Adamantane | |||
---|---|---|---|
| |||
Generel | |||
Systematisk navn |
Adamantan [1] , tricyclo[3.3.1.1 3.7 ]decan |
||
Chem. formel | C10H16 _ _ _ | ||
Fysiske egenskaber | |||
Molar masse | 136,23 [2] g/ mol | ||
Massefylde | 1,07 [2] | ||
Termiske egenskaber | |||
Temperatur | |||
• smeltning | 268 [3] | ||
Entalpi | |||
• uddannelse | −197,2 [4] kJ/mol | ||
Optiske egenskaber | |||
Brydningsindeks | 1.568 [2] | ||
Klassifikation | |||
Reg. CAS nummer | 281-23-2 | ||
PubChem | 9238 | ||
Reg. EINECS nummer | 206-001-4 | ||
SMIL | C1C2CC3CC1CC(C2)C3 | ||
InChI | InChI=1S/C10H16/c1-7-2-9-4-8(1)5-10(3-7)6-9/h7-10H,1-6H2ORILYTVJVMAKLC-UHFFFAOYSA-N | ||
CHEBI | 40519 | ||
ChemSpider | 8883 | ||
Data er baseret på standardbetingelser (25 °C, 100 kPa), medmindre andet er angivet. | |||
Mediefiler på Wikimedia Commons |
Adamantane er en kemisk forbindelse, et mættet tricyklisk brodannende carbonhydrid med formlen C 10 H 16 . Adamantan -molekylet består af tre cyclohexan- fragmenter i "stol" -konformationen [5] . Det rumlige arrangement af carbonatomer i adamantanmolekylet gentager arrangementet af atomer i diamantens krystalgitter [4] . Dette faktum forklarer oprindelsen af navnet på forbindelsen ( oldgræsk ἀδάμας - lit. "uopslidelig", også det oldgræske navn for diamant [2] ). Det unikke ved adamantan-molekylet ligger i, at det er både stift og praktisk talt stressfrit på samme tid [6] . Opdagelsen af adamantan og studiet af dets egenskaber tjente som en impuls til udviklingen af et af områderne inden for moderne organisk kemi - kemien af organiske polyedere [7] . Adamantan-derivater har fundet praktisk anvendelse som lægemidler med forskellige biologiske aktiviteter. På basis af adamantan udviklede polymermaterialer og sammensætninger med forbedrede ydeevneegenskaber, termisk stabile smøremidler [7] .
For første gang blev muligheden for eksistensen af et kulbrinte med sammensætningen C 10 H 16 med en diamantlignende struktur af molekylet påpeget af Decker H. på Naturforskerkongressen i Innsbruck i 1924 [8] . Han udtrykte endda overraskelse over, at et sådant kulbrinte endnu ikke var blevet syntetiseret på det tidspunkt.
Det første forsøg på at syntetisere adamantan i laboratoriet blev lavet af den tyske kemiker Hans Meerwein , også i 1924 . Han foreslog, at adamantan blev dannet fra reaktionen af formaldehyd med malonester i nærvær af piperidin . Merwein formåede imidlertid ikke at realisere den planlagte transformation: I stedet for adamantan blev der opnået tetramethylester af bicyclo[4,3,1]nonadion-2,6-tetracarboxylsyre-1,3,5,7-syre, som senere blev kaldt "Meerwein ester". Selvom eksperimentet generelt var mislykket, var det Meerweins ether, der senere blev brugt som udgangsforbindelse i de første vellykkede synteser af adamantan og dets derivater. [7]
Andre forskere har forsøgt at syntetisere adamantan ud fra phloroglucinol eller visse derivater af cyclohexanon , men sådanne eksperimenter har været mislykkede. [6]
Som en individuel kemisk forbindelse blev adamantan opdaget af de tjekkiske kemikere S. Landa og V. Makhachek i 1933 . Dette kulbrinte blev isoleret af dem fra olien fra Godoninskoye-feltet. [9] Forskere opnåede kun nogle få milligram adamantan, hvis struktur i høj grad blev bestemt på grund af det unormalt høje smeltepunkt . [6] Efterfølgende blev adamantan opdaget i andre oliefelter .
Den første vellykkede syntese af adamantan blev udført af den schweiziske kemiker W. Prelog i 1941 . [10] [11] Adamantane blev fremstillet ud fra Meerweins ether i fem trin, med et samlet udbytte på mindre end én procent. Senere foreslog Stetter et andet syntetisk skema, som et resultat af hvilket udbyttet af adamantan blev øget til 6,5%. [7] [12]
En vigtig begivenhed i historien om studiet af adamantans kemi var opdagelsen af Schleyer og Donaldson i 1957 . Forskere har udviklet en effektiv metode til at opnå store mængder af denne kulbrinte. [13] Dette arbejde gjorde adamantan til en meget tilgængelig forbindelse, som tjente som et incitament til aktiv undersøgelse af dets fysiske og kemiske egenskaber.
Den eneste kendte naturlige kilde til adamantan er olie . [7] [14] Indholdet af denne kulbrinte i olie er kun 0,0001-0,03% (afhængigt af felt), som et resultat af denne metode til fremstilling af adamantan er økonomisk urentabel.
Ud over selve adamantan er der talrige derivater af det i olie. Mere end tredive sådanne forbindelser er kendte. [7] Isoleringen af adamantan fra en kompleks blanding af oliekulbrinter er mulig på grund af dets unikke fysisk-kemiske egenskaber, såsom højt smeltepunkt, evne til at destillere med vanddamp og danne stabile addukter med thiocarbamid .
Den første vellykkede syntese af adamantan fra Meerweins ether blev udført af V. Prelog i 1941 . Syntesen omfattede flere trin, og udbyttet af adamantan oversteg ikke én procent.
Denne metode bruges ikke længere til syntese af adamantan på grund af den høje arbejdsintensitet og lave udbytte af slutproduktet. Det har dog en vis værdi med hensyn til at opnå forskellige adamantanderivater, især 1,3-adamantan-dicarboxylsyre. [6]
For at opnå dette kulbrinte i laboratoriet bruges Schleyer-metoden i øjeblikket. Cyclopentadien - dimeren (som er en let tilgængelig forbindelse) gennemgår katalytisk hydrogenering , hvorefter den isomeriserer til adamantan i nærvær af en Lewis-syrekatalysator. Proceduren beskrevet i Organic Syntheses anvender platinoxid som hydrogeneringskatalysator og aluminiumchlorid som isomeriseringskatalysator. [15] I dette tilfælde er udbyttet 13–15 %.
Adamantane er en fuldstændig tilgængelig kemisk forbindelse. Prisen på et gram fra forskellige produktionsvirksomheder overstiger ikke en US dollar .
Ifølge reglerne for systematisk nomenklatur skal adamantan kaldes tricyclo[3.3.1.1 3,7 ]decan. IUPAC anbefaler dog , at navnet "adamantane" bruges som det foretrukne navn. [16]
Adamantan-molekylet har en høj symmetri. Som et resultat kan 16 brintatomer og 10 carbonatomer, der danner det, kun tilskrives to typer.
Type 1 -positioner kaldes knudepositioner , og type 2 -positioner kaldes bropositioner . Der er fire nodal- og seks bropositioner i adamantan-molekylet.
Sædvanligvis er 1-adamantyl-substituenten traditionelt betegnet i litteraturen med symbolerne "Ad—".
De nærmeste strukturelle analoger af adamantan er noradamantan og homoadamantan . Det første carbonhydrid er en CH2 - enhed mindre, og det andet er mere end selve adamantan.
Kemisk ren adamantan er et farveløst krystallinsk stof med en karakteristisk kamferlugt. [4] Det er praktisk talt uopløseligt i vand, men let opløseligt i ikke-polære organiske opløsningsmidler . [4] Adamantane har et usædvanligt højt smeltepunkt (268 °C) for kulbrinter , men sublimerer langsomt selv ved stuetemperatur. [2] Det kan også dampdestilleres . [fjorten]
Adamantan-molekylet inkluderer tre fusionerede cyclohexanringe i "stol" -konformationen . Parametrene for adamantan-molekylet blev bestemt ved elektron- og røntgendiffraktion . Hver carbon-carbon-binding viste sig at være 1,54 Å lang og hver carbon-hydrogen-binding 1,112 Å lang . [2]
Adamantan-molekylet har en høj symmetri ( punktgruppe Td ) . Krystallinsk adamantan eksisterer i form af et ansigtscentreret kubisk gitter (meget sjælden rumgruppe for organiske forbindelser , a = 9,426 ± 0,008 Å , fire molekyler pr. celle). [6] Når denne form afkøles til en temperatur under -65 °C, observeres en faseovergang med dannelsen af et kropscentreret tetragonalt gitter (a = 6,641 Å , c = 8,875 Å ). [2] [6]
NMR - spektret af adamantan indeholder to svagt opløste signaler, som svarer til protoner placeret nær brodannende og nodale carbonatomer. I 1H -NMR-spektret registreret i CDCl3 observeres signalerne fra protoner, der er placeret nær de nodale carbonatomer ved 1,873 ppm, og signalerne fra protoner ved brodannende carbonatomer observeres ved 1,756 ppm. I 13C -NMR-spektret , vises signalerne fra nodale og brodannende carbonatomer ved henholdsvis 28,46 og 37,85 ppm. [17]
Massespektrene for adamantan og dets derivater er ret karakteristiske. Placeringen af hovedtoppen i massespektret af adamantan skyldes tilstedeværelsen af en ion med m/z = 136 i ioniseringsprodukterne . Som et resultat af fragmenteringen af den molekylære ion, toppe med m/z-værdier af 93, 80, 79, 67, 41, 39. [2] [17]
IR-spektret af adamantan er relativt simpelt på grund af molekylets høje symmetri. De vigtigste absorptionsbånd og deres overensstemmelse med forskellige typer vibrationer er angivet i tabellen. [2]
Oscillationsfrekvens, cm −1 | Bølgeform * |
---|---|
444 | δ(CCC) |
638 | δ(CCC) |
798 | ν(C-C) |
970 | ρ (CH 2 ), ν (C—C), δ (HCC) |
1103 | δ(HCC) |
1312 | ν (C-C), ω (CH 2 ) |
1356 | δ (HCC), ω ( CH2 ) |
1458 | δ(HCH) |
2850 | ν (C—H) i CH 2 grupper |
2910 | ν (C—H) i CH 2 grupper |
2930 | ν (C—H) i CH 2 grupper |
* Betegnelser for forskellige typer vibrationer: δ—deformation, ν—valens, ρ, ω—deformation vibrationer af CH 2 grupper ud af plan. |
Adamantan-molekyler, der indeholder fire forskellige substituenter ved de nodale carbonatomer, er chirale og optisk aktive. [18] I dette tilfælde falder chiralitetscentret, som i optisk aktive biphenyler , ikke på noget bestemt atom. R,S-nomenklatur i dette tilfælde kan anvendes lige så nemt.
Denne type optisk aktivitet blev først beskrevet i 1969 af to grupper af videnskabsmænd. [19] [20] Optisk aktivitet blev fundet i adamantan indeholdende fire forskellige substituenter i knudepunkterne: hydrogen , brom , methyl og en carboxylgruppe . Forskerne var i stand til at adskille enantiomererne af denne forbindelse og demonstrere, at optisk aktive adamantaner har meget lave specifikke rotationsværdier (normalt op til 1°). Dette kan forklares med den større afstand mellem substituenterne fra chiralitetscentret end for eksempel i tilfælde af et asymmetrisk carbonatom.
Optisk aktive adamantaner har ikke fundet praktisk anvendelse.
Kulbrinter, hvis struktur kun er dannet af σ-bindinger, er kemisk inerte. På trods af dette er adamantan og dets derivater meget reaktive. Denne egenskab af dem er især udtalt i reaktioner af den ioniske type, som fortsætter med dannelsen af carbocations som mellemprodukter.
1-adamantyl-kationen er meget stabil sammenlignet med andre tertiære karbokationer. Det dannes let som et resultat af interaktionen mellem 1-fluor-adamantan og SbF5 . [21]
Den øgede stabilitet af denne kation er forbundet med deltagelse af fjerntliggende centre af molekylet i ladningsdelokalisering, hvilket kan bekræftes af NMR-spektrene for de tilsvarende forbindelser. Som det er kendt, fører tilstedeværelsen af et positivt ladet center i et molekyle til et skift af signalerne fra de atomer, der interagerer med det, til et svagt felt. Som det kan ses fra PMR-spektrene, og især 13 C, er signalerne fra γ-carbonatomer mere afskærmede, selvom de er placeret længere fra det positivt ladede center. Oprindeligt blev årsagen til dette fænomen anset for at være overlapningen af den ledige orbital af et positivt ladet atom, med C-H orbitaler i y-positioner. Men beregninger har vist, at en sådan interaktion for adamantane ikke kan være effektiv. Mest sandsynligt skyldes kationens stabilitet interaktionen af den ledige orbital med σ-orbitaler af C(β)-C(γ)-bindinger [22] .
Adamantan-indikationen er opnået i opløsninger af supersyrer . Det har øget stabilitet på grund af et fænomen kaldet "tredimensionel aromaticitet". [23]
Adamantane er en bekvem modelforbindelse til undersøgelse af carbocations og faktorer, der påvirker deres stabilitet.
De mest reaktive positioner af adamantanmolekylet er de nodale. Der er mange modifikationsmetoder til dem.
BromeringAdamantane reagerer let med forskellige bromerende reagenser, især molekylært brom . Sammensætningen og forholdet mellem reaktionsprodukterne kan være forskellige og afhænger af reaktionsbetingelserne, især tilstedeværelsen af katalysatorer . [7]
Ved kogning af adamantan med brom danner det et monosubstitueret produkt - 1-bromoadamantan. Når forskellige Lewis-syrer anvendes som katalysatorer , er dannelsen af to-, tre- eller firesubstituerede bromaadamantaner mulig. [5]
Bromeringsreaktionen forløber ifølge den ioniske mekanisme med dannelse af en adamantylcarbocation som et mellemprodukt. Dette bekræftes f.eks. af det faktum, at reaktionshastigheden stiger i nærvær af Lewis-syrer og ikke ændres, når reaktionsblandingen bestråles eller frie radikaldonorer tilsættes . [6]
FluorideringDe første synteser af 1-fluoradamantan blev udført under anvendelse af 1-hydroxyadamantan [24] og 1-aminoadamantan-derivater som udgangsforbindelser. Senere blev reaktionen med direkte fluorering af adamantan beskrevet. [25] I alle disse tilfælde blev der dannet en adamantylkation, som efterfølgende interagerede med en fluorholdig nukleofil.
Reaktionen af adamantan med gasformig fluor er også kendt , hvorunder 1-fluoradamantan blev dannet. [26]
CarboxyleringEn carboxylgruppe kan indføres i adamantans 1. position . [27] Den tilsvarende reaktion blev første gang beskrevet i 1960 . [28] Myresyre blev brugt som et carboxyleringsmiddel, og carbontetrachlorid blev brugt som opløsningsmiddel .
Rollen af tert -butanol og svovlsyre er at generere adamantylkationen, som efterfølgende undergår carbonylering med carbonmonoxid , genereret in situ ved reaktionen mellem myre- og svovlsyrer . [6] Udbyttet af 1-adamantancarboxylsyre i den præparative version af metoden er 55-60%. [27]
HydroxyleringDen enkleste adamantan alkohol er 1-hydroxyadamantan. Det dannes ret let ved hydrolyse af 1-bromoadamantan i vandig acetone . Derudover er der en metode til syntese af 1-hydroxyadamantan ved ozonisering af adamantan selv. [29]
AryleringAdamantane kan reagere med benzen i nærværelse af Lewis-syrer, hvilket resulterer i dannelsen af Friedel-Crafts reaktionsprodukter . [tredive]
Adamantanderivater indeholdende en aromatisk substituent ved det nodale carbonatom kan opnås i løbet af en elektrofil substitutionsreaktion fra 1-hydroxyadamantan. Især forløber reaktionen med anisol under normale betingelser, selv i fravær af en katalysator, hvilket forklares med den nemme dannelse og høje stabilitet af adamantylkationen. [5]
AndreNitrering af adamantan er vanskelig og fører til 1-nitroadamantan i moderate udbytter. [31]
Brokoblede positioner er mindre reaktive end nodale positioner, og derfor er adamantanderivater af denne type mindre tilgængelige. En vigtig reaktion, der gør det muligt at opnå derivater af denne type, er interaktionen mellem adamantan og koncentreret svovlsyre , hvilket resulterer i dannelsen af en keton -adamantanon. [32]
Tilstedeværelsen af en carbonylgruppe i adamantanon gør det muligt at udføre yderligere modifikation i brostillingen ved at reagere denne forbindelse med nukleofile reagenser. For eksempel tjener adamantanon som udgangsforbindelse til fremstilling af sådanne adamantanderivater som 2-adamantancarbonitril [33] og 2-methyladamantan. [34]
I øjeblikket bruges adamantan kun til syntese af andre stoffer. Nogle af dets derivater bruges med succes af mennesker i forskellige aktivitetsområder. [35]
Det første adamantanderivat, der fandt anvendelse som lægemiddel , var amantadin . Først blev det brugt som et antiviralt lægemiddel , effektivt i kampen mod influenza A 2 -virus ( 1967 ). Senere blev dens anti-Parkinsoniske effekt opdaget . [36]
I modsætning til L-dopa , den klassiske antiparkinson, virker amantadin hurtigere, og bivirkningerne er blevet minimeret. Den høje lipofilicitet af adamantan-molekylet sikrer let penetrering af lægemidlet gennem blod-hjerne-barrieren . På grund af dette virker amantadin desuden som et krampeløsende middel . [36]
Blandt andre adamantanderivater, der er de aktive ingredienser i lægemidler, kan nævnes memantin , rimantadin , dopamantin, tromantadin , vildagriptin og pocketadin.
Polymeranaloger af adamantan er patenteret som antivirale midler, der er aktive mod HIV . [37]
Siden 2011 er adamantanderivaterne amantadin og rimantadin ikke blevet anbefalet i USA som lægemidler til behandling af influenza ( influenza A- og B-virus er resistente over for disse lægemidler) [38] . I Rusland blev rimantadin i 2007 udelukket fra listen over lægemidler, ifølge hvilken lægemiddelforsyning udføres i det supplerende lægemiddelforsyningsprogram, som et af de forældede lægemidler med ubevist effekt [39] .
Ved hjælp af adamantan blev der opnået diamantlignende film, som kun er tre gange ringere i styrke end diamant . De dannes, når adamantandamp udsættes for elektriske udladninger. Når sådanne film påføres på enhver overflade, øges dens hårdhed. [40] Nogle alkylderivater af adamantan har fundet anvendelse som hydrauliske væsker . [35]
I 2002 skulle adamantan-baserede polymerer bruges til fremstilling af berøringsbelægninger til elektroniske skærme. [41] I 2007 blev den potentielle brug af adamantan og dets homologer i nanoteknologi beskrevet . [42]
Adamantane har en række strukturelle analoger blandt uorganiske og organoelementforbindelser. Disse omfatter phosphor(V)oxid, phosphor(V) sulfid , urotropin samt nogle andre forbindelser.
Adamantane
Fosforpentasulfid
Tetramethylendisulfotetramin
I 2005 blev en siliciumanalog af adamantan syntetiseret . [43]
Artikler:
![]() | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
Rammekulbrinter | ||
---|---|---|
Tricyklisk | ||
tetracyklisk | ||
Pentacyklisk |