专利名称：一种四羟基金刚烷的合成方法
技术领域：
本发明涉及一种四羟基金刚烷，具体涉及一种四羟基金刚烷的合成方法。四羟基金刚烷可作为合成超支化聚合物的单体使用，也可用于合成四臂星形聚合物；同时还可用于合成其它多取代金刚烷衍生物的中间体，如金刚烷酯等。
背景技术：
金刚烷是一种饱和笼状烃，由10个碳原子和16个氢原子构成，其基本骨架类似于金刚石的一个晶格单元。在其分子量范围内，金刚烷是已知分子中最接近球形的烃类分子，其刚性环系和对称性结构决定了它具有独特的物理特征和化学性质。金刚烷的化学反应活性比苯稍低，在通常条件下和硝酸、铬酸、高锰酸钾等试剂都不发生作用，但在一定催化剂影响下可进行取代、氧化、重排等反应。如金刚烷的4个桥头位置(1，3，5，7位)可以通过取代反应(卤化、硝化、磺化、烷基化等)形成众多金刚烷衍生物。金刚烷及其衍生物用途广泛，已在生医药、功能高分子、润滑油、催化剂、表面活性剂、感光材料、农药等众多领域里有广泛应用，被称为新一代精细化工原料。如金刚烷衍生物用于合成特效药物(抗肿瘤、抗帕金森综合症、抗流行性感冒病毒甚至抗SARS病毒)。近年来欧美、日韩等国在合成含金刚烷基功能聚合物领域投入大量研究。研究表明将金刚烷骨架结构引入聚碳酸酯、聚酰胺、聚砜、聚醚、聚氨酯及聚酰亚胺等功能性高分子聚合物的主链或侧链，能够显著提高聚合物的热稳定性、化学稳定性、光学稳定性、介电性能及力学性能(其玻璃化转变温度、热分解温度、抗氧化性、表面硬度、耐磨性、强度等远高于一般工程塑料)，从而制备一系列具有特殊功能的液晶显示材料、半导体光刻胶材料、全息光敏材料、膜分离材料、角膜接触镜及药物载体等。金刚烷这种特殊的结构和可引入多个活性官能团的特性也非常适合用于合成多功能易加工的非线型聚合物(如超支化聚合物或星形聚合物)，金刚烷聚合物在微电子、通讯、航空、精密光学仪器、生物医学、特种涂料与黏合剂、气液分离等高新技术领域显示出广阔的应用前景。
金刚烷醇可采用臭氧、过氧化物、双氧水等氧化剂氧化制备，但产物一般为多种醇及酮(如1-金刚烷醇，2-金刚烷醇，1，3-金刚烷二醇，1，3，5-金刚烷三醇、1-金刚烷酮等)的混合物。R.Mello等报导了用甲基(三氟甲基)二氧环丙烷氧化金刚烷制备多羟基金刚烷。具体反应条件为在-20℃下，以二氯甲烷和特丁醇为溶剂，有过量甲基(三氟甲基)二氧环丙烷存在下，反应3小时，生成1，3，5-三羟基金刚烷(23％)和1，3，5，7-四羟基金刚烷(74％)。该方法虽可经一步反应由金刚烷制得1，3，5，7-四羟基金刚烷，但反应条件较难控制(-20℃)，氧化剂甲基(三氟甲基)二氧环丙烷昂贵，难以获得，同时产物为三羟基金刚烷和四羟基金刚烷混合物，分离困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种原料易得、实验方法简便易行，实验条件易于实现，所得产物收率高、纯度高的四羟基金刚烷的合成方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现一种四羟基金刚烷的合成方法，其特征在于包括如下步骤(1)金刚烷溴化向液溴中缓慢添加金刚烷，在催化剂的作用下，先于-10～30℃温度条件下，反应0.5～2小时，再于50～120℃温度条件下，反应3～24小时，合成1，3，5，7-四溴金刚烷；
(2)在步骤(1)合成的1，3，5，7-四溴金刚烷中加入硫酸银和浓硫酸，于40～100℃温度条件下，反应5～24小时，合成1，3，5，7-四羟基金刚烷；步骤(1)所述金刚烷与液溴的摩尔比为1∶2～15，所述无水溴化铝和无水氯化铝与金刚烷的摩尔比为1∶0.1～2；所述催化剂为无水溴化铝和无水氯化铝；步骤(2)所述四溴金刚烷与硫酸银的摩尔比为1∶2～5，所述四溴金刚烷与硫酸的摩尔比为1∶25～100。
所述步骤(1)还包括用饱和亚硫酸氢钠水溶液和盐酸除去未反应的溴和催化剂，过滤合成的1，3，5，7-四溴金刚烷，真空烘箱烘干，用CH3CN或乙酸重结晶，得1，3，5，7-四溴金刚烷；所述步骤(2)还包括过滤反应混合物，加入蒸馏水，再用氢氧化钾溶液中，直至溶液变为弱碱性，干燥后用无水乙醇对所得固体抽提24-48时间段小时，将乙醇蒸干，然后用丙酮、乙醇和/或甲醇重结晶，得1，3，5，7-四羟基金刚烷。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是(1)提供了一种具有较高收率、高纯度四羟基金刚烷的制备方法，产物收率可达70％。
(2)该方法以金刚烷、液溴和硫酸银等为原料，原料易得。
(3)该方法经两步反应合成四羟基金刚烷，方法简便易行，实验条件易于实现。
图1是1，3，5，7-四溴金刚烷红外光谱图；图2是1，3，5，7-四溴金刚烷1HNMR谱图；图3是1，3，5，7-四羟基金刚烷红外谱图；图4是1，3，5，7-四羟基金刚烷1HNMR谱图；
图5是本发明的反应原理图。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述。
如图5所示，本发明的反应原理是通过如下两个步骤制得1，3，5，7-四羟基金刚烷步骤一是金刚烷溴化向液溴中缓慢添加金刚烷，在催化剂的作用下合成1，3，5，7-四溴金刚烷；步骤二是在步骤(1)合成的1，3，5，7-四溴金刚烷中加入浓硫酸等催化剂，合成1，3，5，7-四羟基金刚烷；实施例1向装有回流冷凝管和HBr吸收装置的100ml三口烧瓶中加入3.84g无水溴化铝(0.0144mol)，15mlBr2(0.288mol)，冰水浴，温度维持在30℃以下，在0.5小时内缓慢添加19.6g(0.144mol)金刚烷。伴随着金刚烷的加入，有红棕色气体和白色烟雾产生。待金刚烷添加完毕，加热至70℃，反应12小时，再升温至120℃，反应1小时，停止。
所得产物先后用NaHSO3溶液和盐酸处理，除去未反应的溴和催化剂，产物过滤后干燥。用CH3CN重结晶(或乙酸)，得到棕黄色固体即为1，3，5，7-四溴金刚烷。产物收率49.5％，熔点(mp)为246～248℃。
IR(KBr)2960，1440，1317，1213，987，847，722，499cm-1。
1HNMR(CDCl3)2.70ppm(12H)取100ml浓硫酸(1.86mol)置于250ml烧瓶中，加入8.4g1，3，5，7-四溴金刚烷(0.0186mol)，29.0g(0.093mol)硫酸银，40℃反应2小时，加热至70℃，反应22小时。
过滤反应混合物，得到约90ml黑色黏稠状液体，加入50ml蒸馏水。再用30％的氢氧化钾溶液约500ml中和上述溶液，直至溶液变为弱碱性。蒸发溶液中的水分，干燥后用300ml无水乙醇对所得固体进行抽提24小时。将乙醇蒸干，用丙酮/乙醇/甲醇混合物重结晶产物，得白色结晶，干燥得1，3，5，7-四羟基金刚烷1.82g。产物收率49.0％。熔点(mp)316～318℃.
1HNMR(DMSO)δ4.54ppm(4H)，1.33ppm(12H)实施例2向装回流冷凝管和HBr吸收装置的250ml三口烧瓶中加入38.4g无水氯化铝(0.288mol)，110mlBr2(2.16mol)，冰盐浴，温度维持在-10℃～0℃，在2小时内缓慢添加19.6g(0.144mol)金刚烷。伴随着金刚烷的加入，有红棕色气体和白色烟雾产生。待金刚烷添加完毕，加热至80℃，反应2小时，再升温至120℃，反应1小时，停止。
先蒸出液溴30~50ml，产物再先后用NaHSO3溶液和盐酸处理，除去未反应的溴和催化剂，产物过滤后干燥。用CH3CN重结晶(或乙酸)，得到棕黄色固体即为1，3，5，7-四溴金刚烷。产物收率48.3％，熔点(mp)246～248℃。
取30ml浓硫酸(0.56mol)置于100ml烧瓶中，加入8.4g1，3，5，7-四溴金刚烷(0.0186mol)，13.5g(0.042mol)硫酸银，加热至80℃，反应7小时。
过滤反应混合物，得到约25ml黑色黏稠状液体，加入20ml蒸馏水。再用30％的氢氧化钾溶液约180ml氢氧化钾溶液中和上述溶液，直至溶液变为弱碱性。蒸发溶液中的水分，干燥后用200ml无水乙醇对所得固体进行抽提24小时。将乙醇蒸干，用丙酮/乙醇/甲醇混合物重结晶产物，得白色结晶，干燥得1，3，5，7-四羟基金刚烷2.6g。产物收率70.0％。熔点(mp)316～318℃。
实施例3
向装有回流冷凝管和HBr吸收装置的250ml三口烧瓶中加入20g无水氯化铝(0.15mol)，90mlBr2(1.76mol)，冰水浴，温度维持在15℃以下℃，在1小时内缓慢添加19.6g(0.144mol)金刚烷。伴随着金刚烷的加入，有红棕色气体和白色烟雾产生。待金刚烷添加完毕，加热至70℃，反应22小时，再升温至80℃，反应2小时，停止。
先蒸出液溴约30ml，产物再先后用NaHSO3溶液和盐酸处理，除去未反应的溴和催化剂，产物过滤后干燥。用CH3CN重结晶(或乙酸)，得到棕黄色固体即为1，3，5，7-四溴金刚烷。产物收率63％，熔点(mp)246～248℃。
取25ml浓硫酸(0.47mol)置于100ml烧瓶中，加入8.4g1，3，5，7-四溴金刚烷(0.0186mol)，11.6g(0.037mol)硫酸银，加热至80℃，反应4小时，100℃，反应1小时。
过滤反应混合物，得到约20ml黑色黏稠状液体，加入20ml蒸馏水。再用30％的氢氧化钾溶液约150ml氢氧化钾溶液中和上述溶液，直至溶液变为弱碱性。蒸发溶液中的水分，干燥后用200ml无水乙醇对所得固体进行抽提48小时。将乙醇蒸干，用丙酮/乙醇/甲醇混合物重结晶产物，得白色结晶，干燥即得1，3，5，7-四羟基金刚烷2.3g。产物收率61.5％。mp316～318℃分析测试1，3，5，7-四溴金刚烷和1，3，5，7-四羟基金刚烷分别采用FTIR、1HNMR和13CNMR进行了分析。
红外光谱法(FTIR)分析实施例1中所得1，3，5，7-四溴金刚烷样品进行红外光谱法(FTIR)分析。样品制备采用KBr压片法制备，样品在NICOLET 760型红外分光光度计上进行分析。具体是，样品经CH3CN二次重结晶，在真空烘箱中50℃下烘干10小时，取少量样品用KBr压片，经红外光谱法(FTIR)分析，如图1所示。1，3，5，7-四羟基金刚烷经丙酮/乙醇/甲醇混合物二次重结晶后，在真空烘箱中50℃下烘干10小时，取少量样品用KBr压片，经红外光谱法(FTIR)分析得IR谱图，如图3所示。
金刚烷1，3，5，7位的C-H伸缩振动峰位于2910cm-1处，若发生四取代，则该峰将消失。如图1所示，当金刚烷发生溴化反应后，在2910cm-1处无吸收峰，说明金刚烷上的1，3，5，7位的H原子已全部被取代。同时在483cm-1处可见C-Br吸收峰。上述分析表明所合成样品为1，3，5，7-四溴金刚烷。1HNMR谱图分析可进一步确证。
对比图1和图3可见四溴金刚烷经磺化、水解反应后，在3336cm-1出现一个很强的羟基吸收峰，同时原位于483cm-1处的C-Br吸收峰消失，可初步确定形成了四羟基金刚烷。通过图4核磁分析可进一步确证.
核磁分析用实施例1所得产物样品，采用德国Bruker 400MHz超导核磁共振仪，溶剂为CDCl3或DMSO。1，3，5，7-四溴金刚烷样品经CH3CN二次重结晶，在真空烘箱中50℃下烘干10小时，溶于CDCl3中进行分析。1，3，5，7-四羟基金刚烷经丙酮/乙醇/甲醇混合物二次重结晶后，在真空烘箱中50℃下烘干10小时，溶于氘代DMSO中进行分析。
结构对称的金刚烷上有16个氢，其中4个桥头氢(1，3，5，7位)，12个亚甲基氢，1HNMR谱上出现两个吸收峰，分别位于δ1.78(12H)和δ1.88(4H)。如图2所示，当金刚烷上1，3，5，7位的氢被溴取代生成四溴金刚烷后，化合物骨架上只有12个亚甲基氢，由于1，3，5，7-四溴金刚烷仍具有高度对称的结构，12个亚甲基氢吸收峰出现在同一位置，但由于溴的去屏蔽作用，吸收峰向低场位移(δ2.70)。
如图4所示，1，3，5，7-四溴金刚烷经磺化、水解反应后，在δ4.54(羟基质子吸收峰)和δ1.33(金刚烷亚甲基氢的吸收峰)出现两个吸收峰。以δ4.54处峰为标准积分，δ1.33处质子数是其3倍，与理论上亚甲基氢原子(12)与羟基质子数(4)之比吻合(12/4＝3)，因此可以确定产物是1，3，5，7-四羟基金刚烷。(δ3.30处的峰为产物中含有的微量水分导致；δ2.47处为溶剂峰。)综合红外和核磁共振分析结果，可确定采用本发明提供的方法金刚烷经溴化反应生成了1，3，5，7-四溴金刚烷，再经磺化、水解反应生成了1，3，5，7-四羟基金刚烷。
权利要求
1.一种四羟基金刚烷的合成方法，其特征在于包括如下步骤(1)金刚烷溴化向液溴中缓慢添加金刚烷，在催化剂的作用下，先于-10～30℃温度条件下，反应0.5～2小时，再于50～120℃温度条件下，反应3～24小时，合成1，3，5，7-四溴金刚烷；(2)在步骤(1)合成的1，3，5，7-四溴金刚烷中加入硫酸银和浓硫酸，于40～100℃温度条件下，反应5～24小时，合成1，3，5，7-四羟基金刚烷；步骤(1)所述金刚烷与液溴的摩尔比为1∶2～15，所述无水溴化铝和无水氯化铝与金刚烷的摩尔比为1∶0.1～2；步骤(2)所述四溴金刚烷与硫酸银的摩尔比为1∶2～5，所述四溴金刚烷与硫酸的摩尔比为1∶25～100。
2.根据权利要求1所述的四羟基金刚烷的合成方法，其特征在于步骤(1)所述催化剂为无水溴化铝和无水氯化铝。
3.根据权利要求1或2所述的四羟基金刚烷的合成方法，其特征在于所述步骤(1)还包括用饱和亚硫酸氢钠水溶液和盐酸除去未反应的溴和催化剂，过滤合成的1，3，5，7-四溴金刚烷，真空烘箱烘干，用CH3CN或乙酸重结晶，得1，3，5，7-四溴金刚烷。
4.根据权利要求1所述的四羟基金刚烷的合成方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括过滤反应混合物，加入蒸馏水，再用氢氧化钾溶液中和，直至溶液变为弱碱性，干燥后用无水乙醇对所得固体抽提24-48时间段小时，将乙醇蒸干，然后用丙酮、乙醇和/或甲醇重结晶，得1，3，5，7-四羟基金刚烷。
全文摘要
本发明公开了一种四羟基金刚烷的合成方法，包括如下步骤金刚烷溴化向液溴中缓慢添加金刚烷，在催化剂的作用下，先于－10～30℃温度条件下，反应0.5～2小时，再于50～120℃温度条件下，反应3～24小时，合成1，3，5，7－四溴金刚烷；在1，3，5，7－四溴金刚烷中加入硫酸银和浓硫酸，于40～120℃温度条件下，反应1～24小时，合成1，3，5，7－四羟基金刚烷。本方法具有原料易得、实验方法简便易行，实验条件易于实现，所得产物收率高、纯度高等优点。
文档编号C07C29/124GK1974515SQ200610123449
公开日2007年6月6日 申请日期2006年11月10日 优先权日2006年11月10日
发明者刘卅, 郭建维, 贾德民 申请人:华南理工大学