江成發(fā) 羅仕忠 李林譯

(四川大學化工學院，四川成都，610065)

1 前言

金剛烷(Adamantane)屬于簇狀化合物，是一種重要的精細化工原料。表1所示的是金剛烷的物理和化學性質(zhì)。金剛烷的結(jié)構(gòu)式如圖1所示。金剛烷具有典型的多面體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的剛性和對稱性都非常高，因此金剛烷在應(yīng)用過程中表現(xiàn)出高化學性質(zhì)穩(wěn)定性以及熱穩(wěn)定性。與此同時，金剛烷分子結(jié)構(gòu)中存在的氫原子具有較高反應(yīng)活性，能與其他有機和無機基團發(fā)生化學反應(yīng)，生成金剛烷類衍生物。

表1 金剛烷主要物理和化學性質(zhì)

圖1 金剛烷結(jié)構(gòu)式

迄今為止，國內(nèi)外在金剛烷及其衍生物的合成路線以及應(yīng)用領(lǐng)域開展了大量研究工作，為金剛烷及其衍生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐，金剛烷及其衍生物已在新材料、精細化學品和生物醫(yī)藥等重點領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，市場前景廣闊。

2 金剛烷生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)狀

2.1 金剛烷生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

自20世紀30年代發(fā)現(xiàn)金剛烷以來，金剛烷的合成技術(shù)研發(fā)就成為國內(nèi)外學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的熱點。到目前為止，國內(nèi)外報道或成功應(yīng)用的金剛烷合成技術(shù)可歸納為關(guān)環(huán)合成路線、三氯化鋁催化合成路線、分子篩催化合成路線、超強酸催化合成路線以及離子液體催化合成路線等五種。

2.1.1 關(guān)環(huán)合成路線

關(guān)環(huán)法是人類首次用于合成金剛烷的方法。該方法以二甲基丙二酸鹽濃縮液和甲醛為原料，縮合得到Meerwein 酯中間體，再以Meerwein 酯為原料合成得到金剛烷。此路線反應(yīng)步驟多、金剛烷收率低，無法滿足工業(yè)化生產(chǎn)。

2.1.2 三氯化鋁催化合成路線

1956年美國化學家Shleyer在JACS上報道了一種合成金剛烷的簡便方法[1]。該方法以雙環(huán)戊二烯為原料，以三氯化鋁為催化劑，通過氫化、異構(gòu)化兩步反應(yīng)制備金剛烷，開創(chuàng)了合成金剛烷的新路線。Shleyer的三氯化鋁法雖然解決了關(guān)環(huán)法合成金剛烷的復雜性問題，但收率依然低，因此，后來國內(nèi)外科學家圍繞提高三氯化鋁法的收率開展大量研究，相繼開發(fā)出多種改進型三氯化鋁法。改進型三氯化鋁法的主要思想是在三氯化鋁催化劑中添加助催化劑，將一元三氯化鋁催化劑發(fā)展成二元或多元催化劑，通過三氯化鋁和助催化劑的協(xié)同催化，提高催化劑的選擇性，達到提升金剛烷合成收率的目的。目前報道的助催化劑種類主要有無機化合物和有機化合物兩種。三氯化鋁法合成金剛烷路線具有反應(yīng)流程短、金剛烷收率高、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點，是迄今為止國內(nèi)外普遍采用的金剛烷生產(chǎn)工藝。但該生產(chǎn)技術(shù)存在腐蝕設(shè)備、污染環(huán)境等缺點，需要在金剛烷產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中加以解決。

2.1.3 分子篩催化合成路線

分子篩具有高吸附性和高選擇性，是石油化工領(lǐng)域重要的催化劑之一。國內(nèi)外有關(guān)以分子篩替代三氯化鋁作為催化劑合成金剛烷的研究報道較多，但大多數(shù)是實驗室研究，目前只有日本出光興產(chǎn)公司開發(fā)的分子篩法合成金剛烷路線實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。

2.1.4 超強酸催化合成路線

同分子篩一樣，作為一種新型催化劑，超強酸在工業(yè)催化領(lǐng)域有重要地位。以超強酸替代三氯化鋁作為異構(gòu)化催化劑合成金剛烷，也是國內(nèi)外研究的熱點。雖然超強酸催化合成路線具有活性高、選擇性好等優(yōu)點，目前仍處于小試研究階段，同時由于該路線對生產(chǎn)設(shè)備的材質(zhì)要求高，推廣應(yīng)用前景不明朗。

2.1.5 離子液體催化合成路線

離子液體是一種在室溫條件下呈現(xiàn)液態(tài)而且完全由陰離子和陽離子組成的鹽，被看作是在化學合成中代替有機溶劑的一種綠色溶劑。將離子液體與過渡金屬催化劑復合，形成雙功能催化體系，已在有機合成反應(yīng)中取得了良好的應(yīng)用。因此，國內(nèi)外學者開展了以離子液體雙功能催化劑替代三氯化鋁合成金剛烷的研究。如顧彥龍等[2]以雙環(huán)戊二烯為原料，用一種離子液體雙功能過渡金屬催化劑成功合成了金剛烷。離子液體法是一種環(huán)境友好的綠色金剛烷合成技術(shù)，但由于該合成路線復雜程度高，距離實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的目標還很遙遠。

2.2 金剛烷應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)狀

金剛烷的高剛性和對稱性結(jié)構(gòu)，決定了金剛烷在應(yīng)用過程中表現(xiàn)出高化學性質(zhì)穩(wěn)定性以及熱穩(wěn)定性，作為二十一世紀新一代精細化工原料，金剛烷在新材料、生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

2.2.1 新材料

金剛烷結(jié)構(gòu)中的氫原子具有較高反應(yīng)活性，將金剛烷作為一種基團引入到高分子材料骨架中，實現(xiàn)對高分子材料的改性，能獲得性能優(yōu)良的金剛烷基高分子新材料，如感光材料、光硬化型聚合物、光纖維材料和電子材料等。金剛烷基高分子材料具有透明、高氧化穩(wěn)定性、高耐熱性和高抗氧化性等特點，在新材料領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

2.2.2 精細化工領(lǐng)域

(1)異構(gòu)化催化劑

在異構(gòu)化有機合成反應(yīng)中，異構(gòu)化率是重要技術(shù)指標。常規(guī)催化劑的異構(gòu)化率通常達不到工業(yè)設(shè)計要求。已有研究表明，在制備異構(gòu)化催化劑過程中，將金剛烷羧基衍生物作為一種助催化劑，將會顯著提高催化劑的異構(gòu)化率。

(2)鹽酸金剛烷胺

鹽酸金剛烷胺是一種重要的抗病毒藥，用于防治流行性感冒。用鹽酸金剛烷胺制成的金剛烷季銨堿[3]，可作為模板劑制備具有納米結(jié)構(gòu)的分子篩催化劑，用于處理汽車尾氣和工業(yè)尾氣中的NOX類氮氧化物。

(3)潤滑油

大多數(shù)金剛烷及其衍生物具有良好的潤滑性能，同時具有高熱穩(wěn)定性能和抗氧化性能，是一種優(yōu)良的潤滑油添加劑。據(jù)已有的國外研究報道，用金剛烷及其衍生物作為添加劑制備的潤滑油，其粘度高、牽引系數(shù)低、熱穩(wěn)定性和抗氧化性能好。金剛烷及其衍生物在高品質(zhì)潤滑油生產(chǎn)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

2.2.3 現(xiàn)代醫(yī)藥

金剛烷作為一種重要的醫(yī)藥中間體，其衍生物在醫(yī)藥領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的臨床醫(yī)療效果，如金剛烷胺(Amantadine)、甲基金剛烷胺 (Rimantadine)、美金剛烷(Memantine)以及曲金剛胺(Tromantadine)等[4]。

3 金剛烷產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

精細化工在化工行業(yè)中的占比是衡量一個國家或地區(qū)化工產(chǎn)業(yè)發(fā)達程度的重要標志，金剛烷作為二十一世紀重要的新興精細化工原料，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域的深度和廣度對于促進我國化工行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要作用。

當前，我國金剛烷產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨環(huán)境污染、規(guī)模偏小以及下游產(chǎn)品開發(fā)能力不足等制約因素，亟待解決。

3.1 創(chuàng)新金剛烷綠色生產(chǎn)技術(shù)

三氯化鋁法合成金剛烷具有反應(yīng)流程短、金剛烷收率高、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點，是迄今為止國內(nèi)外普遍采用的金剛烷生產(chǎn)工藝。但該生產(chǎn)技術(shù)存在腐蝕設(shè)備、污染環(huán)境等缺點，制約了我國金剛烷產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，金剛烷生產(chǎn)企業(yè)必須采用新的三氯化鋁法金剛烷合成技術(shù)。

“兩步一循環(huán)法”生產(chǎn)技術(shù)是一種改進的三氯化鋁法金剛烷生產(chǎn)新技術(shù)，由我國金剛烷生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)?！皟刹揭谎h(huán)法”金剛烷生產(chǎn)工藝同國內(nèi)外現(xiàn)有三氯化鋁工藝相比，具有明顯的技術(shù)先進性。(1)異構(gòu)化反應(yīng)時，不使用二氯乙烷或石油烴等有機溶劑，對各自單獨進行的兩步反應(yīng)分別控制不同的反應(yīng)條件，減少了副反應(yīng)發(fā)生，提高了產(chǎn)品收率；(2)在目標產(chǎn)物金剛烷的分離以及精制過程中，不使用石油醚/溶劑油、丙酮等有機溶劑，在提高產(chǎn)品品質(zhì)的同時，避免了溶劑揮發(fā)對環(huán)境的污染，同時降低了能耗，保護了環(huán)境。

“兩步一循環(huán)法”金剛烷生產(chǎn)工藝具有環(huán)保以及產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點，是國內(nèi)未來主要采用的金剛烷生產(chǎn)技術(shù)，推廣應(yīng)用價值高。

3.2 大力開發(fā)金剛烷衍生物

開發(fā)高附加值的金剛烷衍生物、拓展金剛烷產(chǎn)業(yè)鏈是我國金剛烷產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要保證。由于金剛烷的獨特結(jié)構(gòu)和特殊物理化學性質(zhì)，以金剛烷為原料開發(fā)的金剛烷衍生物也具有比同類產(chǎn)品優(yōu)異的性能。目前，國內(nèi)外已研究開發(fā)了在新材料、精細化學品、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值的金剛烷衍生物，如功能性催化劑、功能性纖維和抗病毒藥物，需要繼續(xù)大力開發(fā)金剛烷衍生物產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

3.2.1 鹽酸金剛烷胺

在眾多種類的金剛烷衍生物中，鹽酸金剛烷胺的應(yīng)用價值和市場需求尤為突出。早在上世紀60年代，美國政府就將鹽酸金剛烷胺審批為抗病毒藥物，隨后逐步引入其他國家藥典，在抑制流感病毒等臨床應(yīng)用中發(fā)揮出不可替代的作用。隨著開發(fā)鹽酸金剛烷胺用途的工作不斷深入，進入二十一世紀，鹽酸金剛烷胺在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸展現(xiàn)。2016年，Perezpage[5]發(fā)現(xiàn)通過模板劑技術(shù)可以合成出具有特殊納米結(jié)構(gòu)的分子篩催化劑，開創(chuàng)了分子篩催化劑合成新方法。用鹽酸金剛烷胺為原料生產(chǎn)金剛烷季銨堿，再以金剛烷季銨堿作為模板劑生產(chǎn)擁有獨特內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分子篩催化劑，可以針對汽車尾氣中的NOX類氮氧化物進行吸附和轉(zhuǎn)化，從而解決汽車尾氣對環(huán)境的危害。

目前，我國鹽酸金剛烷胺的產(chǎn)能大約為5000 t/a，主要生產(chǎn)企業(yè)包括四川眾邦新材料股份有限公司、中濤新材料有限公司和天津民祥藥業(yè)有限公司。隨著我國環(huán)境保護力度的不斷加大，市場對用于處理汽車尾氣和工業(yè)尾氣的分子篩催化劑的需求會大幅增加，預計到2025年，我國鹽酸金剛烷胺市場規(guī)模將達到10000 t/a左右，主要分布在生產(chǎn)分子篩催化劑的環(huán)保裝備制造企業(yè)以及生產(chǎn)抗病毒藥物的制藥企業(yè)。

3.2.2 金剛烷胺衍生物

臨床研究結(jié)果表明，金剛烷胺衍生物，如甲基金剛烷胺、美金剛烷以及曲金剛胺，都具有良好的抗病毒、抗抑郁以及治療帕金森病療效[4]，市場應(yīng)用前景好，加大力度開發(fā)金剛烷胺衍生物的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)是未來金剛烷產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。

4 金剛烷市場分析

金剛烷作為一種功能化精細化工原料，其市場高度專業(yè)化。早期的金剛烷目標市場主要集中在生產(chǎn)抗病毒藥物的制藥企業(yè)，市場規(guī)模約為300 t/a—500 t/a。隨著金剛烷類阿達帕林、沙格列汀等藥物的發(fā)明，金剛烷在制藥行業(yè)的銷售規(guī)模已達到2000 t/a—3000 t/a。最近幾年，隨著金剛烷應(yīng)用研究不斷深入以及金剛烷衍生物合成技術(shù)日趨完善，金剛烷應(yīng)用市場已由較單一的制藥行業(yè)，拓展到新材料和環(huán)保裝備制造等成長型行業(yè)。日本出光興產(chǎn)開發(fā)的金剛烷基光刻膠，已成功應(yīng)用于微電子行業(yè)；國內(nèi)環(huán)保裝備制造重點企業(yè)中節(jié)能萬潤以及中觸媒以鹽酸金剛烷胺為原料生產(chǎn)的分子篩催化劑已成為我國處理柴油車尾氣以及工業(yè)尾氣氮氧化物的首選催化劑。目前金剛烷在這些新興市場的銷售規(guī)模已達到3000 t/a—4000 t/a左右。

我國是世界上金剛烷生產(chǎn)大國，金剛烷產(chǎn)能大約為7000 t/a，占全球金剛烷80% 以上的市場份額。目前，國內(nèi)生產(chǎn)金剛烷的企業(yè)主要是四川眾邦新材料股份有限公司、中濤新材料有限公司和天津民祥藥業(yè)有限公司三家，其中四川眾邦新材料股份有限公司的金剛烷市場占有率為61%。

金剛烷未來市場將呈現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。作為LED封裝材料、微電子刻蝕劑的金剛烷基電子材料[6]；應(yīng)用于日用化學品、乳化劑、水處理劑等行業(yè)的金剛烷基表面活性劑[7]；作為精細化工原料的鹵代金剛烷[8]；以及應(yīng)用于軍工行業(yè)的含能材料硝基金剛烷[9]等新材料的開發(fā)已取得重要突破，預計不久的將來金剛烷的目標市場將延伸到上述行業(yè)。隨著國際國內(nèi)醫(yī)藥市場對抗病毒藥物的需求不斷增加、環(huán)保裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，按生產(chǎn)1 t鹽酸金剛烷胺需消耗0.9 t金剛烷計算，到2025年鹽酸金剛烷胺市場規(guī)模的擴大將帶動金剛烷市場需求量的增加達到4500 t/a，再加上新興金剛烷目標市場的日趨成熟，預計到2025年，國內(nèi)金剛烷市場需求將達到13000 t/a—14000 t/a。

5 結(jié)論

自1933 年人類在石油中發(fā)現(xiàn)金剛烷以來，國內(nèi)外興起了以金剛烷為代表的多面體有機化合物合成及其性質(zhì)的研究。金剛烷作為二十一世紀重要的功能性精細化工原料，其衍生物已在新材料、現(xiàn)代醫(yī)藥和功能性環(huán)保催化劑等領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用，市場前景廣闊。未來我國金剛烷制造行業(yè)在立足于已有目標市場的同時，應(yīng)擴大以鹽酸金剛烷胺為代表的金剛烷衍生物生產(chǎn)規(guī)模，滿足不斷提升的市場需求，同時開拓金剛烷在微電子行業(yè)、精細化工行業(yè)以及能源行業(yè)的市場，大力發(fā)揮金剛烷的性能優(yōu)勢，為相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出貢獻。