Способ получения 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана

Изобретение относится к способу получения 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана -многоатомного спирта каркасного строения. За счет наличия адамантанового фрагмента, материалы, полученные на основе многоатомных спиртов каркасного строения, обладают высокими эксплуатационными характеристиками, в том числе термоокислительной стабильностью, и находят широкое применение в качестве компонентов основ масел для теплонапряженных газотурбинных двигателей современной авиации.

Данным изобретением решена задача получения многоатомного спирта каркасного строения - 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана.

Поскольку 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантан является новым соединением, то поиск существующих методов получения осуществляли по ближайшему аналогу - 1,3,5-тригидроксиадамантану.

Известен способ получения 1,3,5-тригидроксиадамантана, заключающийся в окислении адамантана в присутствии соединений рутения и гипохлорита натрия в водно-органических средах. Выход 1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 9-14% [Патент ЕР 1191010, US 20020040170]. Введение в реакцию трифосфата кальция позволяет увеличить выход целевого многоатомного спирта до 64% [Патент US 20130245329]. К недостаткам данного метода относятся использование дорогостоящих комплексов рутения и низкий выход 1,3,5-тригидроксиадамантана.

1,3,5-Тригидроксиадамантан получают гидролизом 1,3,5-трибромадамантана в концентрированной серной кислоте в присутствии избытка сульфата серебра. Выход продукта составляет 30% [Chem. Ber. 1960, 93, 1366-1371; Патент CN 104628526]. В процессе синтеза используются дорогостоящие реагенты, производство 1,3,5-тригидроксиадамантана по данной методике является экологически небезопасным, возникают трудности при выделении целевого продукта из реакционной смеси. Исходный 1,3,5-трибромадамантан является дорогостоящим и трудно синтезируемым соединением и использование его в качестве сырьевой основы представляется экономически нецелесообразным.

1,3,5-Тригидроксиадамантан получают в одну стадию окислением адамантана под действием избытка метилтрифторметилдиоксирана [Tetrahedron Lett., 31 (21), 3067-3070]. Несмотря на то, что данный способ синтеза является одностадийным и реакция не занимает длительного времени, он не лишен недостатков: дорогостоящее реагенты и растворители для проведения синтеза, выделения и очистки, жесткий контроль за низкой температурой, сложность выделения и очистки целевого продукта, большой расход окислителя.

Альтернативный метод получения 1,3,5-тригидроксиадамантана заключается в окислении адамантана оксидом хрома (VI) в уксусной кислоте. Выход продукта составляет 50% [Synth.Commun., 2013, 43, 1161-1167; RSC Adv. 2015, 5, 67054-67065]. К недостаткам данного способа следует отнести большой расход окислителя и отсутствие экологической безопасности.

Известен способ окисления адамантана пероксидом водорода в присутствии комплексов железа в ацетонитриле, в результате которого происходит образование смеси продуктов, состоящей из 1-адамантанола, 1,3-дигидроксиадамантана, 1,3,5-тригидроксиадамантана и 2-адамантанона. Выход целевого многоатомного спирта составляет 32% [Chem. Eur. J. 2013, 19, 14697-14701]. Недостатками способа являются использование труднодоступных и дорогостоящих комплексов железа, образование трудноразделимой смеси продуктов и, как следствие, низкий выход целевого 1,3,5-тригидроксиадамантана.

1,3,5-Тригидроксиадамантан получают также окислением 1-адамантанола молекулярным кислородом в присутствии N-гидроксифталимида и ацетилацетоната кобальта (II). Выход составляет 18% [Патент US 6392104, Tetrahedron Lett., 1996, 37 (28), 4993-4996].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу методом синтеза является окисление 1-адамантанола под действием молекулярного кислорода в присутствии N-гидроксифталимида, ацетилацетоната кобальта (II) и диоксида марганца, приводящее к образованию смеси продуктов - 1,3,5-тригидроксиадамантана (70%), 1,3-дигидроксиадамантана (23%) и изомерных кетонов (7%) [Патент РФ 2530777]. Основным недостатком данного способа является использование 1-адамантанола в качестве исходного сырья, который является более дорогостоящим исходным субстратом по сравнению с углеводородами каркасного строения.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана - многоатомного спирта каркасного строения.

Техническим результатом изобретения является экономически эффективный метод получения многоатомного спирта каркасного строения - 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана.

Технический результат достигается тем, что синтез 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана проводили окислением 1-этиладамантана молекулярным кислородом в присутствии N-гидроксифталимида в мольном соотношении 1:0.1 моль в расчете на исходный субстрат, ацетилацетоната кобальта (II) мольном соотношении 1:0.01 моль в расчете на исходный субстрат нагреванием реакционной смеси в среде ледяной уксусной кислоты при температуре 60-100°С в течение 40 ч с дальнейшим добавлением в реакционную смесь N-гидроксифталимида в мольном соотношении 1:0 или 1:0.1 моль в расчете на исходный субстрат, ацетилацетоната кобальта (II) мольном соотношении 1:0 или 1:0.01 моль в расчете на исходный субстрат и диоксида марганца мольном соотношении 1:0 или 1:0.05 моль в расчете на исходный субстрат и нагреванием смеси еще в течение 10-35 ч.

Основные отличительные признаки предлагаемого способа можно сформулировать следующим образом:

1. Использование в качестве исходного сырья углеводорода - 1-этиладамантана, который является несравненно более коммерчески доступным по сравнению с 3-этил-1-адамантанолом или 7-этил-1,3,5-трибромадамантаном, получаемых из него же.

2. Дробное добавление N-гидроксифталимида и ацетилацетоната кобальта (II) в реакционную смесь.

3. Выделение целевого продукта осуществляется методом экстрации на аппарате Сокслета.

Выполнение способа

Строение синтезированных соединений подтверждено данными ЯМР-спектроскопии, контроль над ходом реакции и индивидуальность соединения определялись с помощью ТСХ и ГЖХ. ГЖХ анализ проводился на газовом хроматографе «ThermoFocus GC», кварцевая капиллярная колонка ZB5MS 30 м × 0.32 мм толщина фазы 0.25 μм, газ-носитель гелий. Элементный анализ выполнен на автоматическом CHNS-анализаторе "EuroVector ЕА-3000". Спектры ЯМР записаны на приборе Jeol JNM ЕСХ 400 (400 МГц), в ДМСО-d₆.

Изобретение иллюстрируется приведенными ниже примерами. В примерах описано получение заявляемым способом нового многоатомного спирта адамантанового ряда.

Способ получения 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана

Пример 1.

Смесь 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, 5 г (0.03 моль) N-гидроксифталимида, 0.9 г (0.003 моль) ацетилацетоната кобальта (II) нагревают при интенсивном перемешивании до 60°С в 350 мл ледяной уксусной кислоты. После этого в реакционный сосуд пропускают ток молекулярного кислорода со скоростью 3-5 пузырьков в секунду. Реакционную массу перемешивают при данных условиях в течение 40 ч. После этого добавляют еще 5 г (0.03 моль) N-гидроксифталимида, 0.9 г (0.003 моль) ацетилацетоната кобальта (II) и 1.32 г (0.015 моль) диоксида марганца и продолжают реакцию в заданных условиях еще 20 ч. Затем реакционную массу охлаждают, отфильтровывают диоксид марганца, уксусную кислоту упаривают в вакууме и переупаривают с толуолом 2-3 раза. К остатку добавляют 200 мл метил-трет-бутилового эфира, перемешивают при нагревании в течение 1.5 ч и, не охлаждая, фильтруют выпавший осадок 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана. Фильтрат упаривают наполовину, охлаждают и выделяют 5-этил-1,3-дигидроксиадамантан. 7-Этил-1,3,5-тригидроксиадамантан - сырец загружают в аппарат Сокслета и экстрагируют этилацетатом в течение 60 ч. Чистый 7-Этил-1,3,5-тригидроксиадамантан быстро кристаллизуется из этилацетата; осадок отфильтровывают. Фильтрат упаривают и получают 5-этил-1,3-дигидроксиадамантан.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 35.5 г (45%). Т. пл. 238-240°С. Спектр ЯМР¹Н, δ, м.д.: 0.72 т (3Н, J=7.32 Гц, CH₂CH₃), 1.08-1.18 м (8Н, CH₂CH₃, CH₂Ad), 1.30-1.40 м (6Н, CH_2Ad), 4.45 с (3Н, ОН). Спектр ЯМР¹³С, δ, м.д.: 8.1 (СН₃), 34.6 (СН₂), 36.8 (С), 48.3 (СН₂), 52.5 (СН₂), 70.0 (С). Найдено, %: С 67.92; Н 9.52. C₁₂H₂₀O₃. Вычислено, %: С 67.89; Н 9.50.

Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 23.9 г (20%). Т.пл. 166-168°С.

Пример 2.

Синтез проводили по методике, представленной в примере 1, на 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, но при температуре 80°С.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 25.85 г (40%). Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 26.89 г (25%).

Пример 3.

Синтез проводили по методике, представленной в примере 1, на 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, но при температуре 100°С.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 21.9 г (34%). Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 29.28 г (49%).

Пример 4.

Синтез проводили по методике, представленной в примере 1, но без добавления диоксида марганца в реакционную смесь.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 9.69 г (15%). Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 44.82 г (75%).

Пример 5.

Синтез проводили по методике, представленной в примере 1, но без добавления диоксида марганца в реакционную смесь и при температуре 80°С.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 7.75 г (12%). Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 32.87 г (55%).

Пример 6.

Синтез проводили по методике, представленной в примере 1, на 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, но время синтеза после второго добавления реагентов в смесь составляет 35 ч.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 11.63 г (18%). Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 17.33 г (29%).

Пример 7.

Синтез проводили по методике, представленной в примере 1, на 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, но время синтеза после второго добавления реагентов в смесь составляет 10 ч.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 18.74 г (29%). Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 37.00 г (62%).

Пример 8.

Синтез проводили по методике, представленной в примере 1, 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, но с уменьшением количества ацетилацетоната кобальта до 0.003 моль на весь синтез.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 19.39 г (30%). Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 20.9 г (35%).

Пример 9.

Синтез проводили по методике, представленной в примере 1, 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, но с увеличением количества ацетилацетоната кобальта до 0.012 моль на весь синтез.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 34.90 г (44%). Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 22.71 г (28%).

Пример 10.

Синтез проводили по методике, представленной в примере 1, 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, но с уменьшением количества N-гидроксифталимида до 0.03 моль на весь синтез.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 15.51 г (24%). Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 25.70 г (43%).

Пример 11.

Синтез проводили по методике, представленной в примере 1, 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, но с увеличением количества N-гидроксифталимида до 0.12 моль на весь синтез.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 33.61 г (42%). Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 21.51 г (26%).

Пример 12.

Синтез проводили по методике, представленной в примере 1, 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, но с уменьшением количества диоксида марганца до 0.005 моль.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 14.22 г (22%). Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 39.44 г (66%).

Пример 13.

Синтез проводили по методике, представленной в примере 1, на 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, но с увеличением количества диоксида марганца до 0.03 моль.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 35.5 г (45%). Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 22.7 г (28%).

Пример 14.

Смесь 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, 10 г (0.06 моль) N-гидроксифталимида, 1.8 г (0.006 моль) ацетилацетоната кобальта (II) и 1.32 г (0.015 моль) диоксида марганца нагревают при интенсивном перемешивании до 60°С в 350 мл ледяной уксусной кислоты. После этого в реакционный сосуд пропускают ток молекулярного кислорода со скоростью 3-5 пузырьков в секунду. Реакционную массу перемешивают при данных условиях в течение 50 ч.

Выделение продуктов проводили по методике, представленной в примере 1. Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 22.6 г (35%). Т. пл. 238-240°С.

Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 31.1 г (42%). Т. пл. 166-168°С.

Пример 15.

Смесь 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, 5 г (0.03 моль) N-гидроксифталимида, 1.8 г (0.006 моль) ацетилацетоната кобальта (II) и 1.32 г (0.015 моль) диоксида марганца нагревают при интенсивном перемешивании до 60°С в 350 мл ледяной уксусной кислоты. После этого в реакционный сосуд пропускают ток молекулярного кислорода со скоростью 3-5 пузырьков в секунду. Реакционную массу перемешивают при данных условиях в течение 40 ч. После этого добавляют еще 5 г (0.03 моль) N-гидроксифталимида и продолжают реакцию в заданных условиях еще 20 ч.

Выделение продуктов проводили по методике, представленной в примере 1.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 22.62 г (35%). Т. пл. 238-240°С.

Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 28.68 г (48%). Т. пл. 166-168°С.

Пример 16.

Смесь 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, 5 г (0.03 моль) N-гидроксифталимида, 0.9 г (0.003 моль) ацетилацетоната кобальта (II) нагревают при интенсивном перемешивании до 60°С в 350 мл ледяной уксусной кислоты. После этого в реакционный сосуд пропускают ток молекулярного кислорода со скоростью 3-5 пузырьков в секунду. Реакционную массу перемешивают при данных условиях в течение 40 ч. После этого добавляют еще 5 г (0.03 моль) N-гидроксифталимида, 0.9 г (0.003 моль) ацетилацетоната кобальта (II) и 1.32 г (0.015 моль) диоксида марганца и продолжают реакцию в заданных условиях еще 20 ч. Затем реакционную массу охлаждают, отфильтровывают диоксид марганца, уксусную кислоту упаривают в вакууме и переупаривают с толуолом 2-3 раза. К остатку добавляют 200 мл метил-трет-бутилового эфира, перемешивают при нагревании в течение 1.5 ч и, не охлаждая, фильтруют выпавший осадок 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана. Фильтрат упаривают наполовину, охлаждают и выделяют 5-этил-1,3-дигидроксиадамантан. 7-Этил-1,3,5-тригидроксиадамантан - сырец перекристаллизовывают из смеси этанол/этилацетат.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 7.1 г (11%). Т. пл. 238-240°С.

Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 19.1 г (32%). Т. пл. 166-168°С.

Пример 17.

Смесь 50 г (0.3 моль) 1-этиладамантана, 5 г (0.03 моль) N-гидроксифталимида, 0.9 г (0.003 моль) ацетилацетоната кобальта (II) нагревают при интенсивном перемешивании до 60°С в 350 мл ледяной уксусной кислоты. После этого в реакционный сосуд пропускают ток молекулярного кислорода со скоростью 3-5 пузырьков в секунду. Реакционную массу перемешивают при данных условиях в течение 40 ч. После этого добавляют еще 5 г (0.03моль) N-гидроксифталимида, 0.9 г (0.003 моль) ацетилацетоната кобальта (II) и 1.32 г (0.015 моль) диоксида марганца и продолжают реакцию в заданных условиях еще 20 ч. Затем реакционную массу охлаждают, отфильтровывают диоксид марганца, уксусную кислоту упаривают в вакууме и переупаривают с толуолом 2-3 раза. К остатку добавляют 200 мл метил-трет-бутилового эфира, перемешивают при нагревании в течение 1.5 ч и, не охлаждая, фильтруют выпавший осадок 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана. Фильтрат упаривают наполовину, охлаждают и выделяют 5-этил-1,3-дигидроксиадамантан. 7-Этил-1,3,5-тригидроксиадамантан - сырец отмывают от примеси 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана этилацетатом при нагревании и перемешивании. Осадок отфильтровывают, фильтрат упаривают в вакууме и дополнительно выделяют 5-этил-1,3-дигидроксиадамантан.

Выход 7-этил-1,3,5-тригидроксиадамантана составляет 24.5 г (38%). Т. пл. 238-240°С.

Суммарный выход 5-этил-1,3-дигидроксиадамантана 25.1 г (42%). Т. пл. 166-168°С.