Адамантан — органическое соединение с формулой C10H16 или, более описательно, (CH) 4 (CH2 ) 6 . Молекулы адамантана можно описать как слияние трех циклогексановых колец. Молекула является как жесткой, так и практически свободной от напряжений. Адамантан — самый стабильный изомер C10H16 . Пространственное расположение атомов углерода в молекуле адамантана такое же, как в кристалле алмаза . Это сходство привело к названию адамантан , которое происходит от греческого слова adamantinos (относящийся к стали или алмазу ). [ 4] Это белое твердое вещество с запахом, похожим на камфару . 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 лекарств, полимерных материалов и термостойких смазочных материалов.
В 1924 году Х. Деккер предположил существование адамантана, который он назвал декатерпеном . [5]
Первая попытка лабораторного синтеза была предпринята в 1924 году 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, использовалось в синтезе адамантана и его производных. [6] Д. Бёттгер пытался получить адамантан, используя эфир Меервейна в качестве предшественника. Продукт, трицикло-[3.3.1.1 3,7 ], не был адамантаном, а производным. [7]
Другие исследователи пытались синтезировать адамантан с использованием флороглюцина и производных циклогексанона , но также потерпели неудачу. [8]
Адамантан был впервые синтезирован Владимиром Прелогом в 1941 году из эфира Меервейна. [9] [10] При выходе 0,16% пятистадийный процесс был непрактичен (упрощено на рисунке 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 ) для получения трициклодекана , а затем преобразовывали 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 был позже увеличен до 60% [15] и 98% с помощью ультразвука и суперкислотного катализа. [16] Сегодня адамантан — доступное химическое соединение, стоимость которого составляет один или два доллара США за грамм.
Все вышеперечисленные методы дают адамантан в виде поликристаллического порошка. Используя этот порошок, можно выращивать монокристаллы из расплава, раствора или паровой фазы (например, с помощью техники Бриджмена–Стокбаргера ). Рост расплава приводит к наихудшему качеству кристаллов с мозаичным разбросом в отражении рентгеновских лучей около 1°. Лучшие кристаллы получаются из жидкой фазы, но рост непрактично медленный – несколько месяцев для кристалла размером 5–10 мм. Рост из паровой фазы является разумным компромиссом с точки зрения скорости и качества. [17] Адамантан возгоняется в кварцевой трубке, помещенной в печь, которая снабжена несколькими нагревателями, поддерживающими определенный градиент температуры (около 10 °C/см для адамантана) вдоль трубки. Кристаллизация начинается с одного конца трубки, который поддерживается вблизи точки замерзания адамантана. Медленное охлаждение трубки при поддержании градиента температуры постепенно смещает зону плавления (скорость ~2 мм/час), производя монокристаллическую булю . [18]
Адамантан был впервые выделен из нефти чешскими химиками С. Ландой, В. Махачеком и М. Мзуреком. [19] [20] Они использовали фракционную перегонку нефти. Они могли получить только несколько миллиграммов адамантана, но заметили его высокие температуры кипения и плавления . Из-за (предполагаемого) сходства его структуры со структурой алмаза новое соединение было названо адамантаном. [8]
Нефть остается источником адамантана; его содержание варьируется от 0,0001% до 0,03% в зависимости от месторождения и слишком мало для коммерческой добычи. [21] [22]
В нефти содержится 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 твердое вещество с характерным запахом камфары . Он практически нерастворим в воде, но легко растворяется 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 твистан (164 °C), или чем линейный углеводород C10H22 декан ( −28 °C). Однако адамантан медленно сублимируется даже при комнатной температуре. [24] Адамантан можно перегонять с водяным паром . [22 ]
Как установлено с помощью электронной дифракции и рентгеновской кристаллографии , молекула имеет симметрию T d . Длины связей углерод-углерод составляют 1,54 Å , что почти идентично таковым в алмазе. Расстояния углерод-водород составляют 1,112 Å. [3]
При нормальных условиях адамантан кристаллизуется в гранецентрированной кубической структуре ( пространственная группа Fm3m, a = 9,426 ± 0,008 Å , четыре молекулы в элементарной ячейке), содержащей ориентационно неупорядоченные молекулы адамантана. Эта структура трансформируется 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 является фазовым переходом первого рода; он сопровождается аномалией теплоемкости , упругих и других свойств. В частности, если в кубической фазе молекулы адамантана свободно вращаются, то в тетрагональной они заморожены; плотность скачком увеличивается от 1,08 до 1,18 г/см3 , а энтропия изменяется на значительную величину 1594 Дж/(моль·К). [17]
Упругие константы адамантана были измерены с использованием больших (сантиметровых) монокристаллов и ультразвукового эхо-метода. Главное значение тензора упругости , C 11 , было выведено 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 теле адамантана 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, которые соответствуют сайтам 1 и 2 (см. рисунок ниже). Химические сдвиги ЯМР 1 H и 13 C составляют соответственно 1,873 и 1,756 ppm и 28,46 и 37,85 ppm. [28] Простота этих спектров согласуется с высокой молекулярной симметрией.
Масс-спектры адамантана и его производных достаточно характерны. Основной пик при m / z = 136 соответствует углероду C
10ЧАС+
16ион. Его фрагментация приводит к более слабым сигналам, так как 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 назначение приведены в таблице: [3]
* Обозначения соответствуют типам колебаний: δ – деформационные, ν – валентные, ρ и ω – внеплоскостные деформационные колебания групп CH2 .
Производные адамантана с различными 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 . Значения удельного вращения невелики и обычно находятся в пределах 1°. [30] [31]
Используя правила систематической номенклатуры, адамантан называется трицикло[3.3.1.1 3,7 ]декан. Однако ИЮПАК рекомендует использовать название «адамантан». [1]
Молекула адамантана состоит только из углерода и водорода и имеет симметрию T d . Поэтому ее 16 атомов водорода и 10 атомов углерода могут быть описаны только двумя сайтами, которые обозначены на рисунке как 1 (4 эквивалентных сайта) и 2 (6 эквивалентных сайтов).
Структурными родственниками адамантана являются норадамантан и гомоадамантан, которые содержат на одну связь CH2 меньше и на одну больше, чем адамантан, соответственно.
Функциональная группа , полученная из адамантана, — это адамантил, формально называемый 1-адамантил или 2-адамантил в зависимости от того, какой сайт связан с исходной молекулой. Адамантильные группы — это объемная боковая группа, используемая для улучшения термических и механических свойств полимеров. [32] [33]
Катион адамантана может быть получен путем обработки 1-фторадамантана с SbF 5 . Его стабильность относительно высока. [34] [35]
Дикатион 1,3-дидегидроадамантана был получен в растворах суперкислот . Он также обладает повышенной стабильностью из-за явления, называемого «трехмерной ароматичностью» [36] или гомоароматичностью . [37] Эта четырехцентровая двухэлектронная связь включает одну пару электронов, делокализованных между четырьмя атомами мостика .
Большинство реакций адамантана происходят через 3-координированные углеродные центры. Они участвуют в реакции адамантана с концентрированной серной кислотой , которая производит адамантанон . [38]
Карбонильная группа адамантанона допускает дальнейшие реакции через мостиковый сайт. Например, адамантанон является исходным соединением для получения таких производных адамантана, как 2-адамантанкарбонитрил [39] и 2-метиладамантан. [40]
Адамантан легко реагирует с различными бромирующими агентами, включая молекулярный бром . Состав и соотношение продуктов реакции зависят от условий реакции и особенно от присутствия и типа катализаторов . [21]
Кипячение адамантана с бромом приводит к образованию монозамещенного адамантана, 1-бромадамантана. Многократное замещение бромом достигается добавлением катализатора кислоты Льюиса . [41]
Скорость бромирования увеличивается при добавлении кислот Льюиса и не изменяется при облучении или добавлении свободных радикалов. Это указывает на то, что реакция происходит по ионному механизму. [8]
Первые фторирования адамантана были проведены с использованием 1-гидроксиадамантана [42] и 1-аминоадамантана в качестве исходных соединений. Позднее фторирование было достигнуто, начиная с самого адамантана. [43] Во всех этих случаях реакция протекала через образование катиона адамантана, который затем взаимодействовал с фторированными нуклеофилами. Также сообщалось о фторировании адамантана газообразным фтором . [44]
Карбоксилирование адамантана муравьиной кислотой дает 1-адамантанкарбоновую кислоту . [45]
1-Гидроксиадамантан легко образуется путем гидролиза 1-бромадамантана в водном растворе ацетона . Его также можно получить путем озонирования адамантана: [46] Окисление спирта дает адамантанон .
Адамантан взаимодействует с бензолом в присутствии кислот Льюиса, что приводит к реакции Фриделя–Крафтса . [47] Арилзамещенные производные адамантана могут быть легко получены исходя из 1-гидроксиадамантана. В частности, реакция с анизолом протекает в обычных условиях и не требует катализатора. [41]
Нитрация адамантана — сложная реакция, характеризующаяся умеренными выходами. [48] Азотзамещенный препарат амантадин может быть получен путем реакции адамантана с бромом или азотной кислотой с получением бромида или нитроэфира в положении 1. Реакция любого из соединений с ацетонитрилом дает ацетамид, который гидролизуется с получением 1-адамантиламина: [49]
Адамантан сам по себе имеет мало применений, поскольку он является просто нефункционализированным углеводородом . Он используется в некоторых масках для сухого травления [50] и полимерных составах.
В спектроскопии ЯМР твердого тела адамантан является общепринятым стандартом для определения химического сдвига . [51]
В лазерах на красителях адамантан может использоваться для продления срока службы среды усиления; он не может быть фотоионизирован в атмосфере, поскольку его полосы поглощения лежат в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра. Энергии фотоионизации были определены для адамантана, а также для нескольких более крупных алмазоидов . [52]
Все известные до сих пор медицинские применения включают не чистый адамантан, а его производные. Первым производным адамантана, использованным в качестве лекарства, был амантадин — сначала (1967) как противовирусное средство против различных штаммов гриппа [53] , а затем для лечения болезни Паркинсона . [54] [55] Другие препараты среди производных адамантана включают адапален , адапромин , бромантан (бромантан), кармантадин , хлодантан (хлодантан), допамантин , глудантан (глюдантан), гемантан (гимантан), идрамантон (кемантан), мемантин , нитромемантин римантадин , саксаглиптин , сомантадин , тромантадин и вилдаглиптин . Полимеры адамантана были запатентованы как противовирусные средства против ВИЧ . [56]
Штаммы вируса гриппа выработали лекарственную устойчивость к амантадину и римантадину, которые по состоянию на 2016 год неэффективны против распространенных штаммов.
Адамантан был недавно идентифицирован как ключевая структурная субъединица в нескольких синтетических дизайнерских наркотиках -каннабиноидах , а именно AB-001 и SDB-001 . [57]
Адамантан является привлекательным кандидатом на использование в качестве топлива в двигателях Холла, поскольку он легко ионизируется, может храниться в твердом виде, а не в тяжелом резервуаре под давлением, и относительно нетоксичен. [58]
Некоторые алкилпроизводные адамантана использовались в качестве рабочей жидкости в гидравлических системах . [59] Полимеры на основе адамантана могут найти применение для покрытий сенсорных экранов , [60] и есть перспективы использования адамантана и его гомологов в нанотехнологиях . Например, мягкая структура твердого тела адамантана, похожая на клетку, позволяет включать гостевые молекулы, которые могут высвобождаться внутри человеческого тела при разрушении матрицы. [15] [61] Адамантан может использоваться в качестве молекулярных строительных блоков для самосборки молекулярных кристаллов. [62] [63]
Многие молекулы и ионы принимают адамантановые клеточные структуры. К ним относятся триоксид фосфора P 4 O 6 , триоксид мышьяка As 4 O 6 , пентоксид 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 H 12 = N 4 (CH 2 ) 6 . [64] Особенно известен тетраметилендисульфотетрамин , часто сокращаемый до «тетрамин», родентицид, запрещенный в большинстве стран из-за чрезвычайной токсичности для людей. Кремниевый аналог адамантана, сила-адамантан, был синтезирован в 2005 году. [65] Арсеницин А — это встречающееся в природе мышьякорганическое химическое вещество, выделенное из новокаледонской морской губки Echinochalina bargibanti , и является первым известным гетероциклом, содержащим несколько атомов мышьяка. [66] [67] [68] [69]
Объединение адамантановых клеток дает высшие алмазоиды , такие как диамантан (C 14 H 20 – две слитые адамантановые клетки), триамантан (C 18 H 24 ), тетрамантан (C 22 H 28 ), пентамантан (C 26 H 32 ), гексамантан (C 26 H 30 ) и т. д. Их синтез аналогичен синтезу адамантана, и, подобно адамантану, их также можно извлекать из нефти, хотя и с гораздо меньшим выходом.
и кубан используются в общей номенклатуре и в качестве предпочтительных названий ИЮПАК.