способ получения многоосновных карбоновых кислот адамантанового ряда

Формула изобретения

Способ получения многоосновных карбоновых кислот адамантанового ряда путем взаимодействия 1-гидроксизамещенных адамантанов с винилиденхлоридом в мольном соотношении 1: 1-3 в присутствии концентрированной серной кислоты, выдерживания реакционной смеси при температуре 5-20°С в течение 1-2,5 ч с последующим добавлением дымящей азотной кислоты в мольном соотношении 1: 2-5 в расчете на адамантановый субстрат, дальнейшим добавлением муравьиной кислоты в мольном соотношении 1: 1-10 в расчете на адамантановый субстрат и выдерживанием в течение 1-12 ч при комнатной температуре.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу получения многоосновных карбоновых кислот каркасного строения. В силу особенностей свойств, обусловленных наличием адамантанового фрагмента, материалы, полученные на основе многоосновных карбоновых кислот каркасного строения, обладают высокими эксплуатационными характеристиками и находят широкое применение в различных областях техники.

Данным изобретением решена задача получения в том числе ранее неописанных многоосновных карбоновых кислот адамантанового ряда, а именно: карбоксиметилзамещенных по предмостиковым положениям адамантанкарбоновых кислот.

Известен способ получения 3-карбоксиметил-1-адамантанкарбоновой кислоты, основанный на взаимодействии 3-нитрокси-1-адамантанкарбоновой кислоты с винилиденхлоридом в среде концентрированной серной кислоты при температуре 5-15°С в течение 1 ч [1]. Выход продукта составляет 85%. Однако, исходное нитроксипроизводное адамантана является довольно дорогостоящим и трудно синтезируемым соединением и использование его в качестве сырьевой основы представляется экономически нецелесообразным.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу методом является взаимодействие 1-адамантилуксусной кислоты с муравьиной кислотой в присутствии серной и азотной кислот при температуре 28°С в течение 4 ч [2]. Выход продукта составляет 50%. Существенным недостатком данного способа является использование дорогостоящей 1-адамантилуксусной кислоты, синтез которой представляет собой отдельную технологическую проблему.

Техническим результатом изобретения является более простой в технологическом отношении, экономически эффективный и экологически менее опасный метод получения многоосновных карбоновых кислот адамантанового ряда.

Технический результат достигается тем, что синтез целевых соединений проводили взаимодействием 1-гидроксизамещенных адамантанов с винилиденхлоридом в мольном соотношении 1:1-3 в присутствии концентрированной серной кислоты, выдерживанием реакционной смеси при температуре 5-20°С в течение 1-2,5 ч, последующим добавлением дымящей азотной кислоты в мольном соотношении 1:2-5 в расчете на адамантановый субстрат и дальнейшим добавлением муравьиной кислоты в мольном соотношении 1:1-10 в расчете на адамантановый субстрат и выдерживанием в течение 1-12 ч при комнатной температуре.

Выделение целевых продуктов осуществляли путем выливания реакционной смеси на измельченный лед или в охлажденную воду и последующим фильтрованием выпавшего осадка.

Основные отличительные признаки предлагаемого способа можно сформулировать следующим образом:

1. Более высокие выходы целевых продуктов в расчете на адамантановое сырье.

2. В предлагаемом способе в качестве исходных соединений используются замещенные 1-гидроксиадамантаны, которые являются несравненно более коммерчески доступными по сравнению с карбоновыми кислотами адамантанового ряда.

3. Сочетание двух реакций (реакции Ботта и реакции Коха-Хаафа) в одном реакционном сосуде существенно упрощает аппаратурную схему процесса и, следовательно, делает этот способ более привлекательным с экономической точки зрения.

4. Малое количество стоков, малая экологическая нагрузка.

5. Возможность получения трехосновных карбоновых кислот адамантанового ряда.

Выполнение способа

Строение синтезированных соединений подтверждено данными ИК-и ЯМР ¹Н-спектров, контроль над ходом реакции и индивидуальность соединения определялись с помощью ТСХ и ГЖХ. ГЖХ анализ проводился на газовом хроматографе «Кристалл 2000М», кварцевая капиллярная колонка ZB5MS 30 м × 0.32 мм толщина фазы 0.25 µм, газ-носитель гелий. ИК-спектр записан на спектрометре Shimadzu FTIR-8400S в таблетках бромида калия. Масс-спектр получен на хроматомасс-спектрометре «Finnigan Trace DSQ» при энергии ионизирующих электронов 70 эВ. Элементный анализ выполнен на автоматическом CHNS-анализаторе " Euro Vector ЕА-3000". Спектры ЯМР ¹Н записаны на приборе Jeol JNM ЕСХ 400 (400 МГц), в CDCl₃, ДМСО-d₆ .

Способ получения 3-карбоксиметил-1-адамантанкарбоновой кислоты

Пример 1. К раствору 5 г (0.033 моль) 1-адамантанола в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 15°С медленно по каплям добавляют 3.94 мл (0.0495 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 1 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 4.1 мл (0.1 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°С. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 1 ч и затем прикапывают 3.8 мл (0.1 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 5 ч и затем выливают на 150 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 4.15 г (53%). Т.пл. 235-236°С. [2]

Пример 2. К раствору 5 г (0.033 моль) 1-адамантанола в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 10°С медленно по каплям добавляют 7.88 мл (0.1 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 1 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 6.84 мл (0.165 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°С. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 30 мин и затем прикапывают 3.8 мл (0.1 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 10 ч и затем выливают на 200 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 4.38 г (56%).

Пример 3. К раствору 5 г (0.033 моль) 1-адамантанола в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 15°С медленно по каплям добавляют 3.94 мл (0.0495 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 1,5 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 4.1 мл (0.1 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°С. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 15 мин и затем прикапывают 3.8 мл (0.1 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 12 ч и затем выливают на 150 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 5.3 г (68%).

Пример 4. К раствору 5 г (0.033 моль) 1-адамантанола в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 5°С медленно по каплям добавляют 3.94 мл (0.0495 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 2,5 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 2.73 мл (0.066 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°С. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 45 мин и затем прикапывают 12.44 мл (0.33 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 8 ч и затем выливают на 200 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 5.5 г (71%).

Пример 5. К раствору 5 г (0.033 моль) 1-адамантанола в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 20°С медленно по каплям добавляют 2.63 мл (0.033 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 1,5 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 4.1 мл (0.1 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°С. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 30 мин и затем прикапывают 6.22 мл (0.165 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 12 ч и затем выливают на 150 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 5.3 г (73%).

Способ получения 5,7-диметил-3-карбоксиметил-1-адамантанкарбоновой кислоты

Пример 1. К раствору 5 г (0.028 моль) 3,5-диметил-1-адамантанола в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 15°С медленно по каплям добавляют 3.34 мл (0.042 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 1 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 3.48 мл (0.084 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°С. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 1 ч и затем прикапывают 3.16 мл (0.084 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 5 ч и затем выливают на 150 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 3.7 г (50%). Т.пл. 200-202°С. ИК-спектр, см^-1: v 3260 (ОН), 2800, 2950 (CH_Ad), 1730 (С=O). Спектр ЯМР ¹Н, , м.д.: 1.04-1.50 м (12Н, Ad), 0.82 с (6Н, CH₃ ), 2.03 с (2Н, СН₂), 12.00 с (2Н, СООН). Найдено, %: С 68.04, Н 9.25. C₁₆H₂₆O₄ . Вычислено, %: С 68.06, Н 9.28. Масс-спектр диметилового эфира 5,7-диметил-3-карбоксиметил-1-адамантанкарбоновой кислоты, полученного метилированием раствором диазометана, m/z (I_отн., %): 338 (16) [М⁺]; 279 (100) [М⁺-59]; 265 (43) [М⁺-73]; 205 (53) [М⁺-133].

Пример 2. К раствору 5 г (0.028 моль) 3,5-диметил-1-адамантанола в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 10°C медленно по каплям добавляют 6.68 мл (0.084 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 1 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 5.80 мл (0.14 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°C. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 30 мин и затем прикапывают 3.16 мл (0.084 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 10 ч и затем выливают на 200 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 3.92 г (53%).

Пример 3. К раствору 5 г (0.028 моль) 3,5-диметил-1-адамантанола в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 15°C медленно по каплям добавляют 3.34 мл (0.042 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 1,5 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 3.48 мл (0.084 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°C. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 15 мин и затем прикапывают 3.16 мл (0.084 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 12 ч и затем выливают на 150 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 4.43 г (60%).

Пример 4. К раствору 5 г (0.028 моль) 3,5-диметил-1-адамантанола в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 5°C медленно по каплям добавляют 3.34 мл (0.042 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 2,5 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 2.32 мл (0.056 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°C. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 45 мин и затем прикапывают 10.56 мл (0.28 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 8 ч и затем выливают на 200 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 4.8 г (65%).

Пример 5. К раствору 5 г (0.028 моль) 3,5-диметил-1-адамантанола в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 20°C медленно по каплям добавляют 2.23 мл (0.028 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 1,5 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 3.48 мл (0.084 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°C. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 30 мин и затем прикапывают 5.27 мл (0.14 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 12 ч и затем выливают на 150 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 5.17 г (70%).

Синтез 3,5-бис(карбоксиметил)-1-адамантанкарбоновой кислоты

Пример 1. К раствору 5 г (0.024 моль) 3-гидрокси-1-адамантилуксусной кислоты в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 15°C медленно по каплям добавляют 2.87 мл (0.036 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 1 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 3.00 мл (0.072 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°C. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 1 ч и затем прикапывают 2.10 мл (0.072 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 5 ч и затем выливают на 150 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 3.8 г (54%). Т.пл. 269-271°C. ИК-спектр, см^-1 : v 3286 (ОН), 2858, 2958 (CH_Ad), 1730 (С=0). Спектр ЯМР ¹Н, , м.д.: 1.37-1.6 м (12Н, CH₂Ad), 1.98 м (4Н, СН₂), 2.04 с (1Н, CHAd), 11.95 с (3Н, СООН). Найдено, %: С 60.77, Н 6.78. C₁₅H₂₀O₆ . Вычислено, %: С 60.80, Н 6.80. Масс-спектр триметилового эфира 3,5-бис(карбоксиметил)-1-адамантанкарбоновой кислоты, полученного метилированием раствором диазометана, m/z (I_отн., %): 338 (17) [М⁺]; 299 (55) [М⁺-ОН]; 298 (30) [М⁺-Н20]; 283 (62) [М⁺-33].

Пример 2. К раствору 5 г (0.024 моль) 3-гидрокси-1-адамантилуксусной кислоты в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 10°C медленно по каплям добавляют 5.73 мл (0.072 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 1 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 5.00 мл (0.12 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°C. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 30 мин и затем прикапывают 2.71 мл (0.072 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 10 ч и затем выливают на 200 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 4.1 г (58%).

Пример 3. К раствору 5 г (0.024 моль) 3-гидрокси-1-адамантилуксусной кислоты в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 15°C медленно по каплям добавляют 2.87 мл (0.036 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 1,5 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 3.00 мл (0.072 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°C. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 15 мин и затем прикапывают 2.10 мл (0.072 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 12 ч и затем выливают на 150 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 4.5 г (64%).

Пример 4. К раствору 5 г (0.024 моль) 3-гидрокси-1-адамантилуксусной кислоты в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 5°C медленно по каплям добавляют 2.87 мл (0.036 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 2,5 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 2.00 мл (0.048 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°C. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 45 мин и затем прикапывают 9.00 мл (0.24 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 8 ч и затем выливают на 200 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 5.1 г (72%).

Пример 5. К раствору 5 г (0.024 моль) 3-гидрокси-1-адамантилуксусной кислоты в 50 мл концентрированной серной кислоты при перемешивании при температуре не выше 20°C медленно по каплям добавляют 1.91 мл (0.024 моль) винилиденхлорида. Полученную смесь выдерживают в течение 1,5 ч при заданной температуре. После этого по каплям добавляют 3.00 мл (0.072 моль) дымящей азотной кислоты таким образом, чтобы температура не поднималась выше 25-30°C. Реакционную массу выдерживают при заданной температуре в течение 30 мин и затем прикапывают 4.52 мл (0.12 моль) 100%-ной муравьиной кислоты. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре в течение 12 ч и затем выливают на 150 г измельченного льда. Полученный осадок отфильтровывают и сушат. Выход 5.42 г (77%).

Литература

[1] Моисеев И.К., Стулин Н.В., Юдашкин А.В., Климочкин Ю.Н. Адамантилнитраты в реакции Ботта. // Ж. Общ. Химии, 1985, т.55, № 7, с.1655-1656.

[2] Butenko L.N., Protopopov Р.А., Derbisher V.E., Khardin A.P. Synthesis of functional derivatives of tricyclic hydrocarbons. // Synth. Commun., vol.14, № 2., 1984, p.113-120.

Класс соединений: каркасные соединения, содержащие карбоксильную группу