Кіріспе

Адамтан – C10H16 формуласы бар органикалық қосылыс немесе, толықрақ айтқанда, (CH)4(CH2)6. Адамтан молекулаларын үш циклогексан сақинасының "кресло" конфигурациясында бірігіп орналасуы ретінде сипаттауға болады. Молекула өте қатты және дерлік керілімі жоқ. Адамтан – C10H16-ның ең тұрақты изомері. Адамтан молекуласындағы көміртек атомдарының кеңістіктегі орналасуы алмаз кристалдындағымен ұқсас. Осы ұқсастық адамантан атауына әкелді, ол грек тіліндегі "адамантинос" сөзінен (болатқа немесе алмазға қатысты) шығарылған. Бұл – камфораға ұқсас иісі бар ақ түсті қатты зат. Бұл ең қарапайым алмазоид. 1933 жылы мұнайда адамантанның табылуы көпжақты органикалық қосылыстардың синтезі мен қасиеттерін зерттейтін химияның жаңа саласын ашты. Адамтан туындылары дәрілік заттар, полимерлік материалдар және жоғары жылу тұрақтылығы бар майлау материалдары ретінде қолданылады.

Тарих және синтез

1924 жылы Х. Декер адамантанның бар екенін болжады, оны декатерпен деп атады. Алғашқы зертханалық синтезді 1924 жылы неміс химигі Ханс Мервейн пиперидиннің қатысуымен формальдегид пен диэтилмалонатты реакцияға түсіру арқылы жасады. Адамтанның орнына Мервейн 1,3,5,7-тетракарбометоксибицикло[3.3.1]нонан-2,6-дионды алды: бұл қосылыс, кейін Мервейн эфирі деп аталды, адамантан мен оның туындыларын синтездеуге қолданылды. Д. Боттгер Мервейн эфирін бастапқы зат ретінде пайдаланып адамантан алуға тырысты. Нәтижесінде алынған трицикло[3.3.1.13,7] – адамантан емес, оның туындысы болды. Басқа зерттеушілер флороглюцинол мен циклогексанон туындыларын қолданып адамантан синтездеуге тырысты, бірақ сәттілікке жете алмады. Адамтанды алғаш рет 1941 жылы Владимир Прелог Мервейн эфирінен синтездеді. 0,16% құрамындағы бес сатыздан тұратын процесс практикалық бола қойған жоқ (төмендегі суретте көрсетілгендей). Бұл әдіс адамантанның кейбір туындыларын синтездеу үшін қолданылады. Процесс әлі де күрделі болды, ал 1957 жылы Пол фон Рагуэ Шлейер тиімдірек әдіс тапты: дициклопентадиенді катализатордың (мысалы, платина диоксидінің) қатысуымен сутектілендіріп трициклодеканға айналдырды, содан кейін Люис қышқылының (мысалы, алюминий хлоридінің) басқа катализатор ретінде қолдану арқылы адамантанға түрлендірді. Бұл әдіс өнімділікті 30-40%-ға дейін арттырып, адамантанның қолжетімді көзін қамтамасыз етті, соның нәтижесінде адамантанның қасиеттерін зерттеуге жол ашылды және әлі күнге дейін зертханалық тәжірибеде қолданылуда. Адамтан синтезінің өнімділігі кейіннен ультрадыбыс және суперацидтік катализ арқылы 60%-ға және 98%-ға дейін арттырылды. Бүгінде адамантанның бір грамының құны 1-2 АҚШ долларын құрайды. Жоғарыда аталған барлық әдістер адамантанды поликристалл ұнтақ түрінде береді. Бұл ұнтақтан балқыту, ерітінді немесе бу фазасы арқылы (мысалы, Бриджман-Стокбаргер әдісімен) жеке кристалдар өсіруге болады. Балқыту арқылы өсірілген кристалдардың сапасы нашар, рентген сәулесінің шағылысуында мозаикалық таралу шамамен 1° құрайды. Ең жақсы кристалдар сұйық фазадан алынады, бірақ 5-10 мм кристал өсіру үшін бірнеше ай уақыт қажет, яғни процесс өте баяу. Бу фазасынан өсіру жылдамдық және сапа жағынан тиімді нұсқа болып табылады.

Табиғи пайда болуы

Адамтанды алғаш рет чех химиктері С. Ланда, В. Махачек және М. Мзурек мұнайдан бөліп алды. Олар мұнайды фракциялық дистилляциялау әдісін қолданды. Олар тек бірнеше миллиграмм адамантан өндіре алды, бірақ оның жоғары қайнау және балқу температураларын байқады. Құрылысы алмазға ұқсас болғандықтан, жаңа қосылысқа адамантан деп ат қойылды. Мұнайда адамантанның отыздан астам туындысы кездеседі. Адамтанның балқу температурасы көмірсутек үшін ерекше жоғары. 270 °C температурада оның балқу температурасы басқа да осындай молекулалық салмақты көмірсутектерге қарағанда, мысалы, камфенге (45 °C), лимоненге (-74 °C), оцименге (50 °C), терпиненге (60 °C) немесе твистанға (164 °C) немесе сызықтық C10H22 көмірсутек деканына (-28 °C) қарағанда әлдеқайда жоғары. Дегенмен, адамантан тіпті бөлме температурасында да баяу сублимацияланады. Бұл фазалық өту бірінші реттік; ол жылу сыйымдылығы, серпімділік және басқа да қасиеттердегі аномалиямен сүйемелденеді. Атап айтқанда, адамантан молекулалары кубтық фазада еркін айналады, ал тетрагональды фазада олар қатаңдалады; тығыздық 1,08-ден 1,18 г/см³ дейін біртіндеп артады, ал энтропия 1594 Дж/(мол·К) шамасына дейін айтарлықтай өзгереді. Адамтан мен алмастағы көміртек атомдарының орналасуы бірдей; алайда, адамантанның қатты күйдегі молекулалары алмастағыдай коваленттік тор құрамайды, бірақ әлсіз ван дер Ваальс күштері арқылы өзара әрекеттеседі. Соның салдарынан адамантан кристалдары өте жұмсақ және пластикалық болып келеді.

Спектроскопия

Адамтанның ядролық магниттік резонанс (ЯМР) спектрі 1 және 2 орындарына сәйкес келетін екі нашар ажыратылатын сигналдан тұрады (төмендегі суретті қараңыз). 1H және 13C ЯМР химиялық ығысулары тиісінше 1,873 және 1,756 ppm, ал 28,46 және 37,85 ppm шамасында. Бұл спектрлердің қарапайымдылығы жоғары молекулалық симметриямен сәйкес келеді. Адамтан және оның туындыларының массалық спектрлері ерекше сипаттамалы. m/z = 136-дағы негізгі шың ионға сәйкес келеді. Оның фрагментациясы m/z = 93, 80, 79, 67, 41 және 39 сияқты нашар сигналдарға алып келеді. Мұндай оптикалық белсенділік 1969 жылы адамтан үшін сутек, бром, метил және карбоксил тобынан тұратын төрт түрлі алмастырғышпен сипатталған. Бұрылу шамалары кішкентай және әдетте 1° шегінде болады.

Номенклатура

Жүйелі номенклатура ережелерін қолдану арқылы адамантан трицикло[3.3.1.13,7]декан деп аталады. Дегенмен, IUPAC «адамтан» атауын қолдануды ұсынады. 1,3-дидегидроадамтанның дикациясы суперқышқылдар ерітінділерінде алынды. Ол «үшөлшемді ароматикалық» немесе гомоароматикалық деп аталатын құбылысқа байланысты жоғары тұрақтылыққа ие. Бұл төрт орталықты, екі электронды байланыс төрт көпірлік атомдар арасында делдалданған бір электрон жұбын қамтиды.

Реакциялар

Адамантанның көптеген реакциялары 3-қоординациялық көміртекті орындарында жүреді. Олар адамантанды концентрленген күкірт қышқылымен реакцияға түсіргенде адамантанон түзіледі. Адамантанонның карбонил тобы көпірленген орын арқылы одан әрі реакцияларға жол береді. Мысалы, адамантанон 2-адамантанкарбонитрил және 2-метил адамантан сияқты адамантан туындыларын алуға арналған бастапқы зат.

Бромендеу

Адамтан молекулалық бромды қоса алғанда, әртүрлі бромдаушы заттармен оңай реакцияға түседі. Реакция өнімдерінің құрамы мен қатынасы реакция жағдайларына, әсіресе катализаторлардың болуы мен түріне байланысты. Льюис қышқылдарын қосу бромдалу жылдамдығын арттырады, ал сәулелендіру немесе еркін радикалдарды қосу оны өзгерте алмайды. Бұл реакция иондық механизм арқылы жүреді екенін көрсетеді. Алғашқы қосылыстар ретінде 1-аминоадамтан қолданылды. Кейін фторлау адамантаннан басталып, барлық жағдайларда реакция адамантан катионының түзілуі және фторланған нуклеофилдермен өзара әрекеттесуі арқылы жүрді. Адамтанды газ тәрізді фтормен фторлау туралы да мәлімделген.

Карбоксилдеу

Адамантанды құмырсқа қышқылымен карбоксилдеу 1-адамантанкарбон қышқылын тудырады.

Окистену

1 Гидроксиадамантан 1 бромадамантанның ацетонның сулы ерітіндісінде гидролизі арқылы оңай түзіледі. Ол сондай-ақ адамантанды озонмен өңдеу арқылы да алынуы мүмкін: спирттің тотығуы адамантанонға айналады.

Басқалар

Адамтан Льюис қышқылдарының қатысуында бензолмен әрекеттеседі, нәтижесінде Фридель-Крафтс реакциясы жүзеге асырылады. 1-гидроксиадамантаннан бастап арил топтарымен алмастырылған адамантан туындыларын оңай алуға болады. Анизольмен реакция қалыпты жағдайларда өтеді және катализатор қажет етпейді. Азотты топтарымен алмастырылған дәрілік зат – адамантин, адамантанды бром немесе азот қышқылымен реакцияға түсіріп, 1-орында бромды немесе нитроэстер алу арқылы дайындалады. Екі қосылыстың кез келгенімен ацетонитрилді реакцияға қосу нәтижесінде ацетамид пайда болады, ол гидролизденгенде 1-адамантиламинді береді.

Қолданылуы

Адамтанның өзі сирек қолданылады, себебі ол функциялық тобы жоқ көмірсутек. Ол кейбір құрғақ тегілу маскаларында және полимерлік қоспаларда қолданылады. Қатты денедегі ЯМР спектроскопиясында адамантан химиялық ығысуды анықтау үшін жиі қолданылатын стандарт болып табылады. Бояғыш лазерлерде адамантан активті ортаның қызмет ету мерзімін ұзартуға пайдаланылуы мүмкін; ол атмосферада фотоионизацияланбайды, өйткені оның сіңіру жолақтары спектрдің вакуумдық ультракүлгін аймағында жатыр. Адамтанның, сондай-ақ бірнеше ірі алмазоидтардың фотоионизациялық энергиясы анықталған.

Медицинада

Әзірге белгілі барлық медициналық қолданыстар таза адамантанды емес, оның туындыларын қамтиды. Адамтанның дәрі ретінде алғаш рет қолданылған туындысы – амантадин, ол 1967 жылы тұмаудың әртүрлі штаммдарына қарсы вирусқа қарсы препарат ретінде, кейін Паркинсон ауруын емдеу үшін пайдаланылды. Адамтан туындыларының ішінде адапален, адапромин, бромантан, кармантадин, хлодантан, допамантин, мемантин, римантадин, саксаглиптин, троммантадин және вилдаглиптин бар. Адамтан полимерлері ВИЧ-қа қарсы вирусқа қарсы заттар ретінде патенттелген. 2016 жылға дейін грипп вирусының штаммдары амантадин мен римантадинге қарсы дәрілік төзімділік дамытты, сондықтан бұл препараттар қазіргі кезде кең таралған штаммдарға тиімді емес.

Дизайнерлік дәрілерде

Адамтан жақында AB 001 және SDB 001 сияқты бірнеше синтетикалық каннабиноидтық дизайнерлік есірткілерде маңызды құрылымдық бөлік ретінде анықталды.

Ғарыш кемесі үшін қозғалтқыш

Адамтан Холл эффектілі жылдамдатқыштардағы жанармай ретінде перспективалы кандидат, себебі ол оңай иондалады, салмақты газ баллонының орнына қатты күйде сақталуы мүмкін және салыстырмалы түрде аз улы.

Технологиялық қолдану мүмкіндігі

Адамтанның кейбір алкил туындылары гидравликалық жүйелерде жұмыс сұйықтығы ретінде қолданылған. Адамтан негізіндегі полимерлер сенсорлық экрандардың жабындамалары үшін қолданылуы мүмкін, сондай-ақ нанотехнологияда адамантан мен оның гомологтарын пайдалануға мүмкіндіктер бар. Мысалы, адамантанның қатты денесінің жұмсақ, қуыс тәрізді құрылымы басқа молекулаларды (қонақ молекулаларды) сіңіруге мүмкіндік береді, олар матрица бұзылғанда адам организмінде босатылуы мүмкін. Адамтан молекулалық кристалдарды өздігінен құрастыру үшін молекулалық құрылыс блогы ретінде пайдаланылуы мүмкін.

Адамтан аналогтары

Көптеген молекулалар мен иондар адамантанға ұқсас қуысты құрылымдарды қабылдайды. Оларға фосфор триоксиді P4O6, мырыш триоксиді As4O6, фосфор пентоксиді P4O10 = (PO)4O6, фосфор пентасульфиді P4S10 = (PS)4S6 және гексаметилентетрамин C6N4H12 = N4(CH2)6 жатады. Әсіресе, тетраметилендисульфотетрамин, көбінесе "тетрамин" деп қысқартылатын, адамдар үшін өте улы болғандықтан көптеген елдерде тыйым салынған кеміргіштерге қарсы препарат. Адамтанның кремнийлік аналогы – силаадамтан 2005 жылы синтезделген. Артеницин А – Жаңа Каледония теңізінің губкасы Эхинохалина баргибантиден бөліп алынған табиғи органикалық арсен қосылысы және бірнеше арсен атомдарын қамтитын алғашқы гетероцикл. Адамтан қуыстарын біріктіру нәтижесінде диамантан (C14H20 – екі біріктірілген адамантан қуысы), триамантан (C18H24), тетрамантан (C22H28), пентамантан (C26H32), гексамантан (C26H30) сияқты жоғары диамантоидтар пайда болады. Олардың синтезі адамантан синтезіне ұқсас, және адамантан сияқты, оларды мұнайдан да алуға болады, бірақ одан да аз мөлшерде.