Adamantane | |||
---|---|---|---|
| |||
Všeobecné | |||
Systematický název |
Adamantane [1] , tricyklo[3.3.1.13.7 ] dekan |
||
Chem. vzorec | C10H16 _ _ _ | ||
Fyzikální vlastnosti | |||
Molární hmotnost | 136,23 [2] g/ mol | ||
Hustota | 1.07 [2] | ||
Tepelné vlastnosti | |||
Teplota | |||
• tání | 268 [3] | ||
Entalpie | |||
• vzdělávání | −197,2 [4] kJ/mol | ||
Optické vlastnosti | |||
Index lomu | 1 568 [2] | ||
Klasifikace | |||
Reg. Číslo CAS | 281-23-2 | ||
PubChem | 9238 | ||
Reg. číslo EINECS | 206-001-4 | ||
ÚSMĚVY | C1C2CC3CC1CC(C2)C3 | ||
InChI | InChI=1S/C10H16/cl-7-2-9-4-8(1)5-10(3-7)6-9/h7-10H,1-6H2ORILYTVJVMAKLC-UHFFFAOYSA-N | ||
CHEBI | 40519 | ||
ChemSpider | 8883 | ||
Údaje jsou založeny na standardních podmínkách (25 °C, 100 kPa), pokud není uvedeno jinak. | |||
Mediální soubory na Wikimedia Commons |
Adamantan je chemická sloučenina, nasycený tricyklický můstkový uhlovodík se vzorcem C10H16 . Molekula adamantanu se skládá ze tří fragmentů cyklohexanu v konformaci „židle“ [5] . Prostorové uspořádání atomů uhlíku v molekule adamantanu opakuje uspořádání atomů v krystalové mřížce diamantu [4] . Tato skutečnost vysvětluje původ názvu sloučeniny ( starořecky ἀδάμας - lit. "nezničitelný", také starořecký název pro diamant [2] ). Jedinečnost molekuly adamantanu spočívá v tom, že je pevná a zároveň prakticky bez napětí [6] . Objev adamantanu a studium jeho vlastností posloužilo jako impuls k rozvoji jedné z oblastí moderní organické chemie - chemie organických mnohostěnů [7] . Deriváty adamantanu našly praktické uplatnění jako léčiva s různými biologickými aktivitami. Na základě adamantanu vyvinuté polymerní materiály a kompozice se zlepšenými výkonnostními vlastnostmi, tepelně stabilní maziva [7] .
Na možnost existence uhlovodíku složení C 10 H 16 s diamantovitou strukturou molekuly poprvé upozornil Decker H. na kongresu přírodovědců v Innsbrucku v roce 1924 [8] . Dokonce vyjádřil překvapení nad tím, že takový uhlovodík v té době ještě nebyl syntetizován.
První pokus syntetizovat adamantan v laboratoři provedl německý chemik Hans Meerwein také v roce 1924 . Navrhl, že adamantan vznikl reakcí formaldehydu s esterem kyseliny malonové v přítomnosti piperidinu . Meerweinovi se však plánovaná transformace nepodařilo uskutečnit: místo adamantanu byl získán tetramethylester bicyklo[4,3,1]nonadion-2,6-tetrakarboxylové-1,3,5,7 kyseliny, který byl později nazýván „Meerwein“. ester". I když byl experiment obecně neúspěšný, byl to Meerweinův éter, který byl později použit jako výchozí sloučenina při prvních úspěšných syntézách adamantanu a jeho derivátů. [7]
Jiní výzkumníci se pokoušeli syntetizovat adamantan vycházející z floroglucinolu nebo určitých derivátů cyklohexanonu , ale takové experimenty byly neúspěšné. [6]
Jako samostatnou chemickou sloučeninu byl adamantan objeven českými chemiky S. Landou a V. Machačkem v roce 1933 . Tento uhlovodík izolovali z ropy na poli Godoninskoye. [9] Vědci získali pouze několik miligramů adamantanu, jehož struktura byla určena především díky anomálně vysokému bodu tání . [6] Následně byl adamantan objeven v dalších ropných polích .
První úspěšnou syntézu adamantanu provedl švýcarský chemik W. Prelog v roce 1941 . [10] [11] Adamantane byl připraven z Meerweinova éteru v pěti krocích, s celkovým výtěžkem menším než jedno procento. Později Stetter navrhl další syntetické schéma, v jehož důsledku byl výtěžek adamantanu zvýšen na 6,5 %. [7] [12]
Důležitou událostí v historii studia chemie adamantanu byl objev Schleyera a Donaldsona v roce 1957 . Vědci vyvinuli účinnou metodu pro získání velkého množství tohoto uhlovodíku. [13] Tato práce učinila z adamantanu velmi dostupnou sloučeninu, která sloužila jako podnět pro aktivní studium jeho fyzikálních a chemických vlastností.
Jediným známým přírodním zdrojem adamantanu je olej . [7] [14] Obsah tohoto uhlovodíku v ropě je pouze 0,0001–0,03 % (v závislosti na oboru), v důsledku čehož je tento způsob výroby adamantanu ekonomicky nerentabilní.
Kromě samotného adamantanu existují četné jeho deriváty v oleji. Je známo více než třicet takových sloučenin. [7] Izolace adamantanu z komplexní směsi ropných uhlovodíků je možná díky jeho jedinečným fyzikálně-chemickým vlastnostem, jako je vysoký bod tání, schopnost destilovat s vodní párou a vytvářet stabilní adukty s thiokarbamidem .
První úspěšnou syntézu adamantanu z Meerweinova éteru provedl V. Prelog v roce 1941 . Syntéza zahrnovala několik stupňů a výtěžek adamantanu nepřesáhl jedno procento.
Tato metoda se již pro syntézu adamantanu nepoužívá kvůli vysoké pracnosti a nízkému výtěžku konečného produktu. Má však určitou hodnotu, pokud jde o získání různých derivátů adamantanu, zejména kyseliny 1,3-adamantandikarboxylové. [6]
K získání tohoto uhlovodíku v laboratoři se v současnosti používá Schleyerova metoda. Cyklopentadienový dimer (což je snadno dostupná sloučenina) podléhá katalytické hydrogenaci , po které se izomeruje na adamantan v přítomnosti katalyzátoru Lewisovy kyseliny. Postup popsaný v Organic Syntheses používá oxid platiny jako hydrogenační katalyzátor a chlorid hlinitý jako katalyzátor izomerace. [15] V tomto případě je výnos 13–15 %.
Adamantane je zcela dostupná chemická sloučenina. Náklady na jeden gram od různých výrobních společností nepřesahují jeden americký dolar .
Podle pravidel systematické nomenklatury by se adamantan měl nazývat tricyklo[3.3.1.1 3,7 ]dekan. IUPAC však doporučuje, aby se jako preferovaný název používal název „adamantan“. [16]
Molekula adamantanu má vysokou symetrii. V důsledku toho lze 16 atomů vodíku a 10 atomů uhlíku , které jej tvoří, přiřadit pouze dvěma typům.
Pozice typu 1 se nazývají uzlové pozice a pozice typu 2 se nazývají pozice mostu . V molekule adamantanu jsou čtyři nodální a šest můstkových pozic.
Obvykle se 1-adamantylový substituent tradičně označuje v literatuře symboly "Ad—".
Nejbližší strukturní analogy adamantanu jsou noradamantan a homoadamantan . První uhlovodík je o jednu jednotku CH2 méně a druhý je více než samotný adamantan.
Chemicky čistý adamantan je bezbarvá krystalická látka s charakteristickým kafrovým zápachem. [4] Je prakticky nerozpustný ve vodě, ale snadno rozpustný v nepolárních organických rozpouštědlech . [4] Adamantane má neobvykle vysoký bod tání (268 °C) pro uhlovodíky , ale pomalu sublimuje i při pokojové teplotě. [2] Může být také destilován parou . [čtrnáct]
Molekula adamantanu obsahuje tři kondenzované cyklohexanové kruhy v konformaci "židle" . Parametry molekuly adamantanu byly stanoveny elektronovou a rentgenovou difrakcí . Bylo zjištěno, že každá vazba uhlík-uhlík je dlouhá 1,54 Á a každá vazba uhlík-vodík 1,112 Á dlouhá . [2]
Molekula adamantanu má vysokou symetrii ( skupina bodů T d ). Krystalický adamantan existuje ve formě plošně centrované kubické mřížky (velmi vzácná prostorová skupina pro organické sloučeniny , a = 9,426 ± 0,008 Á , čtyři molekuly na buňku). [6] Když je tato forma ochlazena na teplotu pod −65 °C, je pozorován fázový přechod s tvorbou na tělo centrované tetragonální mřížky (a = 6,641 Å , c = 8,875 Å ). [2] [6]
NMR spektrum adamantanu obsahuje dva slabě rozlišené signály, které odpovídají protonům umístěným v blízkosti můstkových a uzlových atomů uhlíku. V1H - NMR spektru zaznamenaném v CDCI3 jsou signály protonů lokalizovaných v blízkosti uzlových atomů uhlíku pozorovány při 1,873 ppm a signály protonů na přemosťujících atomech uhlíku jsou pozorovány při 1,756 ppm . signály uzlových a můstkových atomů uhlíku se objevují při 28,46 a 37,85 ppm, v daném pořadí. [17]
Hmotnostní spektra adamantanu a jeho derivátů jsou zcela charakteristická. Poloha hlavního píku v hmotnostním spektru adamantanu je způsobena přítomností iontu s m/z = 136 v produktech ionizace.V důsledku fragmentace molekulárního iontu se objevují píky s hodnotami m/z z 93, 80, 79, 67, 41, 39. [2] [17]
IR spektrum adamantanu je relativně jednoduché díky vysoké symetrii molekuly. Hlavní absorpční pásma a jejich korespondence s různými typy vibrací jsou uvedeny v tabulce. [2]
Frekvence kmitů, cm −1 | Tvar vlny * |
---|---|
444 | δ(CCC) |
638 | δ(CCC) |
798 | ν(C-C) |
970 | ρ (CH2 ) , ν (C-C), 5 (HCC) |
1103 | δ(HCC) |
1312 | ν (C-C), ω (CH 2 ) |
1356 | 5 (HCC), ω ( CH2 ) |
1458 | δ(HCH) |
2850 | v (C-H) ve skupinách CH2 |
2910 | v (C-H) ve skupinách CH2 |
2930 | v (C-H) ve skupinách CH2 |
* Označení pro různé typy vibrací: δ—deformace, ν—valence, ρ, ω—deformační vibrace skupin CH 2 mimo rovinu. |
Adamantanové molekuly obsahující čtyři různé substituenty na uzlových atomech uhlíku jsou chirální a opticky aktivní. [18] V tomto případě centrum chirality, jako u opticky aktivních bifenylů , nespadá na žádný konkrétní atom. R,S-nomenklaturu lze v tomto případě použít stejně snadno.
Tento typ optické aktivity byl poprvé popsán v roce 1969 dvěma skupinami vědců. [19] [20] Optická aktivita byla nalezena v adamantanu obsahujícím čtyři různé substituenty v uzlových polohách: vodík , brom , methyl a karboxylovou skupinu . Vědcům se podařilo oddělit enantiomery této sloučeniny a prokázat, že opticky aktivní adamantany mají velmi nízké hodnoty specifické rotace (obvykle do 1°). To lze vysvětlit větší vzdáleností substituentů od centra chirality než např. v případě asymetrického atomu uhlíku.
Opticky aktivní adamantany nenašly praktické uplatnění.
Uhlovodíky, jejichž struktura je tvořena pouze σ-vazbami, jsou chemicky inertní. Navzdory tomu jsou však adamantan a jeho deriváty vysoce reaktivní. Tato jejich vlastnost je zvláště výrazná v reakcích iontového typu, které probíhají za vzniku karbokationtů jako meziproduktů.
1-adamantylový kationt je vysoce stabilní ve srovnání s jinými terciárními karbokationty. Snadno se tvoří jako výsledek interakce 1-fluor-adamantanu s SbF5 . [21]
Zvýšená stabilita tohoto kationtu je spojena s účastí vzdálených center molekuly na delokalizaci náboje, což lze potvrdit NMR spektry odpovídajících sloučenin. Jak je známo, přítomnost kladně nabitého centra v molekule vede k posunu signálů těch atomů, které s ní interagují, do slabého pole. Jak je patrné z PMR spekter, a zejména 13C , signály atomů γ-uhlíku jsou více odcloněny, i když jsou umístěny dále od kladně nabitého středu. Zpočátku bylo za příčinu tohoto jevu považováno překrytí prázdného orbitalu kladně nabitého atomu, s C-H orbitaly v γ-pozicích. Výpočty však ukázaly, že pro adamantan nemůže být taková interakce účinná. S největší pravděpodobností je stabilita kationtu způsobena interakcí prázdného orbitalu s σ-orbitaly vazeb C(β)-C(γ) [22] .
Adamatanová dikace byla získána v roztocích superkyselin . Má zvýšenou stabilitu díky jevu zvanému „trojrozměrná aromaticita“. [23]
Adamantane je vhodná modelová sloučenina pro studium karbokationtů a faktorů ovlivňujících jejich stabilitu.
Nejreaktivnější polohy molekuly adamantanu jsou nodální. Existuje pro ně mnoho modifikačních metod.
BromaceAdamantane snadno reaguje s různými bromačními činidly, zejména molekulárním bromem . Složení a poměr reakčních produktů může být různé a závisí na reakčních podmínkách, zejména na přítomnosti katalyzátorů . [7]
Při vaření adamantanu s bromem vzniká monosubstituovaný produkt - 1-bromoadamantan. Když se jako katalyzátory použijí různé Lewisovy kyseliny , je možná tvorba dvou-, tří- nebo čtyř-substituovaných bromadamantanů. [5]
Bromační reakce probíhá podle iontového mechanismu za vzniku adamantylkarbokationtu jako meziproduktu. To je potvrzeno například skutečností, že reakční rychlost se zvyšuje v přítomnosti Lewisových kyselin a nemění se, když se reakční směs ozařuje nebo se přidávají donory volných radikálů . [6]
FluoridacePrvní syntézy 1-fluoradamantanu byly provedeny za použití 1-hydroxyadamantanu [24] a derivátů 1-aminoadamantanu jako výchozích sloučenin. Později byla popsána reakce přímé fluorace adamantanu. [25] Ve všech těchto případech byl vytvořen adamantylový kationt, který následně interagoval s nukleofilem obsahujícím fluor.
Známá je také reakce adamantanu s plynným fluorem , při které vznikl 1-fluoradamantan. [26]
KarboxylaceKarboxylová skupina může být zavedena do 1. polohy adamantanu . [27] Odpovídající reakce byla poprvé popsána v roce 1960 . [28] Kyselina mravenčí byla použita jako karboxylační činidlo a chlorid uhličitý byl použit jako rozpouštědlo .
Úlohou terc -butanolu a kyseliny sírové je generovat adamantylový kationt, který následně podléhá karbonylaci oxidem uhelnatým , vznikajícím in situ reakcí kyseliny mravenčí a sírové . [6] Výtěžek kyseliny 1-adamantankarboxylové v preparativní verzi metody je 55–60 %. [27]
HydroxylaceNejjednodušší adamantanový alkohol je 1-hydroxyadamantan. Poměrně snadno se tvoří hydrolýzou 1-bromoadamantanu ve vodném acetonu . Kromě toho existuje způsob syntézy 1-hydroxyadamantanu ozonizací samotného adamantanu. [29]
ArylaceAdamantan může reagovat s benzenem v přítomnosti Lewisových kyselin, což vede k tvorbě produktů Friedel-Craftsovy reakce . [třicet]
Deriváty adamantanu obsahující aromatický substituent na nodálním atomu uhlíku lze získat v průběhu elektrofilní substituční reakce z 1-hydroxyadamantanu. Zejména reakce s anisolem probíhá za normálních podmínek i v nepřítomnosti katalyzátoru, což se vysvětluje snadnou tvorbou a vysokou stabilitou adamantylového kationtu. [5]
OstatníNitrace adamantanu je obtížná a vede k 1-nitroadamantanu v mírných výtěžcích. [31]
Přemostěné polohy jsou méně reaktivní než uzlové polohy, a proto jsou adamantanové deriváty tohoto typu méně dostupné. Důležitou reakcí, která umožňuje získat deriváty tohoto typu, je interakce adamantanu s koncentrovanou kyselinou sírovou , která vede ke vzniku ketonu -adamantanonu. [32]
Přítomnost karbonylové skupiny v adamantanonu umožňuje provést další modifikaci v poloze můstku reakcí této sloučeniny s nukleofilními činidly. Například adamantanon slouží jako výchozí sloučenina pro přípravu takových derivátů adamantanu, jako je 2-adamantankarbonitril [33] a 2-methyladamantan. [34]
V současné době se adamantan používá pouze při syntéze jiných látek. Některé z jeho derivátů lidé úspěšně používají v různých oblastech činnosti. [35]
Prvním derivátem adamantanu, který našel použití jako droga , byl amantadin . Nejprve byl používán jako antivirotikum , účinné v boji proti viru chřipky A2 ( 1967 ). Později byl objeven jeho antiparkinsonský účinek . [36]
Na rozdíl od L-dopy , klasického antiparkinsonika, amantadin působí rychleji a vedlejší účinky byly minimalizovány. Vysoká lipofilita molekuly adamantanu zajišťuje snadný průnik léku hematoencefalickou bariérou . Navíc díky tomu působí amantadin jako antispasmodikum . [36]
Z dalších derivátů adamantanu, které jsou aktivními složkami léčiv, lze uvést memantin , rimantadin , dopamantin, tromantadin , vildagriptin a pocketadin.
Polymerní analogy adamantanu jsou patentovány jako antivirotika aktivní proti HIV . [37]
Od roku 2011 nejsou adamantanové deriváty amantadin a rimantadin ve Spojených státech doporučovány jako léky k léčbě chřipky ( viry chřipky A a B jsou vůči těmto lékům rezistentní) [38] . V Rusku byl v roce 2007 rimantadin vyřazen ze seznamu drog, podle kterého je zajišťování drog prováděno v programu doplňkového poskytování drog, jako jedna ze zastaralých drog s neprokázanou účinností [39] .
S pomocí adamantanu byly získány diamantové filmy, které jsou pouze třikrát nižší než diamant . Vznikají, když jsou páry adamantanu vystaveny elektrickým výbojům. Při aplikaci takových fólií na jakýkoli povrch se zvyšuje jeho tvrdost. [40] Některé alkylové deriváty adamantanu našly použití jako hydraulické kapaliny . [35]
V roce 2002 měly být polymery na bázi adamantanu použity při výrobě dotykových povlaků pro elektronické displeje. [41] V roce 2007 bylo popsáno potenciální využití adamantanu a jeho homologů v nanotechnologii . [42]
Adamantane má řadu strukturních analogů mezi anorganickými a organoprvkovými sloučeninami. Patří mezi ně oxid fosforečný, sulfid fosforečný , urotropin a některé další sloučeniny.
Adamantane
Sulfid fosforečný
Tetramethylendisulfotetramin
V roce 2005 byl syntetizován křemíkový analog adamantanu . [43]
články:
![]() | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
Rámcové uhlovodíky | ||
---|---|---|
tricyklický | ||
tetracyklický | ||
Pentacyklický |