способ получения нитрила 1-адамантанкарбоновой кислоты

Формула изобретения

Способ получения нитрила 1-адамантанкарбоновой кислоты общей формулы

каталитическим транс-нитрилированием адамантана, отличающийся тем, что адамантан подвергают взаимодействию с ацетонитрилом в присутствии CBr₄ под действием молибденсодержащего катализатора Мо(СО)₆ при следующем мольном соотношении реагентов [Mo(CO)₆]:[AdH]:[CBr ₄]:[CH₃CN]=1:50÷100:50÷100:2000, при температуре 140°С в течение 2-6 ч.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения нитрила 1-адамантанкарбоновой кислоты.

Нитрил 1-адамантанкарбоновой кислоты и его производные используются для синтеза полиуретанов, которые служат основой для создания светостойких полимерных материалов, дающих волокно типа «спандекс», отличающееся прозрачностью, низкой оптической плотностью, высокой устойчивостью к УФ-облучению и повышенной гидролитической стойкостью.

Нитрил 1-адамантанкарбоновой кислоты является исходным сырьем для получения таких ценных лекарств как амантадин (симметрел), ремантадин и кемантан (Е.И.Багрий. Адамантаны. - М.: Наука, 1989, 264 с. [1]; R.C.Fort, Adamantane: The Chemistry of Diamond Molecules. N.Y.: Dekker, 1976, 385 p. [2]).

Нитрил 1-адамантанкарбоновой кислоты (2) обычно получают методами, основанными на использовании производных адамантана (1), уже содержащих такие функциональные группы, как СООН, CONH ₂, Cl, Br, NC и т.д.

Нитрил 1-адамантанкарбоновой кислоты с почти количественным выходом образуется перегруппировкой из изонитрила методом вакуум-флаш-пиролиза при 540°С за 30 минут (M.Meier, C.Rüchardt, Tetrahedron Letters, V.25, N 32, 3441-3444 (1984) [3]).

Недостатки метода:

1. Труднодоступность исходного изонитрила.

2. Высокая температура реакции.

Последовательным взаимодействием 1-оксиадамантил-3-карбоновой кислоты (4) с CH₃CONH₂ и Ac₂O получен нитрил (1-ацетоксиадамантил-3)карбоновой кислоты (5) (Л.А.Зосим, Н.С.Верповский, А.Г.Юрченко. «Вестн. Киев. политехн. ин-та. Хим. машиностр. и технол.», №16, 3-6 (1979) [4]).

Смесь 2 г (4) и 5 г сухого ацетамида кипятят 6 ч, прибавляют 10 мл Ac₂O и кипятят еще 16 ч, выливают в воду, в осадке получают (5) (выход 40%).

Недостатки метода:

1. Использование труднодоступных исходных соединений.

2. Значительная продолжительность реакции (22 ч).

3. Низкий выход целевого продукта (40%).

Из 1-бром-3-изопропиладамантил-5-карбоновой кислоты (6) последовательным действием SOCl₂ и NH₃ получают амид (1-бром-3-изопропиладамантил-5)карбоновой кислоты (7), обработка которого Ac₂O приводит к образованию нитрила (1-бром-3-изопропиладамантил-5)карбоновой кислоты (8), превращенному действием Ag₂ CO₃ в нитрил (1-изопропиладамантил-3)карбоновой кислоты (9) с выходом 40% [4]:

Смесь 2.6 г (6) и 4 мл SOCl₂ выдерживают 16 ч, нагревают до 40°С (до полной гомогенизации раствора), отгоняют SOCl₂ в вакууме при 40-45 мм рт. ст., остаток разбавляют бензолом и насыщают раствор аммиаком (NH₃), через несколько часов промывают водой, сушат, фильтруют на колонке с Al₂ O₃, после упаривания получают амид (7) с выходом 48%. Кипятят 18 ч 1 г (7) и 5 г Ac₂ O, упаривают в вакууме досуха, растворяют в гексане, пропускают через колонку с Al₂O₃ , концентрированием выделяют нитрил (8) (выход 26%). Смесь 0.2 г (8), 1 г Ag₂CO₃ , 4 мл воды и 0.5 мл ТГФ кипятят 1 час, осадок промывают эфиром, эфирный слой сушат, упаривают, из остатка на колонке с Al ₂O₃ выделяют непрореагировавший (8) (элюент - бензол) и (9) (элюент - эфир). Выход нитрила (9) составляет 40%.

Недостатки метода:

1. Низкий выход целевого продукта.

2. Труднодоступность исходных реагентов.

3. Использование газообразного аммиака.

4. Выделение продуктов реакции на каждой стадии связано с их потерями.

5. Применение дорогостоящего Ag₂CO₃ на стадии дебромирования.

6. Использование агрессивного реагента SOCl₂.

Несмотря на то что нитрилы адамантанового ряда известны, простейший нитрил 1-адамантанкарбоновой кислоты (2) был получен лишь в 1974 г. (Г.А.Швехгеймер, Л.К.Кузьмичева, С.С.Новиков. Изв. АН СССР. Сер. хим., №1, 144-148 (1974) [5]). Амид 1-адамантанкарбоновой кислоты (10) при кипячении с SOCl ₂ в бензоле почти количественно превращается в нитрил (2)

Смесь 1.70 г амида (10), 3.57 г SOCl ₂ и 5 мл абс. бензола кипятили 10 ч, охлаждали до ˜20°С, выливали на 25 г льда и добавляли 50%-ный раствор NaOH до слабощелочной реакции. Смесь экстрагировали эфиром, эфирный раствор промывали водой, сушили Na₂SO₄ , растворитель удаляли в вакууме и получали 1.56 г (97%) нитрила 1-адамантанкарбоновой кислоты (2) [5].

Недостатки метода:

1. Необходимость использования абсолютированных растворителей.

2. Труднодоступность исходных реагентов.

4. Образование сточных вод, которые необходимо утилизировать, требует больших трудо- и энергозатрат.

Нитрил 1-адамантанкарбоновой кислоты получают обработкой адамантанола-1 двумя эквивалентами смеси цианид натрия-триметилхлорсилан (NaCN-Me₃ SiCl) и каталитическим количеством NaJ в растворе диметилформамида и ацетонитрила (ДМФА-CH₃CN) (R.Davis, K.G.Untch. J. Org. Chem. V.46, N 14, 2985-2987 (1984) [6]).

Недостатки метода:

1. Использование цианида натрия, являющегося сильнодействующим ядовитым веществом.

2. Образование большого количества неорганических отходов.

3. Использование избытка Me₃SiCl, необходимость его удаления.

В работе (G.A.Olah, O.Farooq, G.K.S.Prakash, Synthesis (BRD), N 12, 1140-1142 (1985) [7]) описан одностадийный синтез 1-цианадамантана реакцией 1-хлор-(1-бром)адамантана с триметилсилилцианидом, катализируемой кислотой Льюиса. В качестве катализаторов использовались ZnCl₄ или AlBr₃.

К раствору 20 ммолей (11) в 100 мл CH ₂Cl₂ при 0°С в токе N ₂ прибавляют 20 ммолей AlBr₃ или ZnCl₄, затем при 0°С добавляют раствор 26 ммолей Me₃SiCl в 20 мл CH ₂Cl₂, смесь нагревают до 20°С, кипятят, выливают в ледяную воду, подкисляют 1 н. HCl, экстрагируют CH₂Cl₂, хроматографируют на колонке с Al₂O₃ (элюент - петролейный эфир), очищают перегонкой и возгонкой [7].

На основании сходства по трем признакам (исходный реагент - 1-бромадамантан, использование катализатора, образование в результате реакции нитрила 1-адамантанкарбоновой кислоты) за прототип взят метод синтеза нитрила 1-адамантанкарбоновой кислоты из галоидадамантанов и триметилсилилцианида, катализируемый кислотой Льюиса [7].

Прототип имеет следующие недостатки:

1. Умеренный выход целевого продукта.

2. Труднодоступность исходных реагентов.

3. Необходимость проведения реакции при низкой температуре (0°С).

4. Длительность процесса (23-55 часов).

5. Сложности в процессе выделения нитрила 1-адамантанкарбоновой кислоты из-за образования побочных продуктов.

6. Большой расход катализаторов - AlBr₃ , ZnCl₄, которые используются в стехиометрических количествах относительно галогенидов адамантана.

7. Высокая токсичность триметилсилилцианида, которая усугубляется тем, что он легко гидролизуется водой с образованием синильной кислоты.

Авторами предлагается способ получения нитрила 1-адамантанкарбоновой кислоты, не имеющий указанных недостатков.

Сущность способа заключается в цианировании (нитрилировании) адамантана ацетонитрилом (который играет роль реагента и растворителя одновременно) под действием гексакарбонила молибдена [Мо(CO)₆ ] в присутствии CBr₄ при температуре 140°С в течение 2-6 часов, при мольном соотношении [Mo(CO) ₆]:[AdH]:[CBr₄]:[CH ₃CN]=1:50÷100:50÷100:2000, предпочтительно 1:100:100:2000.

В оптимальных условиях при полной конверсии адамантана выход нитрила 1-адамантанкарбоновой кислоты достигает 85%, кроме нитрила (2) в реакционной смеси содержится 1-бромадамантан. В отсутствие CBr₄ реакция нитрилирования не идет.

Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа.

1. Для получения нитрила 1-адамантанкарбоновой кислоты используется гомогенный молибденсодержащий катализатор - Мо(СО)₆ в концентрации 1%, катализирующий однореакторный процесс бромирования адамантана с помощью CBr ₄ и нитрилирования образующегося in situ 1-бромадамантана.

Преимущества предлагаемого метода.

1. Высокий выход целевого продукта.

2. Уменьшение продолжительности реакции (2-6 часов).

3. Селективность процесса.

4. Удешевление себестоимости и упрощение технологии в целом за счет уменьшения энерго- и трудозатрат.

Предлагаемый способ поясняется примерами.

ПРИМЕР 1. Реакции проводили в стеклянных ампулах (V=20 мл) или микроавтоклаве из нержавеющей стали (V=17 мл).

В микроавтоклав (ампулу) под аргоном помещали 0.1 ммоль Мо(СО) ₆, 10 ммоль адамантана, 5-10 ммоль CBr₄ и 200 ммоль ацетонитрила, автоклав герметично закрывали (ампулу запаивали) и нагревали при 140°С в течение 2-6 часов. После окончания реакции микроавтоклав (ампулу) охлаждали до ˜20°С, вскрывали, реакционную массу фильтровали через слой силикагеля (2 г), непрореагировавший ацетонитрил отгоняли, остаток растворяли в дихлорметане и хроматографировали на колонке, заполненной оксидом алюминия II степени активности, элюируя смесью дихлорметан-гексан, 1:1 по объему. Основная фракция, после удаления растворителя, представляла собой кристаллы белого цвета с т.пл. 193-194°С, идентичные нитрилу (2) (выход 85%). Вторая фракция (элюент - дихлорметан) содержит 1-бромадамантан (выход 10-15%).

Выделенный нитрил 1-адамантанкарбоновой кислоты (2) имел следующие свойства: ИК-спектр ( , см^-1): 2250 (C N). Спектр ЯМР ¹Н (CDCl ₃, б, м.д.): 1.75 (т, 6Н, 3СН₂), 2.05 (м, 3Н, 3СН), 1.60 (т, 6Н, 3СН₂). Спектр ЯМР ¹³С (CDCl₃ , б, м.д.): 29.51 (С-1), 39.20 (С-2, С-8, С-9), 26.43 (С-3, С-5, С-7), 35.07 (С-4, С-6, С-10), 124.33 (C N). Масс спектр, m/z (Jотн (%)): [М]+ отсут., 39(12), 41(12), 53(5), 55(5), 65(5), 67(10), 77(10), 79(21), 81(7), 91(7), 93(17), 97(7), 135(100). Найдено (%): С 82.01; Н 9.37; N 8.62. C ₁₁H₁₅N. Вычислено (%): С 81.93; Н 9.38; N 8.69.

Другие примеры, подтверждающие способ, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Синтез нитрила 1-адамантанкарбоновой кислоты из адамантана с помощью CBr₄ и CH₃CN под действием Мо(СО) ₆

№№ пп	Мольное соотношение [Мо(СО)6]:[AdH]:[CBr4 ]:[CH3CN]	Температура, °С	Время реакции, ч	Конверсия AdH, %	Выход Ad-CN, %
1	2	3	4	5	6
1.	1:50:50:2000	140	2	45	75
2.	1:100:50:2000	-«-	-«-	52	78
3.	1:100:100:2000	-«-	-«-	69	80
4.	-«-	-«-	4	79	˜79
5.	-«-	-«-	6	100	85