Способ получения 1-хлорадамантана

Настоящее изобретение относится к способу получения 1-хлорадамантана каталитическим хлорированием адамантана, отличающемуся тем, что хлорирование проводят с помощью четыреххлористого углерода в присутствии этанола под действием железосодержащих катализаторов, выбранных из ряда Fе(асас)₃, Fe(C₅H₅)₂, Fe₂(СО)₉ при 160-170°С в течение 3-6 часов при мольном соотношении [адамантан]:[ССl₄]:[С₂Н₅OН]:[катализатор] =100:200:100:1÷3. Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение технологии получения 1-хлорадамантана. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения 1-хлорадамантана.

Монохлорпроизводные адамантана применяются в производстве термостойких полимеров, используются в синтезе лекарственных препаратов, фунгицидов (Багрий Е.И. // Адамантаны. М.: Наука, 1989. С.264 [1]).

1-Хлорадамантан (2) получают хлорированием адамантана (1) с помощью свободного хлора, инициируя реакцию фотооблучением в среде CCl или CS₂ (C.Walling, M.F.Mayahi. J. Amer. Chem. Soc., V. 81, №6, P.1485-1489 (1959) [2]; G.W.Smith, H.D.Williams. J. Org. Chem., V. 26, №7, P.2207-2212 (1961) [3]; B.A.Некрасова, Н.И.Шуйкин. Изв. АН СССР, Сер. хим., №3, С.714-715 (1969) [4]), или хлорированием адамантана (1) с помощью хлороводорода в системе CCl₄-H₂SO₄-t-BuOH (I.Yoshiaki, К.Takeji, Т.Naotake. Synth. Commun., V.3, №32, P.147-151 (1973) [5]; A.Koji, I.Yoshiaki, T.Naotake, H.Kenichi, T.Akira, T.Gakuzo. J.Med. Chem., V.18, №7, P.713-721 (1975) [6]).

При хлорировании адамантана (1) с помощью хлорсульфоновой кислоты (ClSO₂OH), взятой в 8-10-кратном весовом избытке, при -5°C в течение 1 часа с выходом 60.7% образуется 1-хлорадамантан (2) (Б.М.Лерман, З.Я.Арефьева, А.Р.Кузыев, Г.А.Толстиков. Изв. АН СССР, №4, С.894 (1971) [7]; G.A.Tolstikov, В.М.Lerman, Z.Ya. Arefjeva // Tetrahedron Lett, №31, P.3191-3192 (1972) [8]).

Существенные недостатки метода.

1. Большой избыток хлорирующего агента.

2. Агрессивность и высокая коррозионная активность хлорирующего агента и продуктов его гидролиза (HCl, H₂SO₄).

3. Трудность выделения целевого 1-хлорадамантана из разбавленных растворов, содержащих ClSO₂OH, HCl, H₂SO₄.

4. Умеренный выход 1-хлорадамантана.

1-Хлорадамантан (2) можно получить хлорированием адамантана (1) с помощью CCl₄ (К.Tanemura, Т.Suzuki. Tetrahedron Lett, V.9, №45, P.6419-6422 (2008) [9]; К.Tanemura, Т.Suzuki. Tetrahedron, V.66, №15, P.2881-2888 (2010) [10]). Так, при взаимодействии 4 ммоль адамантана с 15 мл CCl₄ в атмосфере азота при 250°C в течение 4 часов в стальном микроавтоклаве с тефлоновым покрытием (давление ~7МРа) образуется 1-хлорадамантан (2), 1,3-дихлорадамантан (3) и 2-хлорадамантан (4) с 52%, 9% и 3% выходами соответственно.

Существенные недостатки метода

1. Выделение ядовитого хлора.

2. Используется большой избыток хлорирующего агента.

3. Реакция проводится при высокой температуре и высоком давлении.

4. Неселективность реакции.

Хлорирование адамантана гипохлоритом натрия под действием Ni(salen) в двуфазной системе вода-CH₂Cl₂ в условиях межфазного катализа приводит к образованию 1-хлорадамантана (2) с выходом 34% (С.Querci, S.Strologo, М.Ricci. Tetrahedron Lett.,V.31, №45, P.6577-6580 (1990) [11]). Наряду с 1-хлорадамантаном (2) образуется также 2-хлорадамантан (4) (12%), адамантанол-1 (5) и адамантанол-2 (6) (1.2% и 0.2% соответственно).

Существенные недостатки метода

1. Неселективность реакции.

2. Необходимость нейтрализации сточных вод.

3. Трудность выделения целевого продукта.

1-Хлорадамантан (1) с выходом 20% образуется при окислении адамантана (1) с помощью моноперсульфата калия (KHSO₅) под действием [Ru^II(DMSO)PW₁₁O₃₉]^5- в двуфазной среде вода - 1,2-дихлорэтан (М.Bonchio, М.Carraro, A.Sartorel, G.Scorrano, U.Kortz. J.Mol. Catal. A: Chemical, V.251, №1-2, P.93-99 (2006) [12]).

Хлорирование адамантана (1) с помощью третбутилхлорида в присутствии AlCl₃ в среде четыреххлористого углерода (CCl₄) при комнатной температуре в течение 4 часов приводит к образованию 1-хлорадамантана (2) с выходом 90.5% (R.Jalal, R.Gallo. Synth. Commun.,V.19, №9-10, P.1697-1704 (1989) [13]).

Существенные недостатки метода

1. Использование избытка AlCl₃.

2. Разложение образующихся комплексов проводится большим избытком 35% HCl.

3. Трудность выделения 1-хлорадамантана в чистом виде из реакционной массы, содержащей t-BuCl, AlCl₃, CH₂Cl₂, (3) и (4).

4. Низкая селективность реакции.

5. Образование сточных вод, содержащих HCl.

Обработка адамантана (1) хлоридом йода (ICl) в среде CCl₄ при комнатной температуре в течение 15 мин приводит к 1-хлорадамантану (2) с выходом 97% (A.G.Yurchenko, N.I.Kulik, V.P.Kuchar, V.M.Djakovskaya, V.F.Baklan. Tetrahedron Lett., V.27, №12, P.1399-1402 (1986) [14]; А.Г.Юрченко, Н.И.Кулик, В.П.Кухарь, В.М.Дьяковская, В.Ф.Баклан, Н.А.Фокина. Украинский химич. журнал, Т.55, №6, С.636-639 (1989) [15]).

Недостатки метода

1. Труднодоступность хлорида йода ICl и использование его в большом избытке.

Хлорирование адамантана (1) трифенилметилхлоридом ([Ph₃CCH₃]⁺Cl^-) при 70°C в течение 9 часов приводит к 1-хлорадамантану (2) с выходом 40% (А.Ф.Бочков, Б.Е.Калганов. Изв. АН СССР, Сер. хим., №11, С.2560-2563 (1987) [16]). Так, 4 ммоль адамантана растворяли в 10 мл CH₂Cl₂, прибавляли 4 мл 2М тритилтрифлата в MeNO₂ и [Ph₃CCH₃]⁺Cl^-. Смесь запаивали в ампулу и нагревали при 70°C в течение 9 часов.

Недостатки метода

1. Необходимость нейтрализации реакционной смеси.

2. Использование дорогостоящих реагентов - тритилтрифлата и трифенилметилхлорида.

3. Выделение целевого 1-хлорадамантана в чистом виде затруднительно.

4. Низкий выход продукта.

Реакция адамантана (1) системой N-гидроксифталимид - трет-бутилгипохлорит (соотношение NHPI:t-BuOCl=1:1) в среде хлористого метилена при 25°C в течение 63.5 часов дает смесь 1-хлорадамантана (2) (выход 77%) и 2-хлорадамантана (4) (14%) (Т.С.Жук, П.А.Гурченко, Я.Ю.Коровай, П.Р.Шрайнер, А.А.Фокин. Теорет. и эксперим. химия, Т.44, №1, С.46-51 (2008) [17]).

Недостатки метода

1. Неселективность реакции.

2. Использование в качестве хлорирующего агента нестабильного третбутилгипохлорита, получаемого перед реакцией из гипохлорита натрия.

3. Реакционная масса содержит CH₂Cl₂, t-BuOCl, N-гидроксифталимид и 2-хлорадамантан, что создает трудности при выделении целевого 1-хлорадамантана.

Реакция адамантана (1) системой NHPI-O₂-AIBN в соотношении [AdH]:[NHPI]:[AIBN]=1:0.1:0.05 в среде CCl₄ при 70°C в течение 10 часов дает 1-хлорадамантан (2) и 2-хлорадамантан (4) с выходами 63% и 27% соответственно (Т.С.Жук, Е.Ю.Братко, А.Е.Пащенко, П.А.Гурченко, А.Г.Юрченко, П.Р.Шрайнер, А.А.Фокин. Журнал орг. та фарм. xiмii, Т.8, №1, С.62-66 (2010) [18]).

Хлорирование адамантана (1) системой CCl₄-CH₃CN-K₂CO₃ под действием PdBr₂(PPh₃)₂ при 120°C в течение 8 часов приводит к получению смеси 1-хлорадамантана (2) и 2-хлорадамантана (4) в соотношении (2):(4)=12:1 (А.Н.Ведерников, М.Д.Саяхов, А.Г.Зазыбин, Б.Н.Соломонов. ЖОрХ, Т.34, №6, С.862-865 (1998) [19]).

Недостатки метода

1. Используются дорогостоящий Pd-содержащий катализатор и большой избыток хлорирующего агента.

2. Низкий выход целевого продукта и неселективность реакции.

3. Реакционная масса имеет сложный состав, что затрудняет выделение 1-хлорадамантана.

Кипячение 0.03 моль адамантана (1) с 0.033 моль пентахлорида сурьмы (SbCl₅) в четыреххлористом углероде в течение 36 часов дает 1- (2) и 2-хлорадамантаны (4) с общим выходом 66-79% (соотношение (2):(4)=13:1) (P.Kovacic, J.-H.C.Chang. J.Chem. Soc. D, Chem. Commun., №21, P.1460-1461 (1970) [20]).

При проведении указанной реакции под действием хлорида железа (III) (0.066 моль) выход хлорадамантанов составил 64-72% (соотношение (2): (4)=14:1), одновременно образуется 1,3-дихлорадамантан (3) (выход 4-16%).

Существенные недостатки метода

1. Значительная продолжительность реакции (36 ч).

2. Выделение большого количества HCl.

3. Низкая селективность реакции.

1-Хлорадамантан (2) образуется при хлорировании 12.5 ммолей адамантана (1) в присутствии 0.125 ммоль Rh(PPh₃)₃Cl (или 0.125 ммоль Rh(CO)₂Cl₂) в 6 мл хлористого метилена при 180°C в течение 30 часов с выходом 80% (Р.И.Хуснутдинов, Н.А.Щаднева, У.М.Джемилев. Изв. АН СССР, Сер. хим., №12, С.2897-2898 (1991) [21]).

Недостатки метода

1. Жесткие условия реакции.

2. Использование дорогостоящего родийсодержащего катализатора. Хлорирование адамантана (1) четыреххлористым углеродом под действием родиевых катализаторов при 200°C в течение 5 часов дает 1-хлорадамантан (2) с выходом 89-92% (У.М.Джемилев, Р.И.Хуснутдинов, Н.А.Щаднева, В.Н.Латыпов. Патент РФ №2126784, опубл. 02.07.1999 [22]).

Недостатки метода

1. Жесткие условия реакции.

2. Избыток хлорирующего агента.

3. Использование дорогостоящих родиевых катализаторов.

1-Хлорадамантан с выходом 92% образуется при хлорировании адамантана (1) с помощью CCl₄ под действием Mn(acac)₃, активированного ацетонитрилом (CH₃CN) в соотношении [Mn(acac)₃]:[CH₃CN]=1:4 при 200°C в течение 1 ч (У.М.Джемилев, Р.И.Хуснутдинов, Н.А.Щаднева, А.Р.Байгузина, Н.Е.Додонова. Патент РФ №2185364, опубл. 20.07.2002 [23]; Р.И.Хуснутдинов, Н.А.Щаднева, А.Р.Байгузина, Ю.Ю.Лаврентьева, Р.Ю.Бурангулова, У.М.Джемилев. Нефтехимия, т.44, №22, С.148-155 (2004) [24]).

Недостатки метода

1. Жесткие условия реакции.

В работе [24] осуществлено хлорирование адамантана (1) четыреххлористым углеродом под действием VO(acac)₂ в среде метанола (MeOH) при 150°C в течение 1 часа. Выход 1-хлорадамантана (2) составил 90%.

На основании сходства по нескольким признакам (идентичные исходные реагенты - адамантан, четыреххлористый углерод, спирт, использование катализатора) за прототип взят метод хлорирования адамантана с помощью системы CCl₄-MeOH под действием VO(acac)₂ [24].

Прототип имеет следующие недостатки

1. Использование сравнительно дорогостоящего катализатора.

2. Применение ядовитого метанола.

Задачей настоящего изобретения является упрощение технологии получения 1-хлорадамантана (2).

Авторами предлагается способ получения 1-хлорадамантана (2), не имеющий указанных недостатков.

Сущность способа заключается в хлорировании адамантана (1) с помощью системы CCl₄ - этанол (C₂H₅OH) под действием железосодержащих катализаторов (Fe(acac)₃, Fe(C₅H₅)₂, Fe₂(CO)₉) при 160-170°C в течение 3-6 часов при мольном соотношении [адамантан]:[CCl₄]:[C₂H₅OH]:[катализатор]=100:200:100:1÷3. В оптимальных условиях единственным продуктом реакции является 1-хлорадамантан (1), выход которого достигает 93%.

Преимущества предлагаемого способа

1. Используются дешевые и менее токсичные, чем соединения ванадия, Fe-содержащие катализаторы.

2. Вместо ядовитого метанола используется этанол.

Способ поясняется примерами.

Пример 1. В микроавтоклав из нержавеющей стали (V=17 мл) или стеклянную ампулу (V=20 мл) (результаты параллельных опытов практически не отличаются) под аргоном помещали 0.3 ммоль Fe(C₅H₅)₂, 10 ммоль адамантана и 20 ммоль CCl₄, 10 ммоль C₂H₅OH, автоклав герметично закрывали (ампулу запаивали) и нагревали при 160°C в течение 6 часов. После окончания реакции микроавтоклав (ампулу) охлаждали ~20°C, вскрывали, растворитель отгоняли, остаток перекристаллизовывали из метанола. Выход 1-хлорадамантана (2) 93%, т.пл. 165-166°C. Спектр ЯМР ¹³C (CDCl₃, δ, м.д.): 68.21 (C¹), 47.77 (C², C⁸, C⁹), 35.75 (C⁴, C⁶, C¹⁰), 31.49 (C³, C⁵, C⁷). Найдено, %: C 70.34; H 8.84; Cl 20.82; C₁₀H₁₅Cl. Вычислено, %: C 70.37; H 8.86; Cl 20.77.

Другие примеры, подтверждающие способ, приведены в таблице 1.

Таблица 1
Результаты опытов по синтезу 1-хлорадамантана (2) хлорированием адамантана (1) с помощью CCl4 под действием Fe-содержащих катализаторов в присутствии этанола
№ п/п	Катализатор	Мольное соотношение [Fe]:[адамантан]:[СС14]:[С2Н5ОН]	Температура, °C	Время реакции, ч	Выход 1-хлорадамантана, %
1	2	3	4	5
1	Fe(acac)3	1:100:200:100	160	6	46
2	--//--	3:100:200:100	--//--	--//--	79
3	--//--	--//--	170	3	68
4	Fe(C5H5)2	3:100:200:100	160	6	93
5	--//--	--//--	170	3	70
6	Fe2(CO)9	--//--	160	6	10
7	--//--	--//--	170	6	15

Способ получения 1-хлорадамантана

каталитическим хлорированием адамантана, отличающийся тем, что хлорирование проводят с помощью четыреххлористого углерода в присутствии этанола под действием железосодержащих катализаторов, выбранных из ряда Fе(асас)₃, Fе(С₅Н₅)₂, Fe₂(CO)₉ при 160-170°С в течение 3-6 ч при мольном соотношении [адамантан]:[CCl₄]:[С₂Н₅ОН]:[катализатор]=100:200:100:1÷3.