劉田英, 曹端林, 王艷紅, 王建龍, 李永祥, 羅 軍

(1. 中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,山西 太原 030051; 2. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

1 引 言

有機(jī)籠狀高能化合物因其結(jié)構(gòu)緊湊,對(duì)稱性高,在醫(yī)藥、高分子、含能材料等有機(jī)化合物中具有重要的應(yīng)用價(jià)值,主要包括八硝基立方烷(ONC)、六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)和多硝基金剛烷(PNAs)等[1]物質(zhì)。目前ONC在國(guó)外只限于實(shí)驗(yàn)室合成,而國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)合成報(bào)道[2]; CL-20產(chǎn)量目前國(guó)內(nèi)已達(dá)到噸級(jí)每年[3]; 而PNAs的合成也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。以金剛烷為母體合成的一系列鹵代金剛烷衍生物,是合成PNAs重要的有機(jī)中間體。

金剛烷(1)又名三環(huán)[3.3.1.1]癸烷(Fig.1),分子式C10H16,是一種高度對(duì)稱的籠狀烴,密度大、熱值高、良好的熱穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性和親油性[4]。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者Olah[5]曾預(yù)言,隨著金剛烷結(jié)構(gòu)性能及規(guī)律性聯(lián)系的研究日趨深入和系統(tǒng)化,相關(guān)的生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)域也將急劇擴(kuò)大,未來(lái)將出現(xiàn)一門新的科學(xué)—“金剛烷化學(xué)”。金剛烷化學(xué)有可能改變高密度、高能量燃料的生產(chǎn)方法,為航空航天及軍事領(lǐng)域提供新型化學(xué)推進(jìn)劑[6],其衍生物的合成研究將成為今后的研究重點(diǎn)。

圖1 金剛烷結(jié)構(gòu)式[4]

Fig.1 The molecular structure of adamantane[4]

金剛烷分子中的氫原子可以同時(shí)或分別被鹵素原子取代,生成一系列的鹵代金剛烷衍生物。鹵代金剛烷衍生物作為金剛烷衍生物中重要的一類化合物,已經(jīng)在生物醫(yī)藥、功能高分子、潤(rùn)滑油、催化劑、表面活性劑、感光材料、農(nóng)藥等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,被稱為新一代精細(xì)化工原料[7-8]。特別是在含能材料領(lǐng)域,以鹵代金剛烷衍生物為前體合成的多硝基金剛烷,穩(wěn)定性好,具有較高的能量,而且對(duì)熱和撞擊非常鈍感,是近年來(lái)很受推崇的高能量密度材料[9]。本文參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn),綜述了以金剛烷為“母體”的鹵代金剛烷衍生物的合成方法,著重對(duì)鹵代金剛烷中的分離問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要評(píng)述,為以鹵代金剛烷為中間體研發(fā)新型的金剛烷衍生物提供參考。

2 鹵代金剛烷衍生物

2.1 鹵代金剛烷的合成機(jī)理

金剛烷分子中1、3、5、7位4個(gè)叔碳原子上的氫原子較其他仲碳原子上的氫原子易發(fā)生取代反應(yīng),其中最典型的是 SE2 型親電取代反應(yīng)和 SN1 型親核取代反應(yīng),由三個(gè)不同空間角度的六元環(huán)結(jié)構(gòu)組成的金剛烷,其橋碳原子及與其直接相連的三個(gè)原子不處在同一平面,不易實(shí)現(xiàn)sp2雜化,降低反應(yīng)的活性,而金剛烷高度對(duì)稱的結(jié)構(gòu)使得橋碳原子與相連的三個(gè)原子能夠形成獨(dú)特的半平面結(jié)構(gòu)[10],使sp2雜化成為可能,從而在一定的條件下發(fā)生取代反應(yīng)。金剛烷橋碳原子的氫活化取代機(jī)理可以運(yùn)用 SET(Single-Electron Transfer)理論解釋[11],其過(guò)程如下所示:

Scheme 1 Activation mechanism of bridge carbon atoms[11]

對(duì)于金剛烷橋碳原子的氫原子取代可以用Scheme 2的兩個(gè)獨(dú)立過(guò)程分別描述,其中Scheme 2a為親電取代過(guò)程,Scheme 2b為SET氧化過(guò)程,兩種過(guò)程都能很成功的解釋其取代機(jī)理[12]。

Scheme 2 Replace mechanism of adamantane bridge carbon atoms[12]

2.2 鹵代金剛烷的合成及應(yīng)用

2.2.1 氟代金剛烷

氟代金剛烷在PET成像應(yīng)用程序和醫(yī)藥等領(lǐng)域有著重大的潛在價(jià)值,在金剛烷分子中引入氟原子可以增加金剛烷的活性,常用的氟化試劑有二氟化氙、1-氯甲基-4-氟-1,4-二氮雜雙環(huán)[2.2.2]辛烷二(四氟硼酸)鹽(Selectfluor氟試劑)、氟化銀等。

2.2.1.1 1-氟金剛烷

1-氟金剛烷(3)主要是以1-金剛烷甲酸(2)、金剛烷(1)為原料f化學(xué)法得到。

(1)以1-金剛烷甲酸(2)為原料

由2可以通過(guò)不同的氟化試劑反應(yīng)得到3。1986年,Patrick等[13]以二氟化氙為氟化試劑合成3(Scheme 3a); 該法是將2和二氟化氙在二氯甲烷溶劑中,22 ℃下反應(yīng)10 h,合成3,產(chǎn)率為82%。2012年,Yin等[14]以Selectfluor氟試劑為氟化試劑(Scheme 3b),2為原料,硝酸銀為催化劑,合成3; 分別對(duì)比了在以丙酮/水為混合溶劑和水為單一溶劑,在以丙酮/水為溶劑時(shí),產(chǎn)率為22%,而以水為溶劑時(shí)產(chǎn)率可達(dá)67%。2015年,Huang等[15]以Et3N-3HF為氟化試劑,[Mn(tmp)]Cl為催化劑,合成3,產(chǎn)率為38%(Scheme 3c)。

Scheme 3 Synthetic route of 1-fluoroadamantane by adamantane-1- carboxylic acid[13-15]

上述路線中,用二氟化氙作為氟化試劑,產(chǎn)率較高,但因其具有的親電性和高活性,所合成的官能團(tuán)表現(xiàn)出較差的耐受性和較低的選擇性,使得這類反應(yīng)的應(yīng)用受到很大的局限; 用Selectfluor氟試劑為氟化試劑,水做溶劑,副產(chǎn)物少,提純分離工藝較簡(jiǎn)單; 用Et3N-3HF為氟化試劑,雖然產(chǎn)率較低,但反應(yīng)條件溫和,操作簡(jiǎn)單。

(2)以金剛烷(1)為原料

2012年,Liu等[16]以1為原料,[Mn(tmp)]Cl為金屬催化劑,合成3(Scheme 4); 該法是1和氟化銀在催化劑下50 ℃反應(yīng)8 h,并通入氮?dú)獗Ｗo(hù),合成3,產(chǎn)物中同時(shí)存在3和2-氟金剛烷(4)兩種物質(zhì),總產(chǎn)率為53%。該催化劑催化活性高,反應(yīng)條件較溫和,而且催化劑可以重復(fù)使用,成本低。

Scheme 4 Synthetic route of 1-fluoroadamantane and 2- fluoroadamantane by adamantane[16]

2014年,Pitts等[17]以1為原料,2-苯甲基環(huán)己酮為非金屬催化劑,合成3(Scheme 5); 該法是將1、Selectfluor氟試劑和2-苯甲基環(huán)己酮按一定比例加入圓底燒瓶,通入氮?dú)獗Ｗo(hù),緩慢滴加乙腈,室溫反應(yīng)4 h,合成3,產(chǎn)率為85%。該法催化劑選擇性高,毒性小,實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單,但催化劑不易得。

Scheme 5 Synthetic route of 1-fluoroadamantane by adamantane[17]

(3)電化學(xué)法

傳統(tǒng)的氟代反應(yīng)中存在一定的局限性,常無(wú)法在特定碳位置引入相應(yīng)的氟原子。2008年,Aoyama等[18]通過(guò)電化學(xué)氟化的方法合成3(Scheme 6); 該法是以1為原料,Et3N-5HF為氟化試劑,和二氯甲烷在35 ℃,2.3 V電壓下發(fā)生氟化作用,合成3。實(shí)驗(yàn)中隨著電壓升高,氟代金剛烷中氟原子個(gè)數(shù)增加,當(dāng)電壓增至60 V時(shí),產(chǎn)物中出現(xiàn)1,3,5,7-四氟金剛烷(7)。用電化學(xué)法制備3,對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的依賴性較強(qiáng),試劑昂貴不易得,合成產(chǎn)物為3、3,5-二氟金剛烷(5)、1,3,5-三氟金剛烷(6)、1,3,5,7-四氟金剛烷(7)的混合物,由于金剛烷結(jié)構(gòu)的高度對(duì)稱性,各產(chǎn)物之間極性相差很小,分離存在一定的難度,但其氧化電勢(shì)的控制簡(jiǎn)單精準(zhǔn),反應(yīng)條件溫和,可以通過(guò)控制不同的電壓,在相應(yīng)的位置引入氟原子,采用電化學(xué)的方法為合成氟代金剛烷提供了一種新的思路,在有機(jī)合成中有著重要的意義。

Scheme 6 Electrochemical preparation of 1-fluoroadamantane[18]

2.2.1.2 1,3,5,7-四氟金剛烷

1,3,5,7-四氟金剛烷(7)是重要的金剛烷衍生物,四個(gè)穩(wěn)定的C—F鍵可以使四個(gè)橋頭碳更穩(wěn)定,從而成為合成橋碳金剛烷衍生物的重要有機(jī)中間體。

2013年,易文斌等[19]以1為原料,三氯化鋁為催化劑合成7(Scheme 7)。具體方法為: Selectfluor氟試劑、三氯化鋁催化劑和1,在溶劑為甲醇和水的混合溶液中,10～50 ℃下反應(yīng),合成7,產(chǎn)率為72%。該方法有以下優(yōu)點(diǎn): 使用的氟化試劑是新型的固體氟化試劑,便于儲(chǔ)存使用,無(wú)毒無(wú)污染,反應(yīng)條件溫和,無(wú)需高溫高壓,無(wú)需耐腐蝕反應(yīng)容器,無(wú)需特殊反應(yīng)儀器,操作簡(jiǎn)單。

Scheme 7 Synthetic route of 1,3,5,7-fluororoadamantane[19]

2.2.2 氯代金剛烷

氯代金剛烷的制備主要通過(guò)金剛烷與各種氯化劑反應(yīng)制得,常用的氯化劑有氯氣、次氯酸鈉、氯化亞砜和氯磺酸等,由于金剛烷結(jié)構(gòu)的高度對(duì)稱性,反應(yīng)所得產(chǎn)物一般為各種氯代金剛烷的混合物。

2.2.2.1 1-氯金剛烷

1-氯金剛烷(8)可由1為原料,通過(guò)不同的氯化劑反應(yīng)合成。1961年,Smith等[20]以氯氣為氯化劑,1為原料,四氯化碳為溶劑,25～30 ℃下光照反應(yīng)2 min,合成8(Scheme 8a)。1971年,Petter等[21]以次氯酸叔丁基酯為氯化劑,1為原料,三氯化鋁為催化劑,合成8(Scheme 8b),產(chǎn)率為89.9%。2015年,Draksharapu等[22]以次氯酸鈉為氯化劑,1為原料,鎳絡(luò)合物為催化劑,二氯甲烷為溶劑,20 ℃下反應(yīng)2 h,合成8(Scheme 8c),產(chǎn)率為11.7%。

Scheme 8 Synthetic route of 1-chloroadamantane by adamantane[20-22]

上述氯化劑的選擇中,氯氣的毒性大,選擇性較差,光催化反應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器有一定的依賴性,但氯化劑活性高,大大縮短了反應(yīng)時(shí)間; 次氯酸叔丁基酯選擇性較好,產(chǎn)率較高,但后處理步驟較繁瑣; 次氯酸鈉為氯化劑,雖產(chǎn)率較低,但其鎳絡(luò)合物催化劑催化活性好、機(jī)械強(qiáng)度高、對(duì)毒物不敏感、導(dǎo)熱性好。

2012年,Wang等[23]以2為原料,采用一價(jià)銀與1,10-啡咯啉形成的絡(luò)合物Ag(Phen)2OTf為新型催化劑,合成8(Scheme 9); 該法是在惰性氣體的保護(hù)下,根據(jù)Hunsdiecker反應(yīng),將2和次氯酸叔丁基酯溶解在乙腈中,加入催化劑,20 ℃下反應(yīng)3 h,得到8,產(chǎn)率為93%; 該法反應(yīng)條件溫和、催化劑催化活性高,具有較好的化學(xué)選擇性和官能團(tuán)兼容性,綠色環(huán)保,在有機(jī)合成中有著良好的應(yīng)用前景。

Scheme 9 Synthetic route of 1-chloroadamantane by adamantane-1-carboxylic acid[23]

2013年,Mondal等[24]以9為原料,二氯亞砜為氯化劑合成8(Scheme 10); 該法是將9和二氯亞砜加入二氯甲烷中,0 ℃下反應(yīng)1 h,金剛烷上的醇羥基被置換為磺酰氯基團(tuán),生成1-磺酰氯金剛烷(10),之后以四氯化鈦為催化劑進(jìn)一步反應(yīng)得到8,產(chǎn)率為92%。

Scheme 10 Synthetic route of 1-chloroadamantane by 1-adamantanol[24]

2.2.2.2 1,3,5,7-四氯金剛烷

金剛烷的橋頭碳原子特別活潑,容易發(fā)生親核取代反應(yīng)。目前文獻(xiàn)報(bào)道合成1,3,5,7-四氯金剛烷(11)的方法通常都是由1和三氯化鋁催化劑在不同的反應(yīng)條件下得到。

2004年,Lee等[25]以三氯化鋁作為催化劑,四氯化碳為溶劑,加熱反應(yīng)1 h,合成化合物11。Lee通過(guò)改變催化劑與原料的比例大大縮短了反應(yīng)時(shí)間,提高了產(chǎn)率,產(chǎn)率為98%。2014年,Singh等[26]在Lee的基礎(chǔ)上,室溫下反應(yīng)合成11(Scheme11),該反應(yīng)條件更加溫和,產(chǎn)率為91%。2014年,杜耀等[1]在Lee的基礎(chǔ)上研究了不同溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)氯代反應(yīng)的影響,得出最佳的反應(yīng)時(shí)間為3 h,溫度為70 ℃。但是所得產(chǎn)物中同時(shí)存在三氯代金剛烷以及五氯代金剛烷,根據(jù)氯代金剛烷易升華的特性,對(duì)其進(jìn)行提純分離,由于同分異構(gòu)體的存在,產(chǎn)物并未能完全分離,其多氯代金剛烷的提純分離工藝仍需進(jìn)一步研究。

Scheme 11 Synthetic route of 1,3,5,7-tetrachloroadamantane[26]

Khusnutdinov等[27]改變了傳統(tǒng)的催化劑,以1為原料,錳為催化劑,四氯化碳為溶劑,合成11(Scheme 12)。實(shí)驗(yàn)研究了用鉬,釩,錳等不同的催化劑對(duì)氯代反應(yīng)的影響,得出最佳的催化劑為錳,但所得產(chǎn)物中同時(shí)含有11,1,5-二氯金剛烷(12),1,3,5-三氯金剛烷(13)三種物質(zhì),其分離提純問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。

Scheme 12 Synthetic route of 1,3,5,7-tetrachloroadamantane[27]

由于金剛烷結(jié)構(gòu)的高度對(duì)稱性,反應(yīng)所得產(chǎn)物一般為各氯代金剛烷混合物,各產(chǎn)物之間極性相差較小,在除水之外的溶劑中溶解度都很相近,目前尚未找到合適的展開(kāi)劑和溶劑,通過(guò)薄層色譜和重結(jié)晶等方法進(jìn)行分離,對(duì)于多氯代金剛烷的分離提純工藝將會(huì)是今后研究的重點(diǎn)。

2.2.2.3 多氯代金剛烷甲酸

多氯代金剛烷甲酸作為合成多硝基金剛烷衍生物的重要有機(jī)中間體,在含能材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,其合成研究具有重要意義。

(1)3-氯金剛烷甲酸

Yurchenko等[28]以2為原料,四氯化碳為溶劑和一氯化碘加熱反應(yīng)5 h,合成3-氯金剛烷甲酸(14)(Scheme 13a),產(chǎn)率為85%。2004年,Khusnutdinov等[27]以2為原料,乙酰丙酮錳作為催化劑,四氯化碳為氯化劑,在乙腈溶液中,200 ℃下反應(yīng)1 h,合成14(Scheme 13b),產(chǎn)率為85%; 該法中乙腈的使用量較大,但催化劑活性高,而且可以重復(fù)使用,大大縮短了反應(yīng)時(shí)間短。

(2)3,5-二氯金剛烷甲酸

專利WO2007/140439A2[29]報(bào)道了以二氯化釕為催化劑,合成3,5-二氯金剛烷甲酸(化合物15)的方法(Scheme 13c); 該法是將2溶解在乙酸乙酯中,加入二氯化釕、水、一定量的次氯酸鈉,80 ℃下反應(yīng)12 h,合成15。

(2)八氯代金剛烷甲酸

金剛烷常規(guī)的氯代反應(yīng),一般情況下,最多可以在分子中引入4個(gè)氯原子,如采用光催化反應(yīng),可以在分子中引入更多的氯原子。Marvin[30]在專利US3218155中報(bào)道了八氯代金剛烷甲酸(化合物16)的合成方法(Scheme 14); 該法是以2為原料,四氯化碳為溶劑,紫外光照下通入氯氣合成16。但專利中未對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征分析,且未給出具體產(chǎn)物16的結(jié)構(gòu)式,其16中氯所在的具體位置也尚未給出。光催化反應(yīng)制備多氯代金剛烷甲酸反應(yīng)屬于自由基親核取代反應(yīng),其3、5、7 位三個(gè)橋頭叔碳原子上的氫原子具有較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性,更容易被氯原子取代。近年來(lái),國(guó)內(nèi)的學(xué)者沒(méi)有對(duì)該物質(zhì)進(jìn)一步的研究,本課題組在它的合成工藝方面進(jìn)行了研究,目前已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展[1]。光催化反應(yīng)制備多氯代金剛烷甲酸有著以下優(yōu)點(diǎn): 時(shí)間短、催化活性高、轉(zhuǎn)化效率高、實(shí)驗(yàn)操作方法簡(jiǎn)單、溫度低、成本低,符合現(xiàn)代綠色化學(xué)的需求。

Scheme 13 Synthetic route of 3,5-dichloroadamantane-1-carboxylic acid and 3-chloroadamantane-1-carboxylic[27-29]

Scheme 14 Synthetic route of octchloroadamantane-1-carboxylic acid[30]

2.2.3 溴代金剛烷

溴代金剛烷作為合成金剛烷胺等化合物的有機(jī)中間體,在抗病毒等醫(yī)藥領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值,其合成主要通過(guò)1與液溴反應(yīng)制得,通過(guò)改變催化劑或反應(yīng)物料比,可以選擇性制備含有不同溴原子數(shù)目的金剛烷橋頭碳取代物。常用的溴化劑有二溴甲烷、溴水等,但溴水、二溴甲烷對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器腐蝕較大,高溫下產(chǎn)生的溴化氫氣體對(duì)環(huán)境污染較大,不能大批量生產(chǎn),因此尋找新的溴化試劑和新的合成路線顯的尤為重要。

2.2.3.1 1-溴金剛烷

1-溴金剛烷(17)是重要的有機(jī)合成中間體,由它可以合成一系列衍生物。金剛烷的一溴代反應(yīng)是自由基反應(yīng),光、熱或自由基引發(fā)劑(如過(guò)氧化物等)是促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行的必要條件,將金剛烷溶于液溴加熱反應(yīng)一定時(shí)間可以得到17。

1988年,Cyril等[31]等以1為原料和液溴反應(yīng)合成17,實(shí)驗(yàn)中所需的液溴需進(jìn)行提純干燥,該法雖制備反應(yīng)條件比較苛刻,但克服了高溫反應(yīng)中液溴揮發(fā)的問(wèn)題,使反應(yīng)條件更溫和。

2013年,Nishina等[32]以Li2MnO3為催化劑制備17; 該法是將1溶解在溴水里,加入催化劑,光照下100 ℃反應(yīng)10 h,所得產(chǎn)物同時(shí)存在17和2-溴金剛烷(18)(Scheme 15)。該催化反應(yīng)催化活性高,綠色無(wú)污染,而且可以重復(fù)使用,是溴代反應(yīng)歷程中一個(gè)新的突破。

Scheme 15 Synthetic route of 1-bromoadamantane and 2-bromoadamantane[32]

2015年,Khusnutdinov等[33]以1為原料,Fe(acac)3為催化劑,四溴化碳為溴化劑,正己烷為溶劑,80 ℃反應(yīng)2 h得到17(Scheme 16a)。實(shí)驗(yàn)研究了不同催化劑Fe2(CO)9、Fe3(CO)12、Fe(acac)2、Fe(acac)3、 Fe(OAc)2·4H2O、FeCl3·6H2O、Fe(C8H15O2)3對(duì)溴代反應(yīng)的影響,最佳的催化劑為Fe(acac)3。用Fe(acac)3作催化劑,產(chǎn)物中同時(shí)存在17和1,3-二溴金剛烷(19)。Schreiner等[34]同樣以1為原料,苯基三甲基銨為相轉(zhuǎn)移催化劑,在50%氫氧化鈉和四溴化碳的混合溶劑中,同樣得到產(chǎn)物17和19,其中17占70%,19占15%(Scheme 16b)。

Scheme 16 Synthetic route of 1-bromoadamantane and 1,3-dibromoadamantane[33-34]

上述Scheme 14b中以四溴化碳為溴化試劑碳原子的活化機(jī)理可以用過(guò)程Fig.2來(lái)解釋: 其中E1,E2符合所Fig.2中的SET 反應(yīng)機(jī)理,而 E3,E4則符合自由基取代機(jī)理。雖然1-,2-金剛烷自由基具有相似的熱力學(xué)穩(wěn)定性[35],但是由于空間位阻效應(yīng),在 E3,E4兩步反應(yīng)中的氫吸引和自由基取代過(guò)程中,使得 2-金剛烷取代產(chǎn)物量很少。

圖2 碳原子的活化機(jī)理[12]

Fig.2 Activation mechanism of carbon atoms[12]

Kawakami等[36]以9為原料制備17(Scheme 17); 該法是將9溶解在二溴甲烷中,室溫回流反應(yīng)10 h,可得17,產(chǎn)率為99%。該法反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率高、無(wú)需催化劑、成本低、操作簡(jiǎn)單。

Scheme 17 Synthetic route of 1-bromoadamantane by 1-adamantanol[36]

2013年,Inomata等[37]以1-丁氧基金剛烷(20)為原料合成17(Scheme 18); 該法是將溴水加入17中,并加入四氯化碳,室溫?cái)嚢璺磻?yīng)12 h,合成17,產(chǎn)率為97%。

Scheme 18 Synthetic route of 1-bromoadamantane by 1-butoxyadaman[37]

2015年,Mizukami等[38]以3為原料合成17(Scheme 19); 該法是將3、二溴甲烷和三乙基鋁在20 ℃下反應(yīng)0.5 h,產(chǎn)率為80%。該反應(yīng)條件溫和,時(shí)間短,但原料3價(jià)格昂貴不易得,合成較困難,不能大量生產(chǎn)。

Scheme 19 Synthetic route of 1-bromoadamantane by 1-flouroadamantane[38]

2.2.3.2 二溴代金剛烷

二溴代金剛烷主要作為合成對(duì)橋頭二取代金剛烷衍生物的中間體,可由1和溴化試劑在三氯化鋁、銠、鐵等的催化劑下反應(yīng)制得。

1991年,Denmark等[39]以三氯化鋁為催化劑兩步法合成19; 該法先以1為原料,和溴水反應(yīng)得到化合物17,再以三溴化鋁為催化劑,三溴化硼為溴化試劑,85 ℃下和溴水反應(yīng)1.5 h,得到19,產(chǎn)率為87%(Scheme 20)。

Scheme 20 Two-step synthesis of 1,3-dibromoadamantane[39]

1991年,Khusnutdinov等[40]以銠作為催化劑,和二溴甲烷在200 ℃下反應(yīng)40 h,一步法合成二溴金剛烷(Scheme 21)。產(chǎn)物中同時(shí)存在19、1,2-二溴金剛烷(21)和1,4-二溴金剛烷(22)。

Scheme 21 One-step synthesis of dibromoadamantane[40]

2014年Degtyarenko等[41]以鐵為催化劑合成19; 該法是將1與溴水在鐵的催化下,20 ℃下反應(yīng)2 h即可,產(chǎn)率高達(dá)96%; 該法催化劑廉價(jià)易得,可以重復(fù)使用,反應(yīng)條件溫和,將得到的19作為合成高分子材料的重要中間體。

上述路線中采用不同的催化劑合成二溴代金剛烷: 三氯化鋁為催化劑兩步法合成19,雖操作復(fù)雜,但采用三溴化鋁催化劑,反應(yīng)條件溫和,產(chǎn)率高,反應(yīng)時(shí)間短; 以銠為催化劑反應(yīng)一步法合成19,催化劑價(jià)格昂貴不易得,反應(yīng)溫度較高,所需時(shí)間長(zhǎng),而且二溴甲烷在此高熱下易分解為有毒的溴化氫氣體,污染環(huán)境,所得產(chǎn)物為各種二溴代金剛烷的同分異構(gòu)體,其分離提純工藝還需進(jìn)一步研究,不適合大批量生產(chǎn); 以鐵為催化劑價(jià)格廉價(jià)易得、選擇性好、反應(yīng)條件溫和、時(shí)間短、產(chǎn)率高、因此用鐵做催化劑合成19,符合現(xiàn)代綠色化學(xué)的需求,適合工業(yè)化生產(chǎn)。

2.2.3.3 1,3,5,7-四溴金剛烷

金剛烷的溴代反應(yīng)選擇性較高,溴代反應(yīng)通常只發(fā)生在橋碳位置,1,3,5,7-四溴金剛烷(23)作為重要的有機(jī)中間體,由其可合成一系列金剛烷衍生物,而廣泛的應(yīng)用于醫(yī)藥、高分子等領(lǐng)域。

1980年,Sollott等[42]以1為原料與液溴在無(wú)水三氯化鋁催化下反應(yīng) 24 h,合成23,作為合成1,3,5,7-四硝基金剛烷的中間體。2004年,Lee等[25]同樣用三氯化鋁為催化劑,在Sollott的基礎(chǔ)上將1和溴水加熱反應(yīng)9 h,得到23,作為合成1,3,5,7-四氨基金剛烷和1,3,5,7-四羧基金剛烷的中間體,產(chǎn)率為94%(Scheme 22)。2014年,Singh等[43]在Lee的基礎(chǔ)上,將加熱反應(yīng)改為室溫回流,得到23,為有機(jī)薄膜晶體管的中間體,產(chǎn)率也為94%。目前用三氯化鋁作為催化劑合成23的工藝已經(jīng)比較成熟。

Scheme 22 Synthetic route of 1,3,5,7-tetrabrodoadamantane[25]

2.2.4 碘代金剛烷

碘代金剛烷作為重要的有機(jī)中間體,一般都是通過(guò)鹵素之間的置換或者是其他物質(zhì)間接反應(yīng)得到,常用的碘化試劑有碘甲烷、二碘甲烷,但二碘甲烷價(jià)格昂貴,有劇毒,不適合工業(yè)化生產(chǎn),嘗試采用新的碘化試劑合成碘代金剛烷的反應(yīng)將會(huì)是今后的研究重點(diǎn)。

2.2.4.1 1-碘金剛烷

1-碘金剛烷(24)可由7通過(guò)不同的碘化試劑獲得。2005年,Iranpoor等[44]以7為原料,碘單質(zhì)為碘化試劑,采用新的異構(gòu)化試劑Silphos合成24(Scheme 23a),產(chǎn)率為95%。該法解決了以往由醇羥基向鹵素轉(zhuǎn)換過(guò)程中,五氧化二磷等副產(chǎn)物的分離,以及頻繁的通過(guò)過(guò)柱子的方法來(lái)獲得純品的難題,其中Silphos試劑容易制備、穩(wěn)定、成本低、產(chǎn)率高。2006年,Tajik等[45]同樣以7為原料,碘化鉀為碘代試劑和硫酸氫鋁在己烷溶劑中,20 ℃下反應(yīng)0.5 h,得到24(Scheme 23b),產(chǎn)率為90%。2012年Dobmeier等[46]以7為原料反應(yīng)合成24(Scheme 23c),該法用氫碘酸代替原來(lái)的強(qiáng)酸,在水和苯兩相介質(zhì)中,通入惰性氣體保護(hù),80 ℃反應(yīng)8 h得到產(chǎn)物,產(chǎn)率為98%。該法產(chǎn)率較高,但是反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),而且碘酸價(jià)格昂貴,反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生污染環(huán)境的廢液,不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

Scheme 23 Synthetic route of 1-iodoadamantane by 1-adamantanol[44-46]

Namavari等[47]以17為原料,碘酸為碘化試劑,105 ℃下反應(yīng)0.5 h,合成24(Scheme 24a )。2015年Hwang等[48]以17為原料、碘為碘化試劑和四氫呋喃、氰化亞銅反應(yīng)合成24(Scheme 24b),產(chǎn)率為85%。該法中氰化亞銅毒性較大,在空氣中吸收水和二氧化碳可產(chǎn)生劇毒氣體,危險(xiǎn)系數(shù)較高,具有一定的局限性。

Scheme 24 Synthetic route of 1-iodoadamantane by 1-bromoadamantane[47-48]

以8為原料可以通過(guò)不同的碘化試劑反應(yīng)合成24。Olah等[49]以8為原料,碘化銀為碘化試劑,在氯仿溶液中加熱反應(yīng)16 h合成24(Scheme 25a),產(chǎn)率為94%,純度大于98%。2011年Melzig等[50]以1為原料和四氫呋喃在鐵為催化下反應(yīng)24 h合成24(Scheme 25b),作為過(guò)渡金屬催化劑的中間體,產(chǎn)率為61%。2013年Namavari等[47]在上述基礎(chǔ)上以8為原料和碘酸在120 ℃的條件下反應(yīng)2 h合成24(Scheme 25c),產(chǎn)率為92%,大大縮短了反應(yīng)時(shí)間。

Scheme 25 Synthetic route of 1-iodoadamantane by 1-chloroadamantane[47,49,50]

2013年,Traeff等[51]以3為原料,YbI3為碘化試劑室溫下反應(yīng)5 min合成20(Scheme 26); 該法具有較高的選擇性,而且各種官能團(tuán)在溶液中有很好的兼容性,反應(yīng)條件溫和,時(shí)間短,但原料3價(jià)格昂貴,不易得。

Scheme 26 Synthetic route of 1-iodoadamantane by 1-fluoroadamantane[51]

2.2.4.2 1,3,5,7-四碘金剛烷

1,3,5,7-四碘金剛烷(25)作為合成1,3,5,7-四硝基金剛烷、1,3,5,7-四氨基金剛烷等衍生物的重要中間體,其合成具有重要的研究意義,25通常不能通過(guò)碘化試劑與金剛烷直接反應(yīng)得到,目前相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道主要是通過(guò)23與不同的碘化試劑反應(yīng)制得。

Gilbert等[42]在合成1,3,5,7-四硝基金剛烷時(shí),報(bào)道了其中間體25的合成,其合成方法是1、液溴、無(wú)水三氯化鋁按一定比例反應(yīng)制備23,再以二碘甲烷為碘化試劑,合成25。 Murray等[52]在合成1,3,5,7-四硝基金剛烷的同時(shí),同樣以二碘甲烷為碘化試劑兩步法合成25,產(chǎn)率為64%。Lee等[25]以碘甲烷為碘化試劑合成25,該法第一步同樣是將1、液溴、三溴化鋁按一定比例反應(yīng)合成23,再和碘甲烷、三溴化鋁常溫下反應(yīng)15 h,合成25,產(chǎn)率為91%(Scheme 27)。

Scheme 27 Synthetic route of 1,3,5,7-tetraiodoadamantane[25]

上述路線中使用的碘甲烷、二碘甲烷等碘化試劑,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境有一定的危害性,不符合現(xiàn)代綠色化學(xué)的要求。因此,尋求新的碘化試劑和新的合成工藝路線是目前迫切需要解決的問(wèn)題之一。

3 結(jié)論與展望

(1)鹵代金剛烷衍生物的合成中,產(chǎn)物往往為各鹵代物的混合物,其各鹵代金剛烷的極性相差很小,尋找新的分離提純方法,將會(huì)是今后研究的重點(diǎn)。

(2)金剛烷理論上最多可以引入16個(gè)鹵素原子,目前國(guó)外報(bào)到最多可以引入8個(gè)鹵素原子,其在國(guó)內(nèi)的研究尚處于探索階段。因此,在金剛烷分子中引入大于8個(gè)鹵素原子的合成工藝路線,并探索其進(jìn)一步的應(yīng)用將會(huì)是今后國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

(3)鹵化反應(yīng)中,溴水,二碘甲烷等鹵化試劑,價(jià)格昂貴,有劇毒,不適合工業(yè)化生產(chǎn),因此,研發(fā)一些低毒、廉價(jià)、高效又綠色環(huán)保的鹵化試劑和合成路線,以適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施和綠色化學(xué)化工的實(shí)際應(yīng)用顯得尤為重要。

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