金刚烃类化合物研究进展（Ⅱ）制备与应用

朱 华，郭建维，刘 卅，蔡 璐，彭进平，崔亦华，邓志诚

（1广东工业大学轻工化工学院，广州 510006；2华南理工大学材料学院，广州 510640）

进展与述评

金刚烃类化合物研究进展（Ⅱ）制备与应用

朱 华1，郭建维1，刘 卅2，蔡 璐1，彭进平1，崔亦华1，邓志诚1

（1广东工业大学轻工化工学院，广州 510006；2华南理工大学材料学院，广州 510640）

金刚烃是由多个环己烷构成的饱和笼状烃，此类有机化合物的分子式为C4n+6H4n+12。金刚烷则是最小的金刚烃化合物（即n=1时），其C原子骨架类似于金刚石的一个晶格单元。本文对金刚烃类化合物的制备方法和应用前景进行了评述。迄今已公开的金刚烃制备方法包括化学合成法和从天然原油中分离提纯两种方法，化学合成法是目前这一领域的研究重点。由于其独特的笼状结构和特殊的化学、物理和药理学性质，金刚烃在医药、精细化学品、航空燃料、功能材料以及纳米技术等方面具有潜在应用前景。金刚烃化学有可能成为未来有机化学领域的重要分支学科。

金刚烃；笼状结构；制备；应用

Abstract：Diamondoids are cage-like saturated hydrocarbons consisting of fused cyclohexane rings. This family of organic compounds follows the general chemical formula of C4n+6H4n+12. Adamantane is the smallest member of the diamondoids family with n=1，whose C skeleton structure is similar to the diamond lattice. The preparation methods and applications of diamondoids are summarized and reviewed in this paper. The reported preparation methods of diamondiods include chemical synthesis and isolation from crude oil or natural gas. However，the present research still focus on chemical synthesis. Due to the special cage structure and the superexcellent physical，chemical and pharmacological properties，potential & tremendous application prospects of diamondoids will appear gradually in pharmacy，fine chemicals，nano-technology，aviation fuel，funcational materials，et al. Diamondiods chemistry will become an important branch of organic chemistry in the near future.

Key words：diamondoids；cage structure；preparation；application

1933年Landa于石油中发现的金刚烷是最早发现的金刚烃化学物[1]，为以后从天然产物中分离出金刚烃奠定了基础。1941年Prelog等[2]利用关环法第一次合成出金刚烷，后来又采用异构化法合成出金刚烷，并为合成金刚烃指明了方向。由于高级金刚烃结构的复杂性，异构化法在合成高级金刚烃方面也存在局限性，因此出现了后面的同系物法合成高级金刚烃。下文对金刚烃的制备以及应用研究做详细介绍。

金刚烃及其烷基取代物在自然界中主要存在于原油与天然气中，含量极低并且随着分子量的增加含量急剧降低。自然界中金刚烷的起源观点如下：在沉积岩的岩化和退化作用下生成了含有多环烷烃的有机物和具有L酸特性的无机物，在地下温度达到100～230 ℃，压力达到68.9 MPa这样的条件下，多环烷烃经L酸的催化作用，生成金刚烷或金刚烃化合物[3]。但从计算化学的角度看，随着分子量的增加，金刚烃同分异构体数量增加，由前体生成金刚烃的历程更为复杂，生成的难度增大，因此在自然界中的含量很少。

1 由石油或液化天然气中分离得到金刚烷

自1933年捷克科学家Landa首次从石油馏分中分离出金刚烷，30年后Landa分离出双金刚烷[4]。由于其它金刚烃化合物在自然界的含量更低以及分离技术的限制，分离和提纯金刚烃一直不被重视。1990年美孚石油总公司提交了关于金刚烃化合物分离的专利[5]，发现金刚烃系列化合物本身具有很高的潜在应用前景和应用价值，再次推动了金刚烃分离研究发展。到1995年底，通过全扫描GC/MS识别出了四金刚烷的3种同分异构体和4种五金刚烷的同分异构体以及通过选择离子方式 GC/MS发现了六金刚烷的存在，但是还不能完全分离[3，6]。2003年 Dahl等[7]利用高效液相色谱技术从石油馏分中分离并确认了21种高级金刚烃化合物，包括4种四金刚烷、9种五金刚烷、1种六金刚烷、2种七金刚烷和八金刚烷和1种九金刚烷、十金刚烷、十一金刚烷，并对部分典型金刚烃分子进行了单晶XRD分析。除了石油和天然气外，沉积物是第3种金刚烃来源，从沉积物中已经成功分离出了金刚烷和双金刚烷[8]。

最初从石油馏分中分离金刚烃的基本方法是：首先在345 ℃ 以上真空蒸馏，然后在400～450 ℃高温分解以除去非金刚烃类化合物，最后采用一系列液相色谱分离技术分离而得。目前采用浓缩、蒸馏、重结晶或色谱分离等单元操作相结合的方法从石油、天然气中分离金刚烃。最近发现；在加氢条件下，先采用负载贵金属的沸石分子筛催化剂处理，使馏分中部分多环烷烃转化为金刚烃或金刚烃衍生物，然后再进行分离、提纯，可得到含量、种类相对较多的金刚烃化合物。

2 由化学合成方法得到金刚烷

金刚烃的合成非常困难，到目前为止仅合成出1种四金刚烷。金刚烃的合成方法主要有两种，第一，采用其非金刚烃的多环碳氢化合物在酸性催化剂存在下进行重排异构化反应得到；第二，以低级金刚烃为原料，通过多步反应而引入新的碳原子成环而得到。对于低级金刚烃，第一种方法为主要方法，对于高级金刚烃，虽然从热力学上考虑也可以用第一种方法制备，但是经过多次实验失败，发现其受动力学限制而无法得到目标产物。

金刚烷、双金刚烷和三金刚烷多采用酸催化重排反应进行合成，其重要的影响因素分别为前体的性质和催化剂的性质，其它反应条件也可影响反应。合成金刚烷、双金刚烷三金刚烷的主要前体如图 1所示。图1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为合成金刚烷、双金刚烷、三金刚烷的前体。

金刚烷是最早合成的金刚烃类化合物，一般采用碳五馏分中的双环戊二烯为起始原料，经催化加氢（生成图1中的Ⅰa前体）、异构化两步反应合成。金刚烷收率主要取决于异构化反应，工业化生产采用三氯化铝催化异构化，金刚烷收率在40%～50%，提高异构化反应选择性、解决催化剂带来的环境污染是目前面临的主要问题。

2.1 双金刚烷的合成

图1 部分合成金刚烃前体

1965年Cupas等[9-10]采用降冰片烯的[2+2]聚合物（具有3种立体异构体，分别为图1中Ⅱa，Ⅱb，Ⅱc）为原料，三氯化铝为催化剂首次成功合成了双金刚烷，可能由于前体中含有张力较大的四元环，其收率仅为 1%，其工艺路线如图 2所示。Gund等[6]采用三溴化铝作为催化剂，正丁基溴作为溶剂，使双金刚烷收率提高到10%～11%；以图1中的2d和2e为原料，三溴化铝、正丁基溴作为催化剂和溶剂，双金刚烷收率可提高到30%[6]。

Gund[11]利用Binor-S（C14H16）作为起始原料，经过加氢反应生成一种更利于重排为双金刚烷的前体——四氢Binor-S（C14H20），再经过酸催化剂重排异构化合成双金刚烷，收率得到显著提高，其合成路线如图3所示。按上述反应路线，采用其它类型的超强酸催化剂进行双金刚烷的合成研究，其结果如表1所示。

图2 降冰片烯法合成双金刚烷工艺

图3 Binor-S加氢、异构化合成双金刚烷

表1 不同双金刚烷合成体系[12-17]

其它的多环化合物也作为合成双金刚烷前体进行了研究，部分研究取得了很好的效果。Courtney等[13]利用另外一种十四烯作为原料通过催化加氢成十四烷后在150 ℃，氯化氢气体存在条件下经氯铂酸催化合成双金刚烷，其收率为 45%。Turecek等[18]用环庚三烯为原料，通过二聚、加氢、重排异构等合成双金刚烷，收率达到89%。Nakazaki等[19]利用另外一种五环十四烷 D3-三螺旋烷为反应物、三溴化铝为催化剂、二硫化碳为溶剂，室温条件下进行重排反应，合成了收率高达94%的双金刚烷。Khusnutdinov等[20]以4,6-螺[2,4]庚二烯为原料，先进行二聚，再以三溴化铝为催化剂分别通过加氢/异构化或者光学[2+2]加成反应，再加氢开环/异构化合成双金刚烷，收率分别为13%和9%。

2.2 三金刚烷的合成

1969年 Williams等[12]首次报道了三金刚烷的合成：采用环辛四烯的二聚物为起始原料，在锌铜合金的催化作用下下与CH2I2反应，使两个双键环化生成三元环，然后经贵金属 Pd催化加氢，断开两个三元环，形成分子式为C18H24的七环前体。此前体在AlBr3-HBr-丁基溴构成的酸性催化剂作用下重排为三金刚烷，产物总收率2%～5%，反应历程如图4所示。

Hamilton等[21-22]利用Binor-S为起始原料，先在氮气气氛中，以Pt为催化剂，250 ℃条件下催化脱氢生成多环单烯烃，然后在氢气存在条件下，以Pt以及三氯化铝为催化剂使脱氢产物与丁二烯发生Diels- Alder反应，加氢重排合成三金刚烷，收率为60%，其反应方程式如图5所示。

Farooq等[16]直接以七环十八烷为前体，分别在3种液体超强酸[B(OSO2CF3)3、F3CSO3H-SbF5（1∶1）、F3CSO3H-B(OSO2CF3)3（1∶1）]作用下合成三金刚烷，产物收率均在70%左右，反应式如图6所示。Olah等[17]采用七环十八烯为前体，在还原剂和超强酸催化剂（NaBH4/CF3SO3H）的共同作用下，得到了收率高达92%的三金刚烷。

图4 三金刚烷合成工艺一

图5 三金刚烷合成工艺二

图6 三金刚烷合成工艺三

从以上的结果发现产物的生成有两个关键因素：第一、原料的结构，通常情况下，前体所具有的环数与目标产物的环数相同，并且具有稳定的五环或者六环有利于目标产物的生成，不稳定的三环或者四环不利于目标产物的生成；第二、催化剂的性质，催化剂的酸强度越高，酸量越大越有利于目标产物的生成，越是分子量大，环越多对于酸强度的要求越高，但是液体超强酸很难甚至无法应用于工业合成，必将限制金刚烃的发展。

按照如上路线，国外学者也曾尝试用九环烃在酸性催化剂作用下合成四金刚烷，尽管该反应在热力学上是可行的，但是都失败了，普遍认为可能是在异构化合成四金刚烷的过程中存在很大的空间或者能量障碍。McKervey在异构化合成四金刚烷做出了大量的实验，都未达到满意的结果，只能合成出含有2个或者3个金刚烷单元的化合物，反应如图7所示[23-24]。

2.3 同系物法合成高级金刚烃

Brcagiu等[25]以金刚烷为起始原料，经氧化、环化、异构化等多步反应合成了双金刚烷。Burns等[26]在此基础上以双金刚烷为原料，先后合成了三金刚烷和对四金刚烷（见图8）。该法反应步骤多、路线长、工艺复杂、目标产物收率低，但为合成高级金刚烃化合物提供了一个新的思路。但其它高级金刚烃由于分子量的增加，结构更加复杂，合成难度不断增加，至今未见成功报道。

图7 异构化合成四金刚烷的尝试

图8 同系物法合成双金刚烷、三金刚烷、四金刚烷

3 金刚烃的应用

从自然界可以获得数量可观的多种金刚烃以来，由于金刚烃系列化合物的特殊结构和性质，对金刚烃的官能化和应用研究一直成为研究的热点。由于金刚烃具有非常高的稳定性、显著的刚性、强度，还有奇特的电子性能，在精细化学品、功能高分子、制药和纳米技术等领域具有潜在应用价值。

金刚烃化合物可以作为煤液化组分研究的内标物[27]，也可以用于估计石油的成熟度等[28]。在聚合物的主链或者支链上引入金刚烃骨架可以改善材料的热力学性质和力学性能，并且不会降低材料的其它性质[29]。还可以提高部分材料的耐热性、抗氧化性和定向稳定性，改善耐化学品和有机溶剂腐蚀性能、耐水、耐光辐射、耐候性，增加聚合物强度，降低收缩系数和密度。如1,4-，4,9-，1,6-二乙炔基双金刚烷聚合树脂的分解温度高达518～525 ℃[30]。在聚酰胺的骨架上引入双金刚烷，可以提高聚合物的热稳定性、力学性能以及化学稳定性[31]。1-甲基丙烯酸双金刚烷的聚合物则具有很高的玻璃化温度和防刮能力[32]。

金刚烃在微电子领域可以做为集成电路块的热导电膜、低介电系数介电质、热导电黏合剂薄膜、热传导膜以及钝化膜等[33]。四金刚烷和五金刚烷的硫醇衍生物可以附在金的表面，其大面积自主装单分子膜作为单色电子源可以用于电子显微镜、电子束光刻技术、场发射平板显示器[34]。金刚烃的双硫醇衍生物可用于单分子传导连接，可以减小计算机电路尺寸和提高性能[35]。

金刚烷主要应用于药物研究，可以用于医药中的抗A 型流感病毒、治疗震颤性麻痹症、抗肿瘤及治疗帕金森综合症等。Chen等[36]提供了一种用金刚醇、金刚酮或者金刚烃的酮衍生物、金刚烃氨基酸、季盐或其组合具有抗病毒性能的金刚烃系列化合物抑制病毒的方法。这些金刚衍生物都显示出具有抗HIV病毒活性。少量的其它金刚烃衍生物也显示出了药理学活性，美孚石油公司研究发现部分双金刚烷的衍生物具有抗HIV病毒能力[36-37]。Liu等[38]研究发现一些金刚烃衍生物可以用于治疗神精错乱，Chern等[39-41]对其它金刚烃衍生物的抗癌活性进行了研究，虽然到目前为止还没有一种真正意义上的金刚烃衍生物药品，但是对金刚烃胺和金刚烃的缩胺酸衍生物的药理学研究已引起学术界关注。

另外，金刚烃还可以用于制备高级润滑油， Wu等[42]用选自甲基金刚烷、乙基金刚烷、双金刚烷、三金刚烷等中大约10种不同的金刚烃，每种的质量分数不超过10%组成的混合物。这种物质可以作为一种高性能的润滑剂。

目前，从石油、天然气中提取分离的微量金刚烃仅仅用于实验室研究。低分子金刚烃的合成技术已取得较大进展，其结构、性能的研究日趋完善，国外已开始进行较大分子金刚烃（如环六金刚烷）的合成研究。随着金刚烃结构、性能、制备技术研究的不断深入和系统化，人们将逐渐认识到金刚烃类化合物在纳米材料的设计构筑、合成特效药物、精细与专用化学品、微电子等领域的重要价值，金刚烃化学将有可能成为未来有机化学领域的重要分支学科。

[1] Landa S，Machacek V. Sur l’adamantane，nouvel hydrocarbure extrait du naphte [J].Collect. Czech. Chem. Commun.，1933，5：1-5.

[2] Prelog V，Seiwerth R.Synthesis of adamantane[J].Ber.， 1941，74：1644.

[3] Lin R，Wilk Z A. Natural occurrence of tetramantane（C22H28），pentamantane（C26H32）and hexamantane（C30H36）in a deep petroleum reservoir[J] .Fuel，1995，74（10）：1512- 1521.

[4] Hála S，Landa S，Hanus V. Islolation of Tetracyclo[6.3.1.02,6.05,10] dodecane and pentacyclo[7.3.1.1.4,12.02,7.06,11]tetradecane（diamantane）from petroleum[J]. Angew Chem. Int. Ed. ，1966，78：1045-1046.

[5] Alexander R A，Knight C E，Whitehurst D D. Removal of diamondoid compounds from hydrocarbonaceous fractions：US：4952749[P]. 1990.

[6] Wingert W S. G. c. m. s. analysis of diamondoid hydrocarbons in Smackover petroleums[J]. Fuel，1992，71：37-43.

[7] Dahl J E，Liu S G，Carlson R M K. Isolation and structure of higher diamondoids，nanometer-sized diamond molecules[J]. Science，2003，299：96-99

[8] Shimoyama A，Yabuta H. Mono- and bicyclic alkanes and diamondoid hydrocarbons in the cretaceous/tertiary boundary sediments at Kawaruppu，Hokkaido，Japan[J]. Geochem. J.，2002，36：173-189.

[9] Cupas C，Schleyer P V R，Trecker D J. Congressane[J]. J. Am. Chem. Soc. ，1965，87：917-918.

[10] Karle I L，Karle J. The crystal and molecular structure of congressane，C14H20，by X-ray diffraction[J]. J. Am. Chem. Soc.，1965，87：918-920.

[11] Gund T M，Williams V Z Jr ，Osawa E . et al. A convenient，high-yield preparation of diamantane（congressane）[J]. Tetrahedron Lett.，1970，11：3877-3880.

[12] Gund T M，Osawa E，Williams Van Z Jr，et al. Diamantane. I. Preparation of diamantane. Physical and spectral properties [J]. J. Org. Chem.，1974，39（20）：2979-2987.

[13] Courtney T，Johnston D E，McKervey M A，et al. The chemistry of diamantane. Part I. Synthesis and some functionalisation reactions[J]. J. Chem. Soc. Perkin. Trans.，1972，1：2691-2696.

[14] Gund T M，Thielecke W，Schleyer P v R. Diamantane：Pentacylo [7.3.1.14，12.02，7.06，11] tetradecane[butanetetraylnaphthalene，3,5,1,7-[1,2,3,4]-decahydro-] [J]. Org. Synth.，1973，53：30-34.

[15] Faulkner D，Glendinning R A，Johnston D E，et al. Functionalisation reactions of diamantine[J]. Tetrahedron Lett.，1971，12：1671-1674.

[16] Farooq O，Farnia S M F，Stephenson M，et al. Superacid-catalyzed near-quantitative isomerization of C4n+6H4n+12（n = 1～3）polycyclic precursors to diamondoid cage hydrocarbons promoted by1-haloadamantanes and sonication[J]. J. Org. Chem. ，1988，53：2840-2843.

[17] Olah G A，Wu A，Farooq O，et al. Synthetic methods and reactions. 135. Single-step reductive isomerization of unsaturated polycyclics to C4n+6H4n+12diamondoid cage hydrocarbons with sodium borohydride/triflic acid[J]. J. Org. Chem. ，1989，54：1450-1451.

[18] Turecek F，Hanus V，Sedmera P，et al. Cycloheptatriene dimers- new precursors of diamantane [J]. Collect. Czech. Chem. Commun.，1981，46：1474-1485.

[19] Nakazaki M，Naemura K，Chikamatsu H，et al. Synthesis and absolute configuration of optically active D3-tritwistane；the gyrochiral prototype of “twist” diamond[J]. J. Org. Chem.，1981，46：2300-2306.

[20] Khusnutdinov R I，Dokichev V A，Galeev D K，et al. New hydrocarbons in the synthesis of adamantanoids [J]. Russ. Chem. Bull.，1988，37，1932-1935.

[21] Hamilton R，McKervey M A，Rooney J J，et al. Gas-phase reactions on platinum-short synthesis of triamantane [J]. J. Chem. Soc. Chem. Commun.，1976，1027-1028.

[22] Hollowood F S，McKervey M A，Hamilton R，et al. Synthesis of triamantane[J]. J. Org. Chem.，1980，45，4954-4958.

[23] McKervey M A. Synthetic approaches to large diamondoid hydrocarbons [J]. Tetrahedron，1980，36：971-972.

[24] McKervey M A，Olah G A. Cage Hydrocarbons[M]. Wiley：New York，1990；39-61.

[25] Fărcasiu D，Bohm H，Schleyer P V R. Stepwise elaboration of diamondoid hydrocarbons. Synthesis of diamantane from adamantine[J]. J. Org. Chem.，1977，42（1）：96-102.

[26] Burns W，McKervey M A ，Mitchell T R B，et al. A new approach to the construction of diamondoid hydrocarbons. Synthesis of anti-tetramantane[J]. J. Am. Chem. Soc.，1978，100（3）：906-911.

[27] Aczel T，Gorbaty M L，Maa P S，et al. Stability of adamantane and its derivatives to coal-liquefaction conditions，and its implications toward the organic structure of coal[J]. Fuel，1979，58：228-230.

[28] Chen J，Fu J，Sheng G，et al. Diamondoid hydrocarbon ratios：novel maturity indices for highly mature crude oils [J]. Org. Geochem.，1996，25（3-4）：179-190.

[29] Ghosh A，Sciamanna S F，Dahl J E P，et al. Effect of nanoscale diamondoids on the thermomechanical and morphological behaviors of polypropylene and polycarbonate [J]. J. Polym. Sci.，Part B ，2007，45（9）：1077-1089.

[30] Malik A A，Archibald T G，Baum K. New high-temperature polymers based on diamantine[J]. Macromol.，1991，24（19）：5266-5268.

[31] Yaw T C，Wang W L. Synthesis and properties of new polyamides based on diamantane[J]. Macromol.，1995，28：5554-5560.

[32] Schwertfeger H，Fokin A A，Schreiner P R. Diamonds are a chemist's best friend：Diamondoid chemistry beyond adamantane [J]. Angew. Chem. Int. Ed.，2008，47：1022 -1036.

[33] Dahl J E，Carlson R M，Liu S G. Diamondoid-containing capacitors：US，7061073[P]. 2006.

[34] Yang W L，Fabbri J D，Willey T M，et al. Monochromatic electron photoemission from diamondoid monolayers[J]. Science，2007，316：1460-1462.

[35] Nitzan A，Ratner M A. Electron transport in molecular wire junctions [J]. Science，2003，300：1384-1389.

[36] Chen C S H，Catherine S H，Shen D M. Diamondoid derivatives for pharmaceutical use：US，5576355[P]. 1996.

[37] Chen C S H，Shen D M，Wentzek S E. Diamondoid derivatives for pharmaceutical use：WO，9428 885[P]. 1994.

[38] Liu S，Lam F W，Sciamanna S F，et al. Diamondoid derivatives possessing therapeutic activity：WO，2006 122 054[P]. 2006.

[39] Wang J J ，Chang Y F，Chern Y T，et al. Study of in vitro and in vivo effects of 1,6-bis[4-（4-amino-3-hydroxyphenoxy）phenyl] diamantane（DPD），a novel cytostatic and differentiation inducing agent，on human colon cancer cells[J]. Br. J. Cancer，2003，89，1995-2003.

[40] Wang J J，Huang K T，Chern Y T，et al. Induction of growth inhibition and G1 arrest in human cancer cell lines by relatively low-toxic diamantane derivatives [J].Anti-Cancer Drugs ，2004，15（3）：277-286.

[41] Chang Y F，Chi C W，Chern Y T，et al. Effects of 1,6-bis[4-（4-amino-3-hydroxyphenoxy）phenyl]diamantane（DPD），a reactive oxygen species and apoptosis inducing agent，on human leukemia cells in vitro and in vivo[J].Toxicol. Appl. Pharmacol.，2005，202：1-12.

[42] Wu M M，Shen D M. High viscosity index lubricant fluid：US，5306 851 [P]. 1994.

Development of diamondoids（Ⅱ）preparation and applications

ZHU Hua1，GUO Jianwei1，LIU Sa2，Cai Lu1，PENG Jinping1，CUI Yihua1，DENG Zhicheng1
（1School of Chemical Engineering and Light Industry，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，Guangdong，China；2School of Materials，Southchina University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

O 624.11

A

1000–6613（2011）04–0807–06

2010-09-01；修改稿日期：2010-10-03。

番禺区科技计划（2009-Z-40-1）及广东工业大学校重大项目培育专项（405095220）项目。

朱华（1981—），博士研究生，E-mail zhuhua2006@163.com。联系人：郭建维，教授，博士生导师，E-mail doctorgjw@163.com。