией (азеотропная отгонка с CCl₄) (J. Phys. Chem., V. 67, N 10, 1963/12/). При использовании полученного катализатора для реакций с адамантаном наблюдается увеличение селективности реакции по 1,3-дихлорадамантану до 98% /11/.

Как видно из вышеприведенной схемы, такое течение реакции возможно при использовании большого избытка FeCl₃/K 10 и CCl₄ и увеличении продолжительности реакции до 40 ч (мольное соотношение /AdH/:/FeCl₃/:/CCl₄/ = 1: 3,36:105). Не исключено, что хлорирующим агентом является не только CCl₄, но и FeCl₃, как это описано в работе (Ю.В.Карякин, И.И.Ангелов. Чистые химические вещества. М., Химия, 1974. С.29 /13/).

С учетом состава образующихся продуктов, продолжительности опыта и выхода 1-хлор-(2)- и 1,3-дихлор-(3)-адамантанов за прототип взят метод хлорирования диамантана с помощью CCl₄ под действием AlCl₃ /9/.

Прототип имеет следующие недостатки: 1. Большой расход катализатора AlCl₃, который используется в эквимолярном количестве к реагенту.

2. Хлористый алюминий является твердым веществом, что создает трудности с его дозировкой и добавлением в реактор. Эта операция должна проводиться вручную.

3. Образование большого количества неорганических отходов, содержащих CCl₄, адамантан и хлорадамантаны, утилизация которых затруднительна (в отходах содержится AlCl₃ · 6H₂O, Al(OH)₃ - из-за гидролиза, HCl).

4. Образование большого количества сточных вод, т.к. для выделения целевых продуктов реакционную массу обрабатывают водой или кислотой (водный р-р HCl).

5. Хлористый алюминий очень энергично, с выделением большого количества тепла реагирует с водой (сначала образуется кристаллогидрат AlCl₃·6H₂O, проходит частичный гидролиз) (P.Kovacic, J.-H. Chen Chang. J. Org. Chem., V. 36, N 21, 3138 (1971) /14/). Это создает проблемы с соблюдением технологического режима (необходимо охлаждение, хорошее перемешивание).

6. Реакция хлорирования под действием безводного AlCl₃ успешно проходит при полном отсутствии влаги, что очень сложно обеспечить в реальных условиях, тем более, что в конце реакции в систему вводится вода для обработки и выделения полученных продуктов.

7. Невозможность повторного использования непрореагировавшего CCl₄ без очистки и осушки.

Авторами предлагается способ хлорирования адамантана и получения смеси 1-хлор- и 1,3-дихлорадамантанов, не имеющий указанных недостатков.

Сущность способа заключается в хлорировании адаманта с помощью четыреххлористого углерода под действием катализаторов - соединений двух- и трехвалентного кобальта общей формулы CoX, где X - хлорид, бромид, иодид, октаноат, сульфат, ацетат, ацетилацетонат, метаванадат, молибдат, вольфрамат, стеарат, пальмитат, предпочтительно вольфрамат, метаванадат и молибдаты при температуре 100-200^oC, предпочтительно 150^oC, в течение 3-5 ч, предпочтительно 3 ч, при мольном соотношении [AdH] : [CoX] : CCl₄] = 1:0,005 + 0,01: 1,5 - 5, предпочтительно 1:0,01:3. Конверсия адамантана составляет ~100%, а образующиеся продукты представлены 1-хлор-(2) и 1,3-дихлор-(3) адамантанами в соотношении 31:69, а реакция завершается за 2,5-3 ч

Существенные отличия предполагаемого способа от прототипа:
1. Для катализирования реакции хлорирования адамантана с помощью CCl₄ используются новые катализаторы: соединения кобальта (II) и (III).

2. Если в известном методе хлорирования катализатор (AlCl₃) используется в эквимолярном количестве, то в предлагаемом только 0,005-0,01 моль по отношению к 1 молю субтрата.

Преимущества предлагаемого метода заключаются в следующем:
1. Малый расход катализатора: 0,005-0,01 моль по отношению к 1 моль адамантана.

2. Упрощение процедуры выделения целевого продукта. Из-за использования небольших количеств катализатора из технологического цикла исключается обработка реакционной массы водой (кислотой). Целевые продукты можно выделить фракционной перегородкой или хроматографированием (после отгона CCl₄).

3. Уменьшение количества отходов.

4. Непрореагировавший четыреххлористый углерод без дополнительной очистки и удаления воды может быть возвращен в реакцию.

5. Удешевление себестоимости и экологическая безопасность процесса.

Способ поясняется примерами.

Пример 1. (Общая методика). В стеклянную ампулу (V = 500 мл) помещали 0,01 моль соли кобальта CoX 136 г (1 моль) адамантана, 245 г (1,5 моль) CCl₄. Ампулу запаивали, ставили в защитный стальной кожух и нагревали на масляной бане при 150^oC в течение 3 ч. После окончания реакции ампулу охлаждали, вскрывали. Реакционную массу фильтровали через силикагель (50 г). Непрореагировавший CCl₄ отгоняли, остаток перегоняли в вакууме (сублимация при 78-85% торр). Выделено 53,9 г (31%) 1-хлорадамантана (2) и 141 г (69%) 1,3-дихлорадамантана (3), которые после перекристаллизации из метанола имели т.пл. 164-165^oC и 130-132^oC. /Лит. данные для (2) - 163-164^oC /5-10/ и (3) - 130-131^oC /5-10//. При проведении хлорирования в стальном автоклаве (V - 430 мл) в тех же условиях конверсия адамантана составила ~100%, а выход (2) и (3) 29 и 71% соответственно.

Примеры 2-24 сведены в таблицу.

Литература
1. Герм. пат. 1101410, 1960 (1962)
2. Анг. пат. 819240.

3. Бельг. пат. 629370, 1963.

4. Е.И.Багрий. Адамантаны. М.: Наука, 1989, С. 264.

5. C.Walling, M.Magahi. J.Amer.Chem.Soc. 81, 1485 (1959).

6. C.W.Smith, H.D.Williams. J.Org.Chem., 26, 2207 (1964).

7. В.А.Некрасова, Н.И.Шуйкин. Изв. АН СССР. Сер. хим., N 3, 714, (1969).

8. H.Stetter, M.Krause, W.-D.Last., Chem.Ber. 102, 3357-3363 (1969).

9. H. Stetter, M. Krause, W-D. Last. , Angew.Chem., 80, N 22, 970-971 (1968).

10. Б. М.Лерман, З.Я.Арефьева, А.Р.Куднев, Г.А.Толстиков. Изв. АН СССР, Сер. хим., N 4, 894 (1971).

11. S. Chalais, A.Cornelis, W.Kolodziejski, P.Laszlo, A.Mathy, P.Metra, Helv. Chim. Acta, V. 68, 1196 (1985).

12. J.Phys. Chem., V. 67, N 10, 2169, (1963).

13. Ю. В. Карякин, И.И.Ангелов. Чистые химические вещества. М., Химия, 1974. С.29.

14. P.Kovacic, J.-H. Chen Chang. J.Org. Chem., V. 36, N 21, 3138 (1971).

Формула изобретения

Способ получения смеси 1-хлор- и 1,3-дихлорадамантанов каталитическим хлорированием адамантана с помощью четыреххлористого углерода, отличающийся тем, что процесс ведут в присутствии кобальтсодержащего катализатора общей формулы
CoX,
где X - хлорид, бромид, иодид-ионы, ацетат, ацетилацетонат, пальмитат, стеарат, октаноат, вольфрамат, молибдат, метаванадат,
при температуре 100 - 200^oC в течение 3 - 5 ч, при мольном соотношении [AdH] : [CoX] : [CCl₄] = 1 : 0,005 ^oC 0,01 : 1,5 ^oC 5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2