Способ получения 1-хлорадамантана, 1- и 4-хлордиамантанов

 

Изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения монохлорзамещенных производных адамантана и диамантана, которые применяют в производстве термо- и хемостойких полимеров, служат исходным сырьем для синтеза лекарственных препаратов и используются в синтезе других производных адамантаноидов (амины, спирты, кислоты). Способ осуществляют путем каталитического хлорирования адамантана и диамантана четыреххлористым углеродом. В качестве катализатора используют такие соли марганца, как MnSO4, Мn(С17Н35СO2)2 (стеарат), Mn(OAc)2, Мn(асас)3, MnCl2, активированные нитрильными лигандами (СН3СN, СН3СН2СN, PhCN, CH2(CN2)2). Мольное соотношение [Мn] : [RCN] :[адамантан или диамантан]:[CCl4]=1:2-4:1000:1000-5000. Процесс ведут при температуре 200oС в течение 0,5-8 ч. Технический результат - увеличение конверсии адамантаноидов до 100%. 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности, к способу получения монохлорзамещенных производных адамантана и диамантана (1-хлорадамантана, 1и 4-хлордиамантанов) где (1) - адамантан, (2) - диамантан, (3) - 1-хлорадамантан, (4) - 4-хлордиамантан, (5) - 1-хлордиамантан.

Монохлорпроизводные адамантаноидов находят широкое применение в производстве термо- и хемостойких полимеров, служат исходным сырьем для синтеза лекарственных препаратов и используются в синтезе других производных адамантаноидов (амины, спирты, кислоты и т.д.) (Е.И. Багрий. Адамантаны. М.: Наука, 1989. С. 264 [1]; R.С.Fort, Adamantane: The Chemistry of Diamond Molecules. N.J.Dekker, 1976, 385 р. [2]).

Наиболее известным методом получения 1-хлорадамантана (3) является хлорирование адамантана с помощью свободного Сl2 путем инициирования реакции УФ-облучением. Максимальная селективность реакции по 1-хлорадамантану (3) достигается при фотохимическом хлорировании в среде ССl4 или CS2 при комнатной температуре и продолжительности реакции 3 часа (В.А. Некрасова, Н.И. Шуйкин. Изв. АН СССР. Сер. хим. 3, 714 (1969) [3]).

Фотохимический способ получения 1-хлорадамантана из хлора и адамантана имеет ряд недостатков.

1. Метод является нетехнологичным и экологически опасным из-за токсичности, летучести и высокой активности хлора.

2. Хлор является высокоагрессивным продуктом и большинство сталей при контакте с ним подвергается коррозии, которая усиливается при наличии влаги, поэтому технологическое оборудование должно быть из дорогостоящего титана, выдерживающего агрессивное воздействие хлора и высокие давления.

3. Фотохимические реакции проходят исключительно в прозрачном стеклянном или кварцевом реакторах, следовательно, метод характеризуется низкой производительностью и трудно масштабируется.

Одним из известных в литературе методов синтеза 1- и 4-хлордиамантанов (4, 5) (в виде смеси изомеров в соотношении 1:1) является взаимодействие полициклического углеводорода тетрагидробинора-S (6) (имеет такой же углеводородный состав, что и диамантан) с хлористым ацетилом в растворе дихлорметана в присутствии эквимольного количества АlСl3 при 0oС в течение 12-22 ч (D. Faulkner, R.A. Glendinning, D.E. Johnston, M.A. McKervey. Tetrahedron Letters, 20, 1671 (1971) [4]). Общий выход (4, 5) при этом составил 80% [4].

Данный метод, несмотря на высокий выход целевых продуктов, имеет ряд существенных недостатков.

1. Большой расход катализатора АlСl3 приводит к образованию значительного количества трудноутилизируемых отходов (АlСl32O, Аl(ОН)3, НСl).

2. Необходимость использования интенсивного перемешивания, охлаждения создает проблемы с соблюдением технологического режима.

3. Использование в качестве хлорирующего агента труднодоступного хлористого ацетила является неоправданным, т.к. его получают хлорированием уксусной кислоты с помощью РСl3, РСl5 или SOCl2 (Г. Либ, В. Шенигер "Синтез органических препаратов из малых количеств веществ". Госхимиздат, 1957, Л., с. 53 [5]). РСl3, PCl5 и SOCl2 сами являются хлорирующими агентами, следовательно, использование АсСl для проведения хлорирования обозначает появление лишней стадии.

4. Существенная продолжительность реакции (22 ч). 1-Хлорадамантан (3) можно селективно получить хлорированием адамантана (1) с помощью хлорсульфоновой кислоты (Б. М. Лерман, З.Я. Арефьева, А.Р. Кузиев, Г.А. Толстиков. Изв. АН СССР, Сер. хим. 4, 884 (1971) [6]). Реакция осуществляется при пониженных температурах (-5oС) с большим избытком хлорирующего агента: мольное соотношение [AdH]: [ClSO2OH] = 1: 8-10.

Этот метод имеет следующие недостатки.

1. Необходимость использования низких температур (-5oС).

2. Большой расход хлорирующего агента.

3. Высокая коррозионная активность хлорсульфоновой кислоты и продуктов ее гидролиза (НСl,H2SO4).

4. Большие трудности при выделении целевого продукта из-за использования избытка ClSO2OH, которую необходимо нейтрализовать и разложить при низкой температуре (водой, NaHCO3, Na2CO3).

Для синтеза 1 и 4-хлордиамантанов также использовали ClSO2OH (T. Courtney, D. E. Johnston, M. A. McKervey, J.J. Rooney. J.C.S. Perkin, 2691 (1972) [6]).

Этот метод неудобен для препаративных целей, т.к. требует большого расхода хлорирующего агента (мольное соотношение [диамантан]:[СlSO2OН]=1:58) и низких температур. Из-за применения большого избытка хлорсульфоновой кислоты создаются большие трудности, при выделении целевых продуктов (4, 5) реакционная масса выливается на лед, хлорсульфоновая кислота гидролизуется с образованием НСl и Н2SO4 (водный раствор - отходы производства), продукты (4) и (5) экстрагируют эфиром из высококонцентрированого водного раствора серной и соляной кислот. Эта операция опасна и проводить ее необходимо в стеклянном оборудовании или в реакторах из специальных сортов стали.

Известен метод получения индивидуальных 1- и 4-хлордиамантанов (4, 5) хлорированием 1-диамантанола (7) и 4-диамантанола (8) соответственно с помощью хлористого тионила (G. Ola, P. Schilling, R. Renner, J. Kerekes, J. Org.Chem. 1974, 39, 3472-3476 [7]).

Однако данный метод сложно использовать для синтеза значительных количеств продуктов (4) и (5), т.к. исходные спирты (7,8) сами были получены из хлоридов (4, 5) и разделены с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии [6].

Удобным методом получения хлорпроизводных адамантана является хлорирование адамантана с помощью четыреххлористого углерода, который выполняет две функции, одновременно являясь хлорирующим агентом и средой (H. Stetter, M. Krause, W.-D.Last, Angew.Chem., 80, N 22, 970-971 (1968) [8]. Реакция является каталитической и осуществляется в присутствии кислот Льюиса, предпочтительно АlСl3. Однако хлорирование адамантана протекает неселективно с образованием смеси 1-хлор-(3) и 1,3-дихлорадамантанов (9) с преобладанием последнего. Процесс проходит в мягких условиях (20oС, 4 ч), но с большим избытком катализатора АlСl3 мольное соотношение [Аd]:[АlСl3]=1:1).

При замене АlСl3 на другой катализатор FеСl310 (хлорное железо, нанесенное на катионит) селективность реакции по (3) снижается до 2% (P. Kovacic, J. - H. Chen. Chang. J. Org. Chem., 36, 3188 (1971) [9].

Этот способ имеет существенные недостатки.

1. Низкий выход 1-хлорадамантана (2-13%).

2. Большой расход катализатора (АlСl3 используется в эквимольном количестве по отношению к адамантану).

3. Из-за большого расхода АlСl3 сильно усложняется выделение и очистка 1-хлорадамантана. После окончания процесса в реактор добавляется вода (или раствор НСl), которая энергично реагирует с безводным АlСl3 (образование кристаллогидрата АlCl36H2О сопровождается с выделением большого количества тепла). При гидролизе выделяется свободная НСl, которая способствует коррозии реакторов.

4. Образуется большое количество неорганических отходов (AlCl32O, Аl(ОН)3, НСl) и сточных вод, которые необходимо нейтрализовать.

Более удобным способом хлорирования адамантаноидов является хлорирование с помощью хлороформа под действием катализаторов: солей и комплексов солей, таких как FeBr2, Fе(асас)3, NiBr2, Ni(acac)2, СrСl3, Сr(асас)3, СоСl2, СоВr2, Со(асас)2, Со(асас)3, предварительно активированных при 200oС в течение 3 часов в среде СНСl3 в герметичном автоклаве.


Хлорирование проводят при 200oС в течение 6 ч при мольном соотношении [AdH] :[Kat]:[CHCl3]=1:0,01:3-17 и выход 1-хлорадамантана (3) достигает 77%, 1 и 4-хлордиамантанов (4, 5) - 75% (а.с. 96123148/04 от 27.08.98, У.М. Джемилев, Р.И. Хуснутдинов, Н.А. Щаднева, А.И. Маликов. Способ получения монохлорзамещенных производных адамантана и диамантана [10]).


Процесс отличается селективностью по монохлорадамантаноидам, замещенным в узловых положениях.

Метод имеет следующие недостатки.

1. Умеренный выход - 77%
2. Значительная длительность процесса - 9 ч (3 ч - активация катализатора, 6 ч - процесс хлорирования).

При использовании реакции хлорирования адамантана с помощью ССl4 Со-содержащего катализатора (Патент РФ 2125551, У.М. Джемилев, Р.И. Хуснутдинов, Н. А. Щаднева, В.Н. Латыпов. Способ получения смеси 1-хлор-и 1,3-дихлорадамантанов. [11] ) образуется смесь 1-хлорадамантана (31%) и 1,3-дихлорадамантана (69%) при 150oС в течение 3-5 ч.


Главным недостатком этого способа является неселективность процесса, так как выход 1-хлорадамантана (3) не превышает 31%.

1-Хлорадамантан (3) был получен при хлорировании адамантана с помощью ССl4 под действием Rh-содержащих катализаторов: Rh(PPh3)3Cl, [Rh(CO)2Cl2]2,
Rh4(CO)12 при мольном соотношении [AdH]:[Rh]:[CCl4]=1:0,01:3 (Патент РФ 2126784, У.М. Джемилев, Р.И. Хуснутдинов, Н.А. Щаднева, В.Н. Латыпов. Способ получения 1-хлорадамантана [12]).


Родийсодержащий катализатор хлорирования адамантана имеет следующие недостатки.

1. Низкая активность.

2. Низкая производительность (оптимальное мольное соотношение [Rh]:[AdH] составляет 1:100) катализатора. Этот недостаток является существенным из-за дороговизны солей родия: по каталогу фирмы "Aldrich" (1996-1997 г.) стоимость 1 г комплексов родия достигает Рh(РРh3)3Сl и [Rh(CO)2Cl]2 - по 215 долларов США/1 г (стр. 1374), Rh(acac)3 - 124,2 доллара/1 г (стр. 1300).

Авторами предлагается способ получения монохлорпроизводных адамантана и диамантана, не имеющий указанных недостатков.

Сущность способа заключается в хлорировании адамантана и диамантана с помощью четыреххлористого углерода под действием солей и комплексов марганца, таких как MnSO4, Mn(C17H35CO2)2 (стеарат), Мn(асас)2, Мn(ОАс)2, МnСl2, активированных нитрильными лигандами (CH3CN, СН3СH2СN, PhCN и др.) при 200oС в течение 1 ч, при мольном соотношении [Mn]:[RCN]:[AdH] или [диамантан]:[ССl4]=1:2-4:1000:1000-5000, предпочтительно 1:2:1000:3000.

В оптимальных условиях (200oС, 1 ч, при мольном соотношении [Mn]:[RCN]: [AdH] :[CCl4]=(1:2:1000:3000) выход монохлорадамантанов (3, 4 и 5) достигает 89-98% при полной конверсии исходных адамантаноидов (1, 2).

Процесс отличается высокой селективностью по монохлорадамантаноидам, замещенным в узловых положениях (отсутствуют примеси дихлорзамещенных и замещенных в мостиковых положениях атомов углерода адамантаноидных структур).



Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа.

1. B качестве комплексных катализаторов хлорирования адамантана и диамантана с помощью четыреххлористого углерода используются соединения марганца, активированные нитрильными лигандами.

2. Для получения хлорадамантаноидов хлорированием с помощью четыреххлористого углерода используются дешевые и доступные катализаторы на основе соединений марганца.

3. Если в известном методе хлорирования родиевый катализатор используется в соотношении [Rh]:[AdH]=l:100, то в предлагаемом только 0,001 молей катализатора по отношению к адамантану (или диамантану).

Преимущества предлагаемого метода заключаются в следующем.

1. Высокий выход целевого продукта и высокая селективность процесса по монохлорзамещенным производным адамантана и диамантана (98%).

2. Низкий расход катализатора.

3. Упрощение процедуры выделения целевых продуктов из-за использования небольших количеств катализатора и отсутствия побочных продуктов реакции.

4. Уменьшение количества отходов из-за низкого расхода катализатора.

5. Доступность и дешевизна используемых катализаторов.

6. Непрореагировавший CCl4 без дополнительной очистки может быть возвращен в реакцию.

7. Удешевление себестоимости, уменьшение трудо- и энергозатрат, экологическая безопасность.

Предлагаемый способ поясняется примерами:
ПРИМЕР 1. Реакции проводили в стеклянной ампуле (V=20 мл) или стальном микроавтоклаве (V=17 мл) (результаты параллельных опытов практически не отличаются).

В стеклянную ампулу помещали 0,002 ммоля катализатора Мm(асас)3, 0,004 ммоля ацетонитрила, 0,27г (2 ммоля) адамантана, 0,5-3 мл четыреххлористого углерода. Ампулу запаивали и нагревали на масляной бане в течение 1 часа при 200oС.

После окончания реакции ампулу охлаждали до комнатной температуры, вскрывали, реакционную массу фильтровали, через слой Аl2О3 (2 гр).Непрореагировавший CCl4 отгоняли, остаток перегоняли в вакууме с воздушным холодильником (78-82oС/1 мм) - при этом происходит возгонка 1-хлорадамаптана (3). Выделенный (3), перекристаллизованный из метанола. имел to пл. 164-165oС (лит. данные 163-164oС) [3, 4, 6].

Получено 0,33 г 1-хлорадамантана, выход 98%.

ПРИМЕР 2. В стеклянную ампулу емкостью 20 мл (или в стальной микроавтоклав V=17 мл) помещали 0,002 ммоля катализатора Мn(ОАс)2, 0,004 ммоля ацетонитрила, 0,38 г (2 ммоля) диамантана, 1-3 мл четыреххлористого углерода. Ампулу запаивали (микроавтоклав герметично закрывали) и нагревали на масляной бане при 200oС 1 час. После окончания реакции ампулу охлаждали до комнатной температуры, вскрывали, реакционную массу фильтровали через Аl2О3 (2 г), непрореагировавший ССl4 отгоняли, остаток кристаллизовали из ацетона для удаления непрореагировавшего диамантана. Выход хлорадамантанов составил 95%. Разделение изомеров проводилось методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Соотношение 1-и 4-хлордиамантанов ~47-53.

1-Хлордиамантан (4): т. пл. = 250-252,5oС
ИК-спектр (Vmax, см-1): 1067, 972, 880, 808, 720
Спектр ПМР 1Н (,, м. д,, CDCl3, TMS): 2,43 (к, 2Н, С3, С14), 2,14 (д, 2Н, С13), 1,88 (м, 5Н, С2, С7, С9, С11, С12), 1,25-1,60 (м, 10 Н).

Спектр ЯМР 13С (,, м. д, CDCl3, TMS): 24,86 д (С4), 30,46 д (С9), 33,10 т (С3), 36,90 д (С6), 37,25 д (С8, С10), 37,89 т (С5), 40,55 д (С7, С11), 44,66 д (С2, С12), 49,16 т(C13),76,27 c (C1).

М/е 224.

4-Хлордиамантан (5): т. пл. = 75-76oС
ИК-спектр (Vmax, см-1): 1079, 1070, 1049, 1044, 982. 969, 852, 829, 797, 709, 529.

Спектр ПМР 1Н (,, м. д., CDCl3, TMS): 2,09 (д, 6Н, С3, С5, С14), 1,74 (ш.с, 3Н, С2, С6, С12), 1,27-1,65(м, 10Н).

Спектр ЯМР 13С (,, м.д., CDCl3, TMS) 25,00 д (С9). 35,12 д (C1, C7, C11), 36,65 т (С8, С10, С13), 40,22 д (C2, С6, С12), 47,77 т (С3, С5, С14), 65,6 с (С4).

М/е 224.

По этой же методике были проведены все остальные опыты, результаты которых приведены в таблице 1.

Установлено, что оптимальной является температура 200oС, при более низкой температуре снижается конверсия исходных адамантана и диамантана (1, 2), а при более высокой - наблюдается образование смолистых продуктов. При 200oС оптимальной продолжительностью реакции является 1 час. При увеличении продолжительности опыта наблюдается образование полихлорированных адамантаноидов.

Способ получения 1-хлорадамантана, 1- и 4-хлордиамантанов общей формулы



каталитическим хлорированием адамантана и диамантана с помощью четыреххлористого углерода, отличающийся тем, что в качестве катализаторов хлорирования используют соли марганца (MnSO4, МnСl2, Мn(С17Н35СO2)2 (стеарат), Мn(ОАс)2, Мn(асас)3), активированные нитрильными лигандами (СН3СN, CH3CH2CN, PhCN, CH2(CN)2) при температуре 200oC в течение 0,5-8 ч при мольном соотношении [Mn] : [RCN] : [AdH или диамантан] : [ССl4] = [1] : [2-4: [1000] : [2000-5000] .

Рисунок 1



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения 1,3-дихлорадамантана, который используют в производстве термо- и хемостойких полимеров, инсектицидов и лекарственных препаратов

Изобретение относится к способу получения 1- и 2-хлорадамантанов, используемых для получения термостойких полимеров, инсектицидов, фунгицидов и лекарственных препаратов
Изобретение относится к усовершенствованному способу получения тетрафторметана, применяемого как низкотемпературный хладагент, реагент для сухого травления полупроводников, ингибитор горения

Изобретение относится к способу получения 1,3-дихлорадамантана, который используют в производстве термо- и хемостойких полимеров, инсектицидов и лекарственных препаратов

Изобретение относится к способу получения 1- и 2-хлорадамантанов, используемых для получения термостойких полимеров, инсектицидов, фунгицидов и лекарственных препаратов

Изобретение относится к способу получения пентафторэтана путем фторирования галогенорганического соединения фторидом металла переменной валентности

Изобретение относится к способу получения хлороформа жидкофазным хлорированием метиленхлорида при фотохимическом инициировании с последующей ректификацией, причем хлорированию подвергают смесь хлорметанов, полученную термическим хлорированием метана после удаления из нее хлорметила при мольном соотношении метиленхлорида к хлору 4 - 2 : 1 при температуре 35 - 45°С

Изобретение относится к технологии получения хлоруглеводородов хлорированием олефинов, в частности к устройству для получения аллилхлорида, используемого в виде полупродукта для ряда органических производств - аллилового спирта, глицерина и т.д

Изобретение относится к способу получения аллилгалогенида и к реактору для его осуществления

Изобретение относится к способу хлорирования парафина

Изобретение относится к производству хлорметанов, преимущественно хлороформа

Изобретение относится к технике хлорирования парафиновых углеводородов газообразным хлором

Изобретение относится к способу получения 1,3-дихлорадамантана, который используют в производстве термо- и хемостойких полимеров, инсектицидов и лекарственных препаратов

 

Наверх