Адамантан представляет собой органическое соединение формулы C 10 H 16 или, более описательно, (CH) 4 (CH 2 ) 6 . Молекулы адамантана можно описать как слияние трех циклогексановых колец. Молекула одновременно жесткая и практически не подвержена напряжениям. Адамантан является наиболее стабильным изомером C 10 H 16 . Пространственное расположение атомов углерода в молекуле адамантана такое же, как и в кристалле алмаза . Это сходство привело к названию адамантан , которое происходит от греческого adamantinos (относящегося к стали или алмазу ). [4] Это белое твердое вещество с запахом камфоры . Это простейший алмазоид .
Открытие адамантана в нефти в 1933 году положило начало новой области химии, посвященной синтезу и свойствам полиэдрических органических соединений. Производные адамантана нашли практическое применение в качестве лекарственных препаратов, полимерных материалов и термостойких смазок.
В 1924 году Х. Декер предположил существование адамантана, который он назвал декатерпеном . [5]
Первая попытка лабораторного синтеза была предпринята в 1924 немецким химиком Гансом Меервейном с использованием реакции формальдегида с диэтилмалонатом в присутствии пиперидина . Вместо адамантана Меервейн получил 1,3,5,7-тетракарбометоксибицикло[3.3.1]нонан-2,6-дион: это соединение, позже названное эфиром Меервейна, было использовано в синтезе адамантана и его производных. [6] Д. Боттгер пытался получить адамантан, используя в качестве прекурсора эфир Меервейна. Продукт, трицикло-[3.3.1.1 3,7 ], был не адамантаном, а его производным. [7]
Другие исследователи пытались синтезировать адамантан, используя флороглюцинол и производные циклогексанона , но тоже потерпели неудачу. [8]
Адамантан был впервые синтезирован Владимиром Прелогом в 1941 году из эфира Меервейна. [9] [10] При выходе 0,16% пятиэтапный процесс был непрактичным (упрощенно на изображении ниже). Метод используется для синтеза некоторых производных адамантана. [8]
Метод Прелога был усовершенствован в 1956 году. Выход декарбоксилирования был увеличен за счет добавления пути Хунсдикера (11%) и реакции Хоффмана (24%), что увеличило общий выход до 6,5%. [11] [12] Процесс все еще был слишком сложным, и в 1957 году Пауль фон Раге Шлейер нашел более удобный метод : дициклопентадиен сначала гидрировали в присутствии катализатора (например, диоксида платины ) с получением трициклодекана , а затем превращали в адамантан с использованием кислоты Льюиса (например, хлорида алюминия ) в качестве другого катализатора. Этот метод увеличил выход до 30–40% и обеспечил доступный источник адамантана; поэтому он стимулировал характеристику адамантана и до сих пор используется в лабораторной практике. [13] [14] Выход синтеза адамантана позже был увеличен до 60% [15] и 98% с помощью ультразвука и суперкислотного катализа. [16] Сегодня адамантан — доступное химическое соединение, стоимость которого составляет один-два доллара за грамм.
Все вышеперечисленные методы позволяют получить адамантан в виде поликристаллического порошка. Используя этот порошок, монокристаллы можно выращивать из расплава, раствора или паровой фазы (например, с помощью метода Бриджмена-Стокбаргера ). Рост расплава приводит к наихудшему качеству кристаллов с мозаичным разбросом в рентгеновском отражении около 1°. Лучшие кристаллы получаются из жидкой фазы, но рост происходит неосуществимо медленно – несколько месяцев для кристалла размером 5–10 мм. Рост из паровой фазы является разумным компромиссом с точки зрения скорости и качества. [17] Адамантан сублимируется в кварцевой трубке, помещенной в печь, оснащенную несколькими нагревателями, поддерживающими определенный градиент температуры (около 10 °С/см для адамантана) вдоль трубки. Кристаллизация начинается на одном конце трубки, который находится вблизи точки замерзания адамантана. Медленное охлаждение трубки при сохранении градиента температуры постепенно смещает зону плавления (скорость ~2 мм/час), образуя монокристаллическую булю . [18]
Адамантан впервые был выделен из нефти чешскими химиками С. Ландой, В. Мачачеком и М. Мзуреком. [19] [20] Они использовали фракционную перегонку нефти. Они смогли произвести лишь несколько миллиграммов адамантана, но заметили его высокие температуры кипения и плавления . Из-за (предполагаемого) сходства структуры со структурой алмаза новое соединение было названо адамантаном. [8]
Нефть остается источником адамантана; содержание варьируется от 0,0001% до 0,03% в зависимости от нефтяного месторождения и слишком мало для коммерческой добычи. [21] [22]
Нефть содержит более тридцати производных адамантана. [21] Их выделение из сложной смеси углеводородов возможно благодаря их высокой температуре плавления и способности перегоняться с водяным паром и образовывать устойчивые аддукты с тиомочевиной .
Чистый адамантан представляет собой бесцветное кристаллическое вещество с характерным запахом камфоры . Практически нерастворим в воде, но легко растворим в неполярных органических растворителях . [23] Адамантан имеет необычно высокую температуру плавления для углеводорода . При 270 °C его температура плавления намного выше, чем у других углеводородов с той же молекулярной массой, таких как камфен (45 °C), лимонен (-74 °C), оцимен (50 °C), терпинен (60 °C). или твистана (164°С), или линейного углеводорода C 10 H 22 декана (-28°С). Однако адамантан медленно сублимируется даже при комнатной температуре. [24] Адамантан можно перегонять с водяным паром . [22]
По данным дифракции электронов и рентгеновской кристаллографии , молекула имеет симметрию Td . Длина связи углерод-углерод составляет 1,54 Å , что почти идентично длине связи алмаза. Расстояния углерод-водород составляют 1,112 Å. [3]
В условиях окружающей среды адамантан кристаллизуется в гранецентрированную кубическую структуру ( пространственная группа Fm3m, a = 9,426 ± 0,008 Å , четыре молекулы в элементарной ячейке), содержащую ориентационно разупорядоченные молекулы адамантана. Эта структура превращается в упорядоченную примитивную тетрагональную фазу ( a = 6,641 Å , c = 8,875 Å ) с двумя молекулами на ячейку либо при охлаждении до 208 К, либо при повышении давления выше 0,5 ГПа. [8] [24]
Этот фазовый переход имеет первый род; оно сопровождается аномалией теплоемкости , упругости и других свойств. В частности, если в кубической фазе молекулы адамантана свободно вращаются, то в тетрагональной они заморожены; плотность ступенчато увеличивается от 1,08 до 1,18 г/см 3 , а энтропия изменяется на значительную величину - 1594 Дж/(моль·К). [17]
Упругие константы адамантана измерялись с использованием крупных (сантиметровых) монокристаллов и ультразвукового эхо-метода. Главное значение тензора упругости C 11 было определено как 7,52, 8,20 и 6,17 ГПа для кристаллических направлений <110>, <111> и <100>. [18] Для сравнения: соответствующие значения для кристаллического алмаза составляют 1161, 1174 и 1123 ГПа. [25] Расположение атомов углерода одинаково в адамантане и алмазе; [26] однако в твердом адамантане молекулы не образуют ковалентную решетку, как в алмазе, а взаимодействуют посредством слабых сил Ван-дер-Ваальса . В результате кристаллы адамантана очень мягкие и пластичные. [17] [18] [27]
Спектр ядерного магнитного резонанса (ЯМР) адамантана состоит из двух плохо разрешенных сигналов, соответствующих участкам 1 и 2 (см. рисунок ниже). Химические сдвиги ЯМР 1 H и 13 C составляют соответственно 1,873 и 1,756 м.д. и 28,46 и 37,85 м.д. [28] Простота этих спектров согласуется с высокой молекулярной симметрией.
Масс-спектры адамантана и его производных весьма характерны. Основной пик при m / z = 136 соответствует C
10ЧАС+
16ион. Его фрагментация приводит к более слабым сигналам, поскольку m / z = 93, 80, 79, 67, 41 и 39. [3] [28]
Инфракрасный спектр поглощения адамантана относительно прост из-за высокой симметрии молекулы. Основные полосы поглощения и их отнесение приведены в таблице: [3]
* Легенды соответствуют типам колебаний: δ – деформационные, ν – растяжение, ρ и ω – внеплоские деформационные колебания групп CH 2 .
Производные адамантана с разными заместителями в каждом узловом углеродном положении являются хиральными . [29] Такая оптическая активность была описана в адамантане в 1969 году с четырьмя различными заместителями: водородом , бромом , метилом и карбоксилом . Величины удельного вращения невелики и обычно находятся в пределах 1°. [30] [31]
По правилам систематической номенклатуры адамантан называют трицикло[3.3.1.1 3,7 ]деканом. Однако ИЮПАК рекомендует использовать название «адамантан». [1]
Молекула адамантана состоит только из углерода и водорода и имеет симметрию Td . Поэтому его 16 атомов водорода и 10 атомов углерода можно описать только двумя позициями, которые на рисунке обозначены как 1 (4 эквивалентных узла) и 2 (6 эквивалентных узлов).
Структурными родственниками адамантана являются норадамантан и гомоадамантан, которые соответственно содержат на одно звено CH 2 меньше и на одно больше , чем адамантан.
Катион адамантана можно получить обработкой 1-фторадамантана SbF 5 . Его стабильность относительно высока. [32] [33]
Дикатион 1,3 -дидегидроадамантана получен в растворах суперкислот . Он также обладает повышенной стабильностью благодаря явлению, называемому «трехмерная ароматичность» [34] или гомоароматичностью . [35] Эта четырехцентровая двухэлектронная связь включает одну пару электронов, делокализованных между четырьмя атомами-мостиками.
Большинство реакций адамантана происходят через 3-координированные углеродные центры. Они участвуют в реакции адамантана с концентрированной серной кислотой , в результате которой образуется адамантанон . [36]
Карбонильная группа адамантанона допускает дальнейшие реакции через мостиковый сайт. Например, адамантанон является исходным соединением для получения таких производных адамантана, как 2-адамантанкарбонитрил [37] и 2-метиладамантан. [38]
Адамантан легко реагирует с различными бромирующими агентами, в том числе с молекулярным бромом . Состав и соотношение продуктов реакции зависят от условий реакции и особенно от наличия и типа катализаторов . [21]
Кипячение адамантана с бромом приводит к образованию монозамещенного адамантана - 1-бромадамантана. Множественное замещение бромом достигается добавлением катализатора на основе кислоты Льюиса . [39]
Скорость бромирования увеличивается при добавлении кислот Льюиса и не изменяется при облучении или добавлении свободных радикалов. Это указывает на то, что реакция протекает по ионному механизму. [8]
Первые фторирования адамантана были проведены с использованием в качестве исходных соединений 1-гидроксиадамантан [40] и 1-аминоадамантан. Позднее фторирование было достигнуто, начиная с самого адамантана. [41] Во всех этих случаях реакция протекала через образование катиона адамантана, который затем взаимодействовал с фторированными нуклеофилами. Сообщалось также о фторировании адамантана газообразным фтором . [42]
Карбоксилирование адамантана муравьиной кислотой дает 1-адамантанкарбоновую кислоту . [43]
1-Гидроксиадамантан легко образуется при гидролизе 1-бромадамантана в водном растворе ацетона . Его также можно получить путем озонирования адамантана: [44] Окисление спирта дает адамантанон .
Адамантан взаимодействует с бензолом в присутствии кислот Льюиса, что приводит к реакции Фриделя-Крафтса . [45] Арилзамещенные производные адамантана можно легко получить, исходя из 1-гидроксиадамантана. В частности, реакция с анизолом протекает в обычных условиях и не требует катализатора. [39]
Нитрование адамантана — сложная реакция, характеризующаяся умеренными выходами. [46] Азотзамещенный препарат амантадин можно получить путем взаимодействия адамантана с бромом или азотной кислотой с образованием бромида или нитроэфира в 1-положении. Реакция любого соединения с ацетонитрилом дает ацетамид, который гидролизуется с образованием 1-адамантиламина: [47]
Адамантан сам по себе находит мало применений, поскольку он представляет собой всего лишь нефункционализированный углеводород . Он используется в некоторых масках для сухого травления [48] и полимерных составах.
В твердотельной ЯМР- спектроскопии адамантан является общим стандартом для определения химического сдвига . [49]
В лазерах на красителях адамантан может использоваться для продления срока службы усиливающей среды; он не может фотоионизироваться в атмосфере, поскольку его полосы поглощения лежат в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра. Энергии фотоионизации определены для адамантана, а также для нескольких более крупных алмазоидов . [50]
Все известные на сегодняшний день медицинские применения связаны не с чистым адамантаном, а с его производными. Первым производным адамантана, использованным в качестве лекарственного средства, был амантадин – сначала (1967 г.) как противовирусное средство против различных штаммов гриппа [51] , а затем для лечения болезни Паркинсона . [52] [53] Другие препараты среди производных адамантана включают адапален , адапромин , бромантан , кармантадин, хлодантан, допамантин, мемантин , римантадин , саксаглиптин , тромантадин и вилдаглиптин . Полимеры адамантана запатентованы как противовирусные средства против ВИЧ . [54]
Штаммы вируса гриппа развили лекарственную устойчивость к амантадину и римантадину, которые по состоянию на 2016 год не эффективны против распространенных штаммов.
Адамантан недавно был идентифицирован как ключевая структурная субъединица в нескольких синтетических каннабиноидных наркотиках , а именно AB-001 и SDB-001 . [55]
Адамантан является привлекательным кандидатом в качестве топлива в двигателях на эффекте Холла, поскольку он легко ионизируется, может храниться в твердой форме, а не в резервуаре под тяжелым давлением, и относительно нетоксичен. [56]
Некоторые алкилпроизводные адамантана использовались в качестве рабочей жидкости в гидравлических системах . [57] Полимеры на основе адамантана могут найти применение для покрытий сенсорных экранов , [58] и есть перспективы использования адамантана и его гомологов в нанотехнологиях . Например, мягкая клеточная структура твердого адамантана позволяет включать в себя молекулы-гости, которые могут высвободиться внутри человеческого тела при разрушении матрицы. [15] [59] Адамантан можно использовать в качестве молекулярных строительных блоков для самосборки молекулярных кристаллов. [60] [61]
Многие молекулы и ионы имеют клеточную структуру, подобную адамантану. К ним относятся триоксид фосфора P 4 O 6 , триоксид мышьяка As 4 O 6 , пентаоксид фосфора P 4 O 10 = (PO) 4 O 6 , пентасульфид фосфора P 4 S 10 = (PS) 4 S 6 и гексаметилентетрамин C 6 N 4 . ЧАС 12 знак равно Н 4 (СН 2 ) 6 . [62] Особенно известен тетраметилендисульфотетрамин , часто сокращаемый до «тетрамина», родентицид , запрещенный в большинстве стран из-за чрезвычайной токсичности для человека. Кремниевый аналог адамантана, сила-адамантан, был синтезирован в 2005 году. [63] Арсеницин А представляет собой встречающееся в природе мышьякорганическое химическое вещество, выделенное из новокаледонской морской губки Echinochalina bargibanti , и является первым известным гетероциклом, содержащим несколько атомов мышьяка. [64] [65] [66] [67]
Соединение адамантановых каркасов дает высшие алмазоиды , такие как диамантан (C 14 H 20 – два сросшихся адамантановых каркаса), триамантан (C 18 H 24 ), тетрамантан (C 22 H 28 ), пентамантан (C 26 H 32 ), гексамантан (C 26). H 30 ) и др. Их синтез аналогичен синтезу адамантана и, как и адамантан, их можно также извлекать из нефти, хотя и с гораздо меньшими выходами.
Сохраненные названия адамантан и кубан используются в общей номенклатуре и в качестве предпочтительных названий ИЮПАК.
{{cite book}}
: CS1 maint: DOI inactive as of April 2024 (link)