Способ получения триамантана

Изобретение относится к способу получения триамантана формулы I. Способ характеризуется тем, что полициклические углеводороды состава C₁₈H₂₄, полученные из гептациклического димера норборнадиена - бинора-S, гептацикло[8.8.0.0^2,17.0^3,11.0^4,9.0^12,16.0^13,18]октадекан и гептацикло[8.8.0.0^2,13.0^3,11.0^4,9.0^12,17.0^14,18]октадекан, подвергают скелетной изомеризации в присутствии ионных жидкостей состава 2AlCl₃+Et₃N·HCl или 2.5AlCl₃+Et₃N·HCl при температуре 20-50°C в течение 2-72 ч при мольном соотношении реагентов [углеводороды (C₁₈H₂₄)]:[ионная жидкость]=1:2-4, в атмосфере аргона. Способ использует доступные катализаторы и позволяет увеличить выход целевого соединения и упростить технологию в целом. 1 табл., 9 пр.

I.

 

Предлагаемое изобретение относится к области органического синтеза, в частности к способу получения триамантана.

Полициклические каркасные углеводороды триамантанового ряда представляют большой интерес для получения фармацевтических препаратов [[1]. Патент EP №1994927 A1. Diamondoid derivatives possessing therapeutic activity in the treatment of viral disorders / Kong D., Lam F.W., Sciamanna S.F., Shelton E., Yu C.-Y., Carlton R.M., Liu S. Date of publication 26.11.2008; [2]. Fokin A.A., Merz A., Fokina N.A., Schwertfeger H., Liu S.L., Dahl J.E.P., Carlson R.K.M., Schreiner P.R. Synthetic Routes to Aminotriamantanes, Topological Analogues of the Neuroprotector Memantine // Synthesis. - 2009. - №6. - Р.909-912.], материалов для микроэлектроники [[3]. Заявка WO №2004010512 A2. Heteroatom-containing diamondoid transistors / Liu S., Dahl J.E., Carlson R.M. Int. Publication Date 29.01.2004.] и нелинейной оптики [[4]. Заявка WO №9511472 A1. Fiber optic cable and viscous filler material / Ashjian H., Shen D.-M., Wu M.M.-S. Int. Publication Date 27.04.1995.].

Основным способом синтеза триамантана (1) в лаборатории является скелетная изомеризация изосоставных (C₁₈H₂₄) углеводородов под действием кислотных катализаторов, в качестве которых используются кислоты Льюиса (AlCl₃, AlBr₃) и суперкислоты (B(OSO₂CF₃)₃, CF₃SO₃H), а также Pt-содержащие катализаторы. Так, в работе [[5]. Williams V.Z., Schleyer Jr., P. v. R., Gleicher G.J., Rodewald L.B. Triamantane // J. Am. Chem. Soc. - 1966. - V.88. - №16. - P.3862-3863] приводится синтез триамантана (1) по следующей схеме:

Димер циклооктатетраена (2) циклопропанируют по Симмонсу-Смиту. Гидрогенолизом (3) получают углеводород, имеющий состав C₁₈H₂₄ (3а). Последующая изомеризация циклического углеводорода (3а) над бромидом алюминия в среде сероуглерода приводит к триамантану (1) с очень низким выходом (2-5%).

Недостатки метода:

1) циклооктатетраен и его димер (2) являются труднодоступными соединениями;

2) низкий выход триамантана;

3) продолжительность изомеризации составляет 4-6 дней;

4) необходимость использования избытка AlBr₃;

5) реакция проводится в ядовитом и взрывоопасном сероуглероде;

6) высокое давление для гидрирования.

В литературе известен пример синтеза триамантана (1) из 1-диамантанкарбоновой кислоты (4) [[6]. Burns W., McKervey M.A., Rooney J.J. New Synthesis of Triamantane Involving a Novel Rearrangement of a Polycyclic Olefin in the Gas Phase on Platinum // J. Chem. Soc., Chem. Commun. - 1975. - V.24. - P.965-966]. Полный синтез (1) состоит из 6 стадий, наиболее сложной из них является шестая, суть которой заключается в перегруппировке и деметилировании олефина (5) в триамантан (1). Реакция проводится в атмосфере водорода в присутствии катализатора платины при 430°C. Выход триамантана (1) после перекристаллизации из ацетона составляет 30%.

Недостатки метода:

1) многостадийность (6 стадий);

2) требуются труднодоступные дорогостоящие реагенты;

3) на стадии этерификации применяется взрывоопасный диазометан;

4) жесткие условия гидрирования, изомеризации и деметилирования (430°C).

Наиболее удобный и эффективный способ синтеза триамантана (1) основан на скелетной изомеризации C₁₈H₂₄-углеводородов, полученных из [4π+4π]-димера норборнадиена бинора-S (6). Так, в работах [[7]. Hamilton R., McKervey М.А., Rooney J.J., Malone J.F. Gas-phase Reactions on Platinum. A Short Synthesis of Triamantane // J. Chem. Soc., Chem. Commun. - 1976. - V.24. - P.1027-1028; [8]. Hollowood F.S., McKervey М.А. Synthesis of Triamantane // J. Org. Chem. - 1980. - V.45. - №24. - P.4954-4958] был осуществлен синтез исходных соединений - углеводородов (7, 8) по следующей схеме:

Последующая изомеризация (7, 8) в присутствии AlCl₃ приводит к триамантану (1) с выходом 60%.

Недостатки метода:

1) значительная продолжительность реакции (5 дней);

2) в качестве катализатора используется чувствительный к влаге безводный AlCl₃;

3) умеренный выход триамантана (1).

По другому способу изомеризацию полициклических углеводородов (7, 8) проводили под действием суперкислот, таких как: B(OSO₂CF₃)₃ (0°C, фреон-113, 74 ч, выход (1) 70%), CF₃SO₃H-SbF₅ (0°C, фреон-113, 74 ч, выход (1) 71%), CF₃SO₃H-B(OSO₂CF₃)₃ (0°C, фреон-113, 74 ч, выход (1) 69%) [[9]. Farooq O., Farnia S.M.F., Stephenson M., Olah G.A. Superacid-Catalyzed Near-Quantitative Isomerization of C_4n+6H_4n+12 (n=1-3) Polycyclic Precursors to Diamondoid Cage Hydrocarbons Promoted by 1-Haloadamantanes and Sonication // J. Org. Chem. - 1988. - V.53. - №12. - P.2840-2843].

Недостатки метода:

1) изомеризация проводится при низкой температуре (0°C);

2) продолжительность реакции составляет 74 часа;

3) в качестве растворителя используется озоноразрушающий реагент - фреон-113.

В работе [[10]. Olah G.A., Wu A., Farooq O., Prakash G.K.S. Single-Step Reductive Isomerization of Unsaturated Polycyclics to C_4n+6H_4n+12 Diamondoid Cage Hydrocarbons with Sodium Borohydride / Triflic Acid¹ // J. Org. Chem. - 1989. - V.54. - №6. - Р.1450-1451] разработан прямой метод синтеза триамантана (1) из олефинов (9, 10).

К охлажденной до -30°C смеси олефинов (9, 10) (7.6 ммоль) и NaBH₄ (22.8 ммоль) в сухом фреоне-113 прикапывают в течение 30 мин в токе аргона или азота 12 мл CF₃SO₃H (137 ммоль). При этом реакционную массу охлаждают до -78°C. После добавления расчетного количества CF₃SO₃H температуру медленно доводят до комнатной (3-5 ч), после чего реакционную массу выдерживают еще 18 ч. По окончании синтеза реакционную массу охлаждают на ледяной бане, экстрагируют CH₂Cl₂ и сушат над безводным Na₂SO₄. Выход (1) 92%.

Недостатки метода:

1) реакция проводится при пониженной температуре (-78°C);

2) необходим большой избыток дорогостоящего, взрыво- и пожароопасного боргидрида натрия NaBH₄;

3) продолжительность реакции составляет 18 ч;

4) в качестве растворителя используется озоноразрушающий реагент - фреон-113.

Авторами предлагается способ скелетной изомеризации C₁₈H₂₄ угеводородов (7, 8) в триамантан (1), не имеющий вышеперечисленных недостатков.

Задачей предлагаемого изобретения является удешевление себестоимости триамантана (1) за счет использования доступных катализаторов, увеличения выхода и упрощения технологии в целом.

Сущность предлагаемого способа заключается в изомеризации полициклических углеводородов состава C₁₈H₂₄, полученных из гептациклического димера норборнадиена - бинора-S, гептацикло[8.8.0.0^2,17.0^3,11.0^4,9.0^12,16.0^13,18]октадекан (7) и гептацикло[8.8.0.0^2,13.0^3,11.0^4,9.0^12,17.0^14,18]октадекан (8) (получены по методике [8]. Hollowood F.S., McKervey M.A. Synthesis of Triamantane // J. Org. Chem. - 1980. - V.45. - №24. - P.4954-4958.) под действием неорганических ионных жидкостей состава 2AlCl₃+Et₃N·HCl или 2.5AlCl₃+Et₃N·HCl при температуре 20-50°C в течение 2-72 ч при мольном соотношении реагентов (7, 8):[ионная жидкость]=1:2-4. Реакции проводили в реакторе под аргоном.

Установлено, что максимальный выход триамантана (1) (80%) в присутствии указанных ионных жидкостей наблюдается при T=50°C, за 8 ч при мольном соотношения реагентов: (7, 8):[2AlCl₃+Et₃N·HCl]=1:4.

Ионная жидкость состава 2.5AlCl₃+Et₃N·HCl проявляет меньшую каталитическую активность. В условиях: 50°C, 8 ч выход триамантана (1) в присутствии 2.5AlCl₃+Et₃N·HCl не превышает 40%.

Роль ионных жидкостей в данной реакции двоякая: они служат катализаторами и реакционной средой. Использование растворителей нежелательно, так как при добавлении растворителя (гексан, хлористый метилен) выход триамантана (1) снижается до 10%.

Преимущества предлагаемого метода:

1) высокий выход триамантана (1) - 80%;

2) мягкие условия реакции (50°C, 8 ч);

3) изомеризация проводится без растворителя;

4) доступность и дешевизна катализатора.

Предлагаемый способ поясняется примерами.

ПРИМЕР 1. В реактор (V=50 мл) под аргоном помещали 0.38 г (1,5 ммоль) смеси углеводородов C₁₈H₂₄ (7, 8) и 2.58 г (6 ммоль) ионной жидкости 2AlCl₃+Et₃N·HCl. Реакцию проводили при постоянном перемешивании в течение 8 ч при 50°C. Затем реактор охлаждали до комнатной температуры, реакционную массу экстрагировали петролейным эфиром и фильтровали через слой силикагеля (элюент - петролейный эфир). Растворитель отгоняли, остаток перекристаллизовывали из смеси этилацетат:циклогексан = 1:1. Выход триамантана (1) составляет 80%.

Выделенный триамантан (1) имел Т_пл 221-221.5°C. (221°C [[11]. Гордадзе Г.Н., Геохимия углеводородов каркасного строения // Нефтехимия. - 2008. - Т.48. - №4. - С.243-255.]).

Спектр ЯМР ¹H (CDCl₃, δ, м.д., J/Гц) [[5]. Williams V.Z., Schleyer Jr., P. v. R., Gleicher G.J., Rodewald L.B. Triamantane // J. Am. Chem. Soc. - 1966. - V.88. - №16. - P.3862-3863]: 1.28 м, 1.49 м, 1.66 м, 1.68-1.75 м, 1.86 м.

Спектр ЯМР ¹³C (CDCl₃, δ, м.д.) [[12]. Dheu M.-L., Gagnaire D., Duddeck H., Hollowood F., McKervey M.A. ¹³C Nuclear Magnetic Resonance Spectra. Part 9. Strain Effects on ¹³C Chemical Shifts of Triamantane // J. Chem. Soc. Perkin Trans II. - 1979. - P.357-359.]: 27.89, 33.62, 35.34, 38.19, 38.21, 38.65, 45.44, 47.01.

Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), m/z (I_отн (%)): 240.15 [M]⁺ (100.00), 239.15 (43.74), 143.10 (8.00), 131.10 (5.64), 129.10 (10.20), 128.10 (5.01), 117.10 (6.07), 115.10 (5.01), 105.10 (6.77), 91.05 (20.72), 79.05 (10.60), 77.05 (8.95).

Другие примеры, подтверждающие способ, приведены в таблице 1.

Способ получения триамантана формулы

отличающийся тем, что полициклические углеводороды состава C₁₈H₂₄, полученные из гептациклического димера норборнадиена - бинора-S, гептацикло[8.8.0.0^2,17.0^3,11.0^4,9.0^12,16.0^13,18]октадекан и гептацикло[8.8.0.0^2,13.0^3,11.0^4,9.0^12,17.0^14,18]октадекан, подвергают скелетной изомеризации в присутствии ионных жидкостей состава 2AlCl₃+Et₃N·HCl или 2.5AlCl₃+Et₃N·HCl при температуре 20-50°C в течение 2-72 ч при мольном соотношении реагентов [углеводороды (C₁₈H₂₄)]:[ионная жидкость]=1:2-4 в атмосфере аргона.