Способ получения 1-хлорадамантана

 

Изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения 1-хлорадамантана. Хлорируют адамантан с помощью четыреххлористого углерода под действием родиевых катализаторов, таких как Rh(PPh₃)₃Cl, [Rh(НБД)Cl₂] ₂ (НБД)- нодборнадиен,[Rh(CO)₂Cl]₂, Rh₄(CO)₁₂ при 150-200^o в течение 5ч при молярном соотношении адамантан: соль родия: четыреххлористый углерод 1: (0,005-0,01): (1,5-5). Выход целевого продукта достигает 89-92% при полной конверсии адамантана. 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения 1-хлорадамантана 1-Хлорадамантан находит широкое применение в синтезе производных адамантана, а также служит исходным сырьем при получении 1-аминоадамантана - известного лекарства "Мидантан" (Е.И.Багрий. Адамантаны. М.: Наука, 1989. С. 264 [1] ; R.C. Fort, Adamantane: The Chemistry of diamond molecules. N.Y.: Dekker, 1976. 385 p [2]).

Наиболее известным методом получения 1-хлорадамантана (2) является хлорирование адамантана с помощью свободного Cl₂ путем инициирования реакции УФ-облучением или по действием катализаторов. (C. Walling, M. Mayahi, J. Amer. Chem. Soc., 81, 1485 (1959). [3]; C.W. Smith, H.D. Williams, J. Org. Chem. , 26, 2207 (1961) [4]; В.А. Некрасова, Н.И.Шуйкин. Изв. АН СССР. Сер. хим. N 3, 714 (1969) [5]; H. Stetter, M. Krause, W.-D. Last, Chem. Ber., 102, 3357 - 3363 (1969) [6]; H. Stetter, M. Krause, W.-D. Last, Angew. Chem. , 80, N 22, 970 - 971 (1968) [7]). Причем метод инициирования реакции оказывает решающее влияние на направление и селективность процесса хлорирования.

Максимальная селективность реакции по 1-хлорадамантану (2) достигается при фотохимическом хлорировании в среде CCl₄ или сероуглерода при комнатной температуре и продолжительности реакции 3 ч [5].

Фотохимический метод получения 1-хлорадамантана из газообразного хлора и адамантана имеет ряд существенных недостатков: 1. Ввиду высокой токсичности и активности хлора и необходимости использования аппаратуры, работающей под давлением метод является нетехнологичным.

2. Газообразный хлор является высокоагрессивным и летучим продуктом. Большинство типов конструкционных сталей под давлением Cl₂ подвергается коррозии, которая усиливается при наличии влаги (воды). По этой причине технологическое оборудование в производстве 1-хлорадамантана с участием свободного хлора должно быть из дорогостоящего титана, выдерживающего и высокие давления, что скажется на себестоимости целевого продукта.

3. Фотохимические реакции проходят исключительно в прозрачном стеклянном или кварцевом оборудовании, которого трудно масштабировать, следовательно метод характеризуется низкой производительностью.

4. Технология является экологически опасной.

1-Хлорадамантан селективно можно получить путем хлорирования адамантана хлорсульфоновой кислотой (Б.М. Лерман, З.Я. Арефьева, А.Р. Кузиев, Г.А. Толстиков. Изв. АН СССР. Сер. хим. N 4, 884 (1971)/8/). Процесс осуществляется при пониженных температурах (-5^oC) с большим избытком хлорирующего реагента: мольное соотношение = 1:8 - 10.

К очевидным недостаткам данного метода следует отнести: 1. Умеренный выход целевого продукта - 60,7%.

2. Необходимость использования низких температур (-5^oC).

3. Большой расход хлорирующего агента.

4. Агрессивность и высокая коррозионная активность хлорсульфоновой кислоты.

5. Большие трудности при выделении целевого продукта из разбавленного р-ра хлорсульфоновой кислоты, которую необходимо при низкой температуре разложить и нейтрализовать (H₂O, Na₂CO₃) (перегонка неприменима из возможности дальнейшего хлорирования адамантана).

Более удобным методом получения 1-хлорадамантана представляется способ, основанный на хорировании адамантана с помощью четыреххлористого углерода (CCl₄), который выполняет две функции, одновременно являясь хлорирующим реагентом и средой [6, 7].

Реакция хлорирования адамантана с помощью CCl₄ является каталитической и осуществляется в присутствии кислот Льюиса, предпочтительно AlCl₃ [7].

Хлорирование адамантана с помощью CCl₄ под действием AlCl₃ протекает неселективно с образованием смеси 1-хлор-(2)- и 1,3-дихлорадамантанов (3) с преобладанием последнего. Процесс проходит в мягких условиях (20^oC, 4 ч), но с большим избытком катализатора AlCl₃, которого берут в эквимолярном количестве.

Выход целевого 1-хлорадамантана составляет 13%. При замене AlCl₃ на другой катализатор - FeCl₃/K₁₀ (хлорное железо; нанесенное на катионит) селективность реакции по 1-хлорадамантану снижается до 2% (S. Chalais, A. Cornelis, A. Gerstmans, W. Kolodziejski, P. Laszlo, A. Mathy, P. Metra, Helv. Chim. Acta, 68, 1196 (1985) /9/.

На основании сходства по трем признакам (одинаковые реагенты адамантан и CCl₄, использование катализатора, образование в результате реакции 1-хлорадамантана) за прототип взят метод хлорирования адамантана с помощью CCl₄ под действием AlCl₃ [7].

Прототип имеет следующие недостатки.

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

2. Большой расход катализатора (AlCl₃ используется в эквимолярном количестве по отношению к адамантану).

3. Большой расход AlCl₃ влечет за собой целый ряд негативных последствий. Так, сильно усложняется процедура выделения и очистки целевого продукта. Для выделения 1-хлора - адамантана после окончания процесса в реактор добавляется вода (или р-р HCl), которая очень энергично реагирует (с образованием кристаллогидрата) с безводным AlCl₃. Одновременно происходит гидролиз AlCl₃ с выделением HCl, который способствует коррозии аппаратуры.

4. Образуется значительное количество неорганических отходов (AlCl₃ · 6H₂O, Al(OH)₃, HCl) и сточных вод, которых необходимо утилизовать, что требует больших затрат (трудо-, энергозатраты).

5. Процесс в целом является нетехнологичным и дорогим (большой расход катализатора, образование отходов, добавление целой технологической стадии по разложению реакционной массы, невозможность повторного использования AlCl₃ и CCl₄, которые либо разлагаются, либо загрязняются водой).

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

Сущность способа заключается в хлорировании адамантана с помощью четыреххлористого углерода под действием кристаллизаторов: солей и комплексов родия, таких как Rh(PPh₃)₃Cl, [Rh(HCD)Cl]₂^x , [Rh(CO)₂Cl]₂, Rh₄(CO)₁₂ при 150 - 200^o, предпочтительно 200^oC в течение 5 ч, при мольном соотношении [AdH] : [Rh] ^xx : [CCl₄] = 1 : 0,005 - 0,01 : 1,5 - 5, предпочтительно 1 : 0,005 : 3.

Примечания: * НБД - норборнадиен ** Под символом [Rh] подразумевается любой из перечисленных выше комплексов родия.

В оптимальных условиях выход 1-хлорадамантана достигает 89 - 92% при полной конверсии адамантана.

Процесс отличается высокой селективностью (≈ 100%) по 1-хлорадамантану (нет примесей 2-хлорзамещенного изомера).

Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа.

1. Для получения 1-хлорадамантана хлорированием с помощью четыреххлористого углерода используются новые катализаторы на основе родия.

2. Если в известном методе хлорирования катализатор - хлористый алюминий используется в эквимолярном количестве, то в предлагаемом только 0,005 - 0,01 молей по отношению к адамантану.

Преимущества предлагаемого метода.

1. Увеличение выхода целевого продукта 1-хлорадамантана с 13 (прототип) до 89% - 92%.

2. Малый расход катализатора.

3. Упрощение технологии выделения целевого продукта. Из-за использования небольших количеств катализатора из технологического цикла исключаются стадии разложения катализатора, его отделения и утилизации. Целевой 1-хлорадаманта выделяют перегонкой (после фильтрования реакционной массы через слой силикагеля).

4. Уменьшение количества отходов.

5. Уменьшение трудо-, энергозатрат и экологическая безопасность процесса.

Способ поясняется примерами:
Пример 1. Реакции проводили в стеклянной ампуле (V = 0,015 л) или в стальном микроавтоклаве (V = 0,017 л). (Результаты параллельных опытов практически не отличаются). В стеклянную ампулу помещали 0,1 - 0,05 ммолей соли родия, 1,36 г (10 ммолей) адамантана, 3 - 6 мл CCl₄. Ампулу запаивали и нагревали на масляной бане в течение 5 час.

После окончания реакции ампулу охлаждали (~ 20^oC), вскрывали, реакционную массу фильтровали через слой SiO₂ (2 ч). Непрореагировавший CCl₄ отгоняли, остаток перегоняли в вакууме с воздушным холодильником (78 - 85^oC/торр - при этом происходит возгонка 1-хлорадамантана). Выделенный 1-хлорадамантан (2), перекристаллизованный из метанола имел т. плавления 164 - 165^oC (лит. данные 163 - 164^oC [3 - 8]. Получено 1,57 г (2), выход 92%.

Другие примеры, подтверждающие способ, приведены в таблице
Литература
1. Багрий. Е.И. Адамантаны. - М.: Наука, 1989. С. 264.

2. Fort R.C. Adamantane: The Chemistry of diamond molecules. N.Y.: Dekker, 1976. 385 p.

3. Walling C., Mayahi M., J. Amer. Chem. Soc., 81, 1485 (1959).

4. Smith C.W., Williams H.D., J. Org. Chem., 26, 2207 (1961).

5. Некрасова В. А. , Шуйкин Н. И. Изв. АН СССР. Сер. Хим. - N 3, 714 (1969).

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

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

8. Лерман Б.И., Арефьева З.Я., Кузиев А.Р., Толстиков Г.А. Изв. АН СССР. Сер.: Хим. - N 4, 884 (1971).

9. Chalais S. , Cornelis A., Gerstmans A. et al Helv. Chem. Acta, 68, 1196 (1985).

Формула изобретения

Способ получения 1-хлорадамантана каталитическим хлорированием адамантана с помощью четыреххлористого углерода при повышенной температуре, отличающийся тем, что процесс ведут в присутствии 0,005 - 0,01 моль родиевого катализатора Rh(PPh₃)₃Cl, [Rh(CO)₂Cl] ₂, [Rh(НБД)Cl] ₂, Rh₄(CO)₁₂ при 150 - 200^oC в течение 5 ч при молярном соотношении [AdH] : [Rh] : [CCl₄] = 1 : 0,01 - 0,005 : 1,5 - 5, где НБД - норборнадиен, Rh - соли и комплексы родия.

РИСУНКИ

Рисунок 1