一種1,3-金剛烷二甲酸的合成方法

2024-01-29 06:06:15

專利名稱：一種1,3-金剛烷二甲酸的合成方法
技術領域：
本發明屬於有機合成技術領域，更具體涉及一種l， 3-金剛烷二甲酸的化學合 成方法。金剛烷二取代衍生物具有良好的抗病毒作用，同時，由於它具有雙官能 團很容易合成各種不同的高分子材料，這些材料材質透明度好、硬度高、抗衝擊 及熱穩定性能優異，在有機新材料領域有著廣泛的應用前景，特別在光通訊領域 應用前景十分看好，也是一種很好的醫藥中間體。
背景技術：
金剛烷是一種飽和的籠狀烴，由10個碳原子和16個氫原子構成，其基本骨架 類似於金剛石的一個晶格單元。在其分子量範圍內，金剛烷是已知分子中最接近 球形的烴類分子，其剛性環系和對稱結構決定了它具有獨特的物理特徵和化學性 質.金剛垸的化學反應活性比苯稍低，在通常條件和硝酸、鉻酸、重排等反應。 如金剛垸的4個橋頭碳原子(1， 3， 5及7位)可以通過取代反應(滷化、硝化、磺 化、垸基化等)形成眾多的金剛垸，尤其是l， 3位的二取代衍生物。金剛垸及其 衍生物用途廣泛，己在生醫藥、功能高分子、潤滑油、催化劑、表面活性劑、感 光材料、農藥等眾多領域(抗腫瘤、抗帕金森綜合症、抗流行性感冒病毒甚至抗 SARS病毒)。
近年來歐美、日韓等國在合成含金剛垸基功能聚合物領域投入大量研究。研 究表明將金剛烷骨架結構引入功能性高分子聚合物的主鏈或側鏈，能夠顯著提 高聚合物的熱穩定性、化學穩定性、光學穩定性、介電性能及力學性能，從而制 備一系列具有特殊功能的液晶顯示材料、半導體光刻膠材料、全息光敏材料、膜 分離材料、角膜接觸鏡及藥物載體等。
金剛烷醇可採用臭氧、過氧化物、雙氧水等氧化劑氧化製備，但產物一般為 多種醇及酮的混合物，如l-金剛烷醇、2-金剛烷醇、1， 3， 5-金剛烷三醇、1-金
剛烷酮及2-金剛烷酮。本發明的研究表明，可以通過選擇合適的條件先將金剛烷滷 化成二滷取代物，再將二滷取代物水解可得金剛垸二醇。
日本合成橡膠公司報導，金剛烷在三溴化硼(BBr3)催化下與液溴(Br2)反 應，產物與硫酸銀(Ag2S04)及無水甲酸反應生成l， 3-金剛垸二甲酸(Jap: 60100537)。本發明以鐵粉為催化劑，反應效果很好，有利於控制步驟(O的無 水條件，若水量超過金剛垸的10%時，滷代產物為一滷代物。滷代產物直接與硫酸 銀及無水甲酸反應，硫酸銀及無水甲酸量的比例不容易控制，否則會有多種副產 物。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供了一種l， 3-金剛垸二甲酸的合 成方法，方法簡便易行，原料易得，反應條件溫和，實驗條件易於實現，易於 控制，所得產物收率高、純度高。
本發明通過如下技術方案來實現
一種l， 3-金剛垸二甲酸的合成方法，其特徵包括如下步驟
(1) 金剛垸的滷代在鐵粉催化作用下，向金剛烷中緩慢的滴加液溴(Br2)，
先於-10 20'C溫度條件下反應0.5 2小時，再於50 110'C溫度條件下反應3 8小 時，反應結束後加入亞硫酸氫鈉溶液浸泡2 5小時，亞硫酸氫鈉必須是飽和的， 目的是除去多餘的溴，粗產品經過重結晶可得純度大於98%的1, 3-二溴代金剛垸， 熔點是108 110。C，收率達到70%以上。重結晶的溶劑可以是甲醇、乙醇、丙酮、 異丁醇、正丁醇、丙醇、異丙醇中的任意一種，優選甲醇或丙酮中的任意一種。 而本發明的特徵是步驟(1)採用的是飽和的亞硫酸氫納，通過選擇合適的重結 晶溶劑，可以提高產物的純度。
(2) 滷代金剛烷的水解在步驟(1)合成的l， 3-二溴代金剛烷中加入硫酸銀
(加入的是硫酸銀而不能是硝酸銀，否則會有硝酸酯等副產物生成)，丙酮和水，在
40 110。C溫度條件下,加熱回流5 12小時,趁熱過濾，濾液冷卻(室溫20-25'C)析 出l， 3-金剛垸二醇，粗品可以不經過再結晶，直接用於下一步的合成。
(3) 1， 3-金剛垸二醇的羧基化在步驟(2)合成的l， 3-金剛垸二醇中加入 適量濃硫酸,快速攪拌下滴加甲酸，1 5小時內加畢,後繼續攪拌10 30min, 1， 3-
金剛垸二醇經Koch-Haff反應合成目標產物，反應結束後，析出白色固體，抽慮， 得粗產品。所得粗產品經重結晶後得純度大於98%的1， 3-金剛垸二甲酸，熔點為 270 273°C，收率達到60%以上。重結晶的溶劑可以是甲醇，乙醇，丙酮，異丁醇， 正丁醇，丙醇，異丙醇中的任意一種，優選乙醇和異丙醇中的其中任意一種。
步驟(1)所述的金剛垸與液溴的摩爾比為l: 2 6 ，所述的鐵粉與金剛烷的 摩爾比為l: 0.01 2 。
步驟(2)所述的l， 3-二溴代金剛垸與硫酸銀的摩爾比是l: 1.5 5 ，所述的 丙酮與水的比例是1:0.5 2 。
步驟(2)所述的l， 3-二溴代金剛烷與硫酸銀的摩爾比是l: 1.5 5，丙酮與 水的比例是l: 0. 5 2 。
步驟(3)所述的l， 3-金剛垸二醇的質量與濃硫酸的體積比是l: 5 20,甲酸 與濃硫酸的體積比是1:5 15 。
所述的步驟(1)需在無水條件下完成。
所述的步驟(1)還包括反應結束後的產物需用亞硫酸氫鈉飽和溶液浸泡，除 去多餘的溴，過濾l， 3-二溴代金剛垸粗產品，重結晶得純度大於98%的1， 3-二溴 代金剛垸，熔點是108 I1(TC，收率達到70%以上。重結晶溶劑可以是甲醇、乙醇、 丙酮、異丁醇、正丁醇、丙醇及異丙醇中的任意一種，優選甲醇和丙酮中的其中
任意一種。
所述步驟(2)中加入的是硫酸銀而不能是硝酸銀，否則會有硝酸酯等副產物牛成。
所述步驟(3)中甲酸需在快速攪拌的條件下緩慢滴加，且滴加完後還需繼續 攪拌10 30 min。
所述步驟(3)中抽慮後的l， 3-金剛垸二甲酸粗品，重結晶後得純度大於98% 的l， 3-金剛垸二甲酸，熔點為270 273。C，收率達到60%以上。重結晶的溶劑可 以是甲醇、乙醇、丙酮、異丁醇、正丁醇、丙醇及異丙醇中的任意一種，優選乙 醇和異丙醇中的任意一種。
本發明與現有技術相比較，具有以下優點和效果
(1)提供一種具有較高收率、高純度l， 3-金剛垸二甲酸的製備方法，產物收 率可達60°/。以上。
(2) 該方法以金剛垸、液溴、鐵粉、硫酸銀及甲酸等為原料，原料易得。
(3) 實驗方法簡便易行，反應條件溫和，實驗條件易於實現，易於控制。
(4) 產物收率高且穩定，純度高，具有一定的通用性，適宜中式放大及工業
化生產。


圖l為一種l， 3-金剛烷二甲酸的合成方法的反應原理圖。
具體實施方式
下面結合實施實例和附圖對本發明作進一步詳細描述。 一種l， 3-金剛烷二甲酸的合成方法，其驟如下 如圖1所示，本發明的反應原理是通過以下三個步驟製得l， 3-金剛烷二甲酸 步驟(1)金剛垸的溴化在鐵粉作催化劑的作用下，向金剛垸中緩慢的滴加 液溴，先於-10 2(TC溫度條件下反應0.5 2小時，再於50 110'C溫度條件下反應 3 8小時，合成l， 3-二溴代金剛垸;
步驟(2)滷代金剛垸的水解在步驟(1)合成的l， 3-二溴代金剛烷中加入硫
酸銀,丙酮和水在40 110。C溫度條件下,加熱回流5 12小時，合成l，3-金剛烷二醇； 步驟(3)是醇的羧基化在步驟(2)合成的l， 3-金剛垸二醇中加入一定量的 濃硫酸,快速攪拌下滴加甲酸，1 5小時加畢,後繼續攪拌10 30min，反應結束後，析 出白色固體，抽慮，粗產品經重結晶得l， 3-金剛烷二甲酸。
實施例1:
向裝有電動攪拌器、回流冷凝管、滴液漏鬥、溴化氫吸收裝置、氯化鈣乾燥
裝置的100ml三口燒瓶中加入金剛垸13.6g，還原鐵粉O. 18g，滴液漏鬥中加入液 溴15ml，冰水浴，溫度維持在-10或-5'C，緩慢滴加液溴，2 2.5小時內加畢。伴 隨著液溴的加入，有棕紅色的氣體和白色煙霧產生，棕紅色會充滿整個冷凝管。 待液溴滴加完畢後，觀察反應比較緩慢時，冰水浴裝置改換水浴加熱裝置，加熱 至65。C或70。C，恆溫回流3.5或4小時，停止。
所得產物先用亞硫酸氫鈉飽和溶液浸泡除去多餘的溴，產物過濾，用甲醇重 結晶，得到淡黃色的固體l， 3-二溴代金剛垸19.2g。熔點是108 11(TC，收率是
73.3%。
向裝有電動攪拌器、回流冷凝管、溫度計的125ml三口燒瓶中加入l， 3-二溴 代金剛垸10.2g,硫酸銀9.4g，丙酮和水(1: 1)的混合物44ml,水浴加熱，反應過 程中有淡黃色溴化銀生成，反應溫度5(TC或6(TC，恆溫回流6或8小時，趁熱過濾 得6.3g白色固體，產物直接用於下一步的反應。
向裝有電動攪拌器、回流冷凝管、滴液漏鬥的250ml三口燒瓶中加入濃硫酸 50ml、 1， 3-金剛垸二醇6. 3g，快速攪拌下滴加8 ml甲酸，1 1. 5小時內加畢，繼 續攪拌20min, 1， 3-金剛烷二醇經Koch-Haff反應合成目標產物，反應結束後，析 出白色固體，抽慮，得粗產品，所得粗產品經乙醇重結晶後得純度98.5%的1， 3-金剛垸二甲酸5.6g，熔點是270 273'C，按l， 3-二溴代金剛烷計算，兩步反應的 總收率是64。/。。
實施例2
向裝有電動攪拌器、回流冷凝管、滴液漏鬥、溴化氫吸收裝置、氯化鈣乾燥 裝置的250ml三口燒瓶中加入金剛垸26g，還原鐵粉O. 5 g，滴液漏鬥中加入液溴 20ml，冰水浴，溫度維持在0'C或5'C，緩慢滴加液溴，在1 2小時內加畢。伴隨 著液溴的加入，有棕紅色的氣體和白色煙霧產生，棕紅色會充滿整個冷凝管。待 液溴滴加完畢後，觀察反應比較緩慢時，冰水浴裝置改換水浴加熱裝置，加熱至 8(TC或卯。C，恆溫回流5或6小時，停止。
所得產物先用亞硫酸氫鈉不飽和溶液浸泡除去未反應的溴，產物過濾，用正 丁醇重結晶，得到淡黃色的固體l， 3-二溴代金剛垸32g。熔點是108 11(TC,收 率是63. 4%。
向裝有電動攪拌器、回流冷凝管、溫度計的250ml三口燒瓶中加入l， 3-二溴 代金剛烷20g,硫酸銀22g，丙酮和水(3: 1)的混合物80ml，水浴加熱，反應過 程中有淡黃色溴化銀生成，反應溫度70'C或8(TC,恆溫回流4或5小時，趁熱過濾 得11.6g白色固體，產物直接用於下一步的反應。
向裝有電動攪拌器、回流冷凝管、滴液漏鬥的250ml三口燒瓶中加入濃硫酸50 ml、 1， 3-金剛烷二醇11.6g，快速攪拌下滴加20ml甲酸，2小時加完，繼續攪拌 20min, 1， 3-金剛垸二醇經Koch-Haff反應合成目標產物，反應結束後，析出白色
固體，抽慮，得粗產品，所得粗產品經乙醇重結晶後得純度99.6%的1， 3-金剛垸 二甲酸9.8g，熔點是270 273'C，按l， 3-二溴代金剛烷計算，兩步反應的總收率 是57. 6%。 實施例3
向裝有電動攪拌器、回流冷凝管、滴液漏鬥、溴化氫吸收裝置、氯化鈣乾燥 裝置的100ml三口燒瓶中加入金剛烷13.6g，還原鐵粉0.2g ,滴液漏鬥中加入液 溴20ml，冰水浴，溫度維持在10'C或15'C，緩慢滴加液溴，在3 3.5小時內加畢。 伴隨著液溴的加入，有棕紅色的氣體和白色煙霧產生，棕紅色會充滿整個冷凝管。 待液溴滴加完畢後，觀察反應比較緩慢時，冰水浴裝置改換水浴加熱裝置，加熱 至80'C或9(TC，恆溫回流6小時，停止。
所得產物先蒸出溴，再飽和的亞硫酸氫鈉浸泡，產物過濾，用丙酮重結晶， 得到淡黃色的固體l， 3-二溴代金剛垸16.5g 。熔點是108 110。C，收率是63%。
向裝有電動攪拌器、回流冷凝管、溫度計的125ml三口燒瓶中加入l， 3-二溴 代金剛垸IO. 5g,硫酸銀9.2g，丙酮和水(1: 3)的混合物44ml,水浴加熱，反應過 程中有淡黃色溴化銀生成，反應溫度7(TC或80'C，恆溫回流6小時，趁熱過濾得6. 32 g白色固體，產物直接用於下一步的反應。
向裝有電動攪拌器、回流冷凝管、滴液漏鬥的250ml三口燒瓶中加入濃硫酸 50ml、 1， 3-金剛烷二醇6. 32g，快速攪拌下滴加8 ml甲酸，l小時加完，繼續攪拌 10min, 1， 3-金剛烷二醇經Koch-Haff反應合成目標產物，反應結束後，將反應產 物倒入80ml冷水中，析出白色固體，冷卻吸慮，得粗產品，所得粗產品經乙醇重 結晶後得純度99.1%的1， 3-金剛垸二甲酸5.3g，熔點是270 273'C，按l， 3-二溴 代金剛垸計算，兩步反應的總收率是59%。
工業應用'性好，根據本發明，提供一種具有較高收率、高純度l， 3-金剛垸 二甲酸的製備方法。該方法以金剛垸、液溴、鐵粉、硫酸銀、甲酸等為原料，原 料易得；實驗方法簡便易行，反應條件溫和，實驗條件易於實現，易於控制；產 物收率高且穩定，純度高的優點，具有的一定的通用性，適宜中式放大及工業化 生產。
權利要求
1、一種1，3-金剛烷二甲酸的合成方法，其步驟如下(1)金剛烷的滷代在鐵粉催化作用下，向金剛烷中滴加液溴，先於-10～20℃溫度條件下反應0.5～2小時，再於50～110℃溫度條件下反應3～8小時，反應結束後加入亞硫酸氫鈉飽和溶液浸泡2～5小時，除去多餘的溴，經過重結晶得1，3-二溴代金剛烷，熔點是108～110℃；(2)滷代金剛烷的水解在步驟(1)合成的1，3-二溴代金剛烷中加入硫酸銀、丙酮和水，在40～110℃溫度條件下，加熱回流5～12小時，趁熱過濾，濾液冷卻室溫析出1，3-金剛烷二醇，粗品不經過重結晶，直接用於下一步的合成；(3)1，3-金剛烷二醇的羧基化在步驟(2)合成的1，3-金剛烷二醇中加入濃硫酸，攪拌下滴加甲酸，1～5小時內加畢，後繼續攪拌10～30min，1，3-金剛烷二醇經Koch-Haff反應合成目標產物，反應結束後，析出白色固體，抽慮，得產品，所得產品經重結晶後得1，3-金剛烷二甲酸，熔點為270～273℃，所述的重結晶的溶劑是甲醇、乙醇、丙酮、異丁醇、正丁醇、丙醇、異丙醇中的任意一種。
2、 根據權利要求l所述的一種l， 3-金剛垸二甲酸的合成方法,其特徵在於步 驟(1)所述的金剛烷與液溴的摩爾比為l: 2 6 ,所述的鐵粉與金剛烷的摩爾比為l: 0.01 2 。
3、 根據權利要求l所述的一種l， 3-金剛垸二甲酸的合成方法，其特徵在於步 驟(2)所述的1， 3-二溴代金剛烷與硫酸銀的摩爾比是l: 1.5 5 ，所述的丙酮與 水的比例是1:0.5 2 。
4、 根據權利要求l所述的一種l， 3-金剛烷二甲酸的合成方法,其特徵在於步 驟(3)所述的l， 3-金剛烷二醇的質量與濃硫酸的體積比是l: 5 20,甲酸與濃硫 酸的體積比是1:5 15 。
全文摘要
本發明公開了一種1，3-金剛烷二甲酸的合成方法，其步驟(1)金剛烷的滷代在鐵粉催化作用下，向金剛烷中滴加液溴，在一定條件下，合成1，3-二溴代金剛烷；(2)滷代金剛烷的水解在步驟(1)合成的1，3-二溴代金剛烷中加入硫酸銀，丙酮和水，在一定溫度條件下，加熱回流，合成1，3-金剛烷二醇；(3)1，3-金剛烷二醇的羧基化在步驟(2)合成的1，3-金剛烷二醇中加入濃硫酸，攪拌滴加甲酸，繼續攪拌，析出白色固體，抽慮，粗產品經重結晶後得純度大於98％的1，3-金剛烷二甲酸，收率達到60％以上。該方法簡便易行，原料易得，反應條件溫和，易於實現，產物收率高且穩定，純度高，具有通用性，適宜中試放大及工業化生產。
文檔編號C07C55/30GK101386576SQ20081019745
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月30日 優先權日2008年10月30日
發明者銀 劉, 李廣學, 王亞男, 王劍波, 陶昭才 申請人:安徽理工大學