1,1'-二茂鐵二甲酸的制備

汪 洋，喬慶東，李 琪，萬(wàn)玉榮，高培玉

（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001）

1,1'-二茂鐵二甲酸的制備

汪 洋，喬慶東，李 琪，萬(wàn)玉榮，高培玉

（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001）

二茂鐵及其衍生物具有特殊的夾層狀分子結(jié)構(gòu)，因而具有諸多獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì), 在多個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。研究了對(duì)二茂鐵進(jìn)行乙?；?，制取1,1'-二乙酰基二茂鐵的合成方法，并進(jìn)而制備其氧化產(chǎn)物，制取1,1'-二茂鐵二甲酸，并對(duì)合成條件進(jìn)行優(yōu)化。

二茂鐵；1,1'-二茂鐵二甲酸；1,1'-二乙?；F；乙?；?/p>

二茂鐵自從1951年被Kealy和Pauson首先合成以來(lái)，無(wú)數(shù)學(xué)者對(duì)其進(jìn)入深入的研究，合成了無(wú)數(shù)類(lèi)似二茂鐵的夾層狀化合物和二茂鐵的衍生物。

二茂鐵由于其獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，具有許多不同的特性，而無(wú)可替代，但其結(jié)構(gòu)的相對(duì)脆弱性，相對(duì)的易于分解，而制備高純度的二茂鐵衍生物又及其困難，在一代又一代化學(xué)家的努力下，研制出無(wú)數(shù)二茂鐵衍生物，而大部分衍生物都基于乙酰基二茂鐵、1,1'-二乙?；F和氯甲基二茂鐵三種基本衍生物衍生出其他的二茂鐵類(lèi)衍生物。

二茂鐵是上下二個(gè)茂環(huán)中間夾一個(gè)二價(jià)鐵離子，因茂環(huán)具有芳香性，而與二價(jià)鐵離子的結(jié)合形成了穩(wěn)定的夾心結(jié)構(gòu)。此穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與其他有機(jī)金屬化合物有諸多不同，主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性更強(qiáng)，且金屬離子不外露，離子性不強(qiáng)。而二茂鐵夾心的二價(jià)鐵很容易被氧化成三價(jià)鐵，具有很強(qiáng)的電化學(xué)特性，在電極修飾和電化學(xué)方面有諸多無(wú)可替代的特性和美好的應(yīng)用前景[1]。

含二茂鐵的化合物已被廣泛的應(yīng)用于電化學(xué)[2]、不對(duì)稱(chēng)催化、電化學(xué)修飾[3]、分子傳感器和非線性光學(xué)[4]。在過(guò)去的幾年中的二茂鐵上的化學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛地開(kāi)發(fā)由于對(duì)各種疾病的藥物含有金屬的成功。許多二茂鐵化合物表現(xiàn)出有前途的抗腫瘤，細(xì)胞毒性，抗瘧和DNA裂解活性。這是公認(rèn)的，二茂鐵基團(tuán)在有機(jī)分子中引入導(dǎo)致新的生物活性，通常的改進(jìn)，為各自不同的膜的滲透性能和異常的代謝后果[5]。

二茂鐵相對(duì)合成難度較大，工業(yè)生產(chǎn)成本較高，而其衍生物的合成條件特殊而苛刻，帶來(lái)了工業(yè)生產(chǎn)成本極高，且難大批量生產(chǎn)，純度更是難以提高，高純度的二茂鐵衍生物制取難度大，價(jià)格高昂。

1 合成1,1'-二乙?；F

1.1 合成1,1'-二乙?；F的實(shí)驗(yàn)部分

二茂鐵的活性比苯略高，但其化學(xué)活性依然不高，且二茂鐵在常溫下為固態(tài)，雖然其對(duì)于部分有機(jī)溶劑都有一定的溶解度，但溶解度都不算高，溶劑的選擇至關(guān)重要，本實(shí)驗(yàn)選了溶解度相對(duì)較高的環(huán)己烷、二氯甲烷和三氯甲烷進(jìn)行多次驗(yàn)證，以環(huán)己烷為溶劑難以得到目標(biāo)產(chǎn)物，以二氯甲烷為溶劑可以得到目標(biāo)產(chǎn)物，但效果較差，產(chǎn)率不超過(guò)20%，雖然毒性比三氯甲烷小很多，但效果也差很多。

二茂鐵的付-克乙?；c苯類(lèi)似，但在進(jìn)行乙酰化之后，易于進(jìn)行再次乙酰化，一般再次乙酰化選擇二茂鐵的另一個(gè)茂環(huán)，形成上下二個(gè)茂環(huán)各發(fā)生一次付-克乙酰化反應(yīng)，生成 1,1'-二乙?；F。乙?；噭┻x用常用的醋酸酐，催化劑選用無(wú)水三氯化鋁。

由于選用了醋酸酐這樣的強(qiáng)乙?；噭?，和路易斯酸無(wú)水三氯化鋁做催化劑，此反應(yīng)較容易進(jìn)行，但副反應(yīng)復(fù)雜，產(chǎn)生多種難以分離的副產(chǎn)物，一般反應(yīng)在冰浴或氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，以減少副反應(yīng)的發(fā)生，降低副產(chǎn)物的生成，也避免了復(fù)雜的除去副產(chǎn)物的過(guò)程，提高產(chǎn)率。

（1）合成。在四口瓶中迅速加入14 g無(wú)水三氯化鋁，并加入10 mL經(jīng)過(guò)除水和除醇的三氯甲烷中使三氯化鋁緩慢溶解。一邊攪拌，一邊滴加5 mL醋酸酐，并連接可防倒吸的尾氣吸收裝置，醋酸酐滴加后，三氯化鋁基本溶解，滴完后溶液基本無(wú)色透明。取4 g二茂鐵，溶解于20 mL三氯甲烷中震蕩，直至二茂鐵完全溶解后滴加進(jìn)反應(yīng)裝置，并把反應(yīng)裝置放置于水槽內(nèi)冷卻，15 min滴完，溶液呈血紅色。經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)反應(yīng)后，乙?；就瓿?，溶液呈紫黑色。

（2）后處理。把反應(yīng)后的紫黑色液體緩慢倒入去離子水凍成的碎冰中，未完全反應(yīng)的三氯化鋁與水反應(yīng)生成大量氯化氫。液體會(huì)分層，上層的水相用少量三氯甲烷洗滌三次，下層的有機(jī)相用水洗滌三次，合并所有的有機(jī)相，置于蒸餾裝置中，進(jìn)行蒸餾，蒸出三氯甲烷回收。不要完全蒸干，留有少許液體時(shí)，倒出，靜置，待三氯甲烷自然蒸發(fā)。完全蒸發(fā)后，呈紅黑色粗產(chǎn)品，部分呈針狀。

利用產(chǎn)物易溶于熱水的特性，向粗產(chǎn)物中加入去離子水，并加熱至沸騰，趁熱抽濾，濾渣留有少量黑色油狀固體，濾液放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中抽真空蒸發(fā)，蒸發(fā)后涂抹在蒸發(fā)瓶壁的產(chǎn)物，用無(wú)水乙醇溶解，靜置自然蒸發(fā)，得精提純產(chǎn)物。

1.2 合成1,1'-二乙?；F的條件選擇

（1）對(duì)于溫度的考察，筆者選擇了冰鹽浴、冰浴、和常溫水浴三個(gè)溫度進(jìn)行試驗(yàn)，低溫的溫度控制比較復(fù)雜，溫度選擇有限，在冰鹽浴的溫度保持在-5 ℃左右、冰浴的溫度在0 ℃，常溫水浴的溫度在10 ℃，在反應(yīng)初期因?yàn)榉磻?yīng)劇烈并放熱，需要常加冰或換水，來(lái)保證實(shí)驗(yàn)溫度的穩(wěn)定。冰浴和冰鹽浴的產(chǎn)率差別不大，而溫度較低影響反應(yīng)的活性，導(dǎo)致產(chǎn)率略低，常溫水浴下，溫度略高導(dǎo)致副反應(yīng)增多，經(jīng)提純后，目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)率降低，以冰浴0 ℃為最佳反應(yīng)溫度，熔點(diǎn)測(cè)試均合格，均為目標(biāo)產(chǎn)物，純度較高。此實(shí)驗(yàn)副反應(yīng)主要為由于二價(jià)鐵離子氧化，導(dǎo)致二茂鐵結(jié)構(gòu)分解，形成多個(gè)環(huán)聚合的多元環(huán)結(jié)構(gòu)，呈黑色油狀。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 反應(yīng)溫度對(duì)合成1,1'-二乙酰基二茂鐵產(chǎn)率和熔點(diǎn)的影響Table 1 The effect of reaction temperature on yield and melting point of synthesized 1,1'-diacetylferrocene

（2）對(duì)于反應(yīng)時(shí)間的考察，改變反應(yīng)時(shí)間為3、4、5、6、7 h進(jìn)行合成，從表2可以看出，反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成的影響不是很大，至4 h，合成反應(yīng)基本完成，反應(yīng)時(shí)間選至5 h即可，產(chǎn)物熔點(diǎn)在124～127 ℃之間，基本符合要求，初熔點(diǎn)和終熔點(diǎn)差別較小，純度較高。

表2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成1,1'-二乙酰基二茂鐵產(chǎn)率和熔點(diǎn)的影響Table 2 The effect of reaction time on yield and melting point of synthesized 1,1'-diacetylferrocene

1.3 1,1'-二乙?；F的測(cè)定

（1）熔點(diǎn)測(cè)定，通過(guò)熔點(diǎn)的測(cè)試可以初步判斷是否為目標(biāo)產(chǎn)物，也可以初步檢驗(yàn)所得產(chǎn)物純度。通過(guò)多次合成實(shí)驗(yàn)的樣品熔點(diǎn)測(cè)定，熔點(diǎn)最低為24.2 ℃，最高為126.9 ℃，因晶體的長(zhǎng)度不同，導(dǎo)致熔點(diǎn)有細(xì)微的差別，均在允許誤差范圍內(nèi)，熔點(diǎn)合格，初熔點(diǎn)和終熔點(diǎn)的差值在1 ℃以內(nèi)，說(shuō)明純度較高。

圖1 1,1'-二乙?；F的紅外譜圖Fig.1 IR spectrum of 1,1'-diacetylferrocene

（2）紅外測(cè)試，經(jīng)過(guò)紅外測(cè)試得到如下紅外譜圖1，在u (cm)=3 093處有茂環(huán)上C—H伸縮振動(dòng)峰；在u (cm)=1 646有C =O的伸縮振動(dòng)，此峰特征峰，因C=O與茂環(huán)的C =C共軛，導(dǎo)致此峰的頻率比正常脂肪酮有所降低；在u (cm)=1 361處有甲基上C-H彎曲振動(dòng)峰；在u (cm)=1 442、1 267、823處均為茂環(huán)上峰；在u (cm)=488處為鐵與茂環(huán)的伸縮振動(dòng)峰。通過(guò)上述峰的指認(rèn)可以確定產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物1,1'-二乙?；F。

2 合成1,1'-二茂鐵二甲酸

2.1 合成1,1'-二茂鐵二甲酸的實(shí)驗(yàn)部分

（1）粗制 1,1'-二茂鐵二甲酸。把上述合成的1,1'-二乙酰基二茂鐵氧化制取目標(biāo)產(chǎn)物 1,1'-二茂鐵二甲酸，二茂鐵上所連支鏈的乙?；呛苋菀妆谎趸?，中等以上強(qiáng)度的氧化劑即可，但要考慮到二茂鐵中二價(jià)鐵離子易被氧化，氧化劑不能太強(qiáng)烈，又要考慮產(chǎn)物的分離，最終選擇氧化能力適中且產(chǎn)物易分離的NaClO溶液做氧化劑。在避光條件下，將一定量的 1,1'-二乙?；F溶于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaClO溶液中，在50 ℃下反應(yīng)1 h后，升溫至95 ℃后再攪拌1 h。冷卻后再加入一定量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaClO溶液，在一定溫度下繼續(xù)攪拌，反應(yīng)結(jié)束后得產(chǎn)物的溶液。對(duì)產(chǎn)物的溶液趁熱過(guò)濾，濾液用濃鹽酸酸化至pH值為1～2，有大量的黃色沉淀生成，抽濾后得粗品。

（2）精制 1,1'-二茂鐵二甲酸。將所得產(chǎn)物放于燒杯中，加入適量的NaOH溶液，使產(chǎn)物盡量都溶解。對(duì)溶液進(jìn)行過(guò)濾，向?yàn)V液中加入濃鹽酸，使得pH值達(dá)到1～2，濾液出現(xiàn)黃色沉淀，把濾液倒入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀抽真空，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，蒸干后用無(wú)水乙醇溶解，自然蒸發(fā)掉無(wú)水乙醇后，放入烘箱干燥，制得精制的1,1'-二茂鐵二甲酸。

2.2 合成1,1'-二茂鐵二甲酸的條件選擇

（1）反應(yīng)溫度對(duì)合成的影響

在合成時(shí)間和摩爾比一定的情況下改變合成時(shí)的溫度為40、45、50、55和60 ℃五個(gè)條件下進(jìn)行合成，其合成的產(chǎn)率的測(cè)試如表 3。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，反應(yīng)溫度對(duì)合成產(chǎn)率的影響比較大，而其熔點(diǎn)測(cè)試在280 ℃以上依然無(wú)響應(yīng)。

表3 反應(yīng)溫度對(duì)合成1,1'-二茂鐵二甲酸產(chǎn)率和熔點(diǎn)影響Table 3 The effect of reaction temperature on yield and melting point of synthesized 1,1'-diacetylferrocene

當(dāng)溫度在50 ℃時(shí)，產(chǎn)率達(dá)到最高，大約80%，當(dāng)溫度較低時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行進(jìn)行緩慢，產(chǎn)率較低，當(dāng)溫度升高后，反應(yīng)速率加快，但副產(chǎn)物明顯增多，次氯酸鈉分解速率加快，在后處理以后，目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率明顯降低。因二茂鐵在較高的溫度下容易被氧化，且次氯酸鈉在高溫下極易分解，次氯酸鈉過(guò)度的損失導(dǎo)致產(chǎn)率下降。

（2）物料比對(duì)合成的影響

在反應(yīng)時(shí)間是和合成時(shí)溫度一定的條件下，改變1,1'-二乙?；F和次氯酸鈉的摩爾比為1∶2、1∶2.1、1∶2.2、1∶2.3、1∶2.4和1∶2.5進(jìn)行合成，其合成的產(chǎn)率和其熔點(diǎn)的測(cè)試如表4。

表4 摩爾比對(duì)合成1,1'-二茂鐵二甲酸產(chǎn)率和熔點(diǎn)的影響Table 4 The effect of molar ratio on yield and melting point of synthesized 1,1'-diacetylferrocene

從表4可以看出，1,1'-二乙酰基二茂鐵和次氯酸鈉的摩爾比對(duì)合成的影響較大，而其熔點(diǎn)在在300度以上依然不分解。當(dāng)摩爾比在1∶2.3以上時(shí)，產(chǎn)率達(dá)到最高，大約80%，當(dāng)摩爾比較低時(shí)，氧化難以徹底進(jìn)行，產(chǎn)率較低。因乙酰基被次氯酸鈉的氧化是1∶1的摩爾比反應(yīng)的，所以進(jìn)行二乙酰二茂鐵的個(gè)乙?；佳趸枰?∶2的摩爾比，而此反應(yīng)較難進(jìn)行，且次氯酸鈉要自然分解，次氯酸鈉需要過(guò)量，才能使得乙酰化進(jìn)行徹底，當(dāng)摩爾比達(dá)到1∶2.3后，基本可以滿足氧化的要求，當(dāng)摩爾比再提高后產(chǎn)率不再增加。而過(guò)多的次氯酸鈉在加熱過(guò)程中自然的就分解掉了，因而以1∶2.3為最佳摩爾比。

2.3 1,1'-二茂鐵二甲酸的測(cè)定

（1）對(duì)1,1'-二茂鐵二甲酸的熔點(diǎn)測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)對(duì)所有合成的產(chǎn)物進(jìn)行的熔點(diǎn)測(cè)試，多次合成的熔點(diǎn)測(cè)定，在測(cè)試達(dá)到280 ℃時(shí)，熔點(diǎn)儀均無(wú)響應(yīng)，可能是熔點(diǎn)儀對(duì)這種分解的產(chǎn)物無(wú)響應(yīng)，或者分解溫度大約300 ℃。

（2）對(duì)1,1'-二茂鐵二甲酸的紅外的測(cè)定

對(duì)精提純的1,1'-二茂鐵二甲酸進(jìn)行紅外測(cè)定，得到如下譜圖，見(jiàn)圖2。

圖2 1,1'-二茂鐵二甲酸的紅外譜圖Fig.2 IR spectrum of 1,1'-ferrocenedicarboxylic acid

從上紅外譜圖可以看出：u (cm)=747為O-H面外彎曲振動(dòng)，u (cm)=912、1 395為羧酸上O-H振動(dòng)特征峰，u (cm)= 3 200～2 500 區(qū)出現(xiàn)一寬而散的峰締合的羧酸O-H 伸縮振動(dòng)吸收峰；u (cm)=1 165為C-C(=O)-O振動(dòng)峰，u (cm)=1 215為C-O 伸縮振動(dòng)帶峰，u (cm)=1 640 與茂環(huán)共軛C =C的C =O的伸縮振動(dòng)特征峰，上述峰說(shuō)明有羧基結(jié)構(gòu)存在，且與茂環(huán)共軛；u (cm)=830、1 285、1 357、1 475、3 034、3 124均為茂環(huán)上振動(dòng)峰，說(shuō)明茂環(huán)的存在，上述紅外分析普通的指認(rèn)，說(shuō)明所合成產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物1,1`-二茂鐵二甲酸。

3 結(jié) 論

（1）本文研究了對(duì)二茂鐵的乙?；晒Φ玫搅四繕?biāo)產(chǎn)物1,1'-二乙?；F，并研究了溶劑、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度對(duì)合成的影響，得出三氯甲烷為較適宜的溶劑、最佳反應(yīng)溫度為0 ℃、最適宜反應(yīng)時(shí)間為5 h。本文對(duì)精提純步驟進(jìn)行優(yōu)化，得到了純度較高的1,1'-二乙酰基二茂鐵，并通過(guò)熔點(diǎn)和紅外的測(cè)定證實(shí)了產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物。

（2）本文研究了對(duì) 1,1'-二乙?；F進(jìn)行氧化，合成1,1'-二茂鐵二甲酸，對(duì)合成的反應(yīng)溫度和 1,1'-二乙?；F與次氯酸鈉的摩爾比進(jìn)行考察，得出最佳反應(yīng)溫度為 50 ℃、最佳摩爾比為1∶2.3。本文并對(duì)后處理進(jìn)行優(yōu)化，得到純度較高的1,1'-二茂鐵二甲酸，并通過(guò)熔點(diǎn)和紅外的測(cè)定證實(shí)了產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物。

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［3］陳燦輝，李紅，劉彩紅. 二茂鐵及其衍生物修飾電極的研究[J]. 電子器件,2004,3(27):522-526.

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Synthesis of 1,1'-Ferrocenedicarboxylic Acid

WANG Yang, QIAO Qing-dong, LI Qi, WAN Yu-rong, GAO Pei-yu
(Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

Ferrocene and its derivatives have sandwich-like special molecular structure, so they have many unique physical and chemical properties, and have been studied and applied widely in many fields. In this paper, preparation process of 1,1'-ferrocenedicarboxylic acid was studied, including synthesis of 1,1'-diacetylferrocene by acetylation of ferrocene, and preparation of its oxidation products. At last, the synthesis conditions were optimized.

Ferrocene; 1,1'-ferrocenedicarboxylic acid ; 1,1'-diacetylferrocene; Acetylation

TQ 203

A

1671-0460（2015）08-1774-04

遼寧省教育廳科技攻關(guān)項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：L2011057。

2015-02-20

汪洋（1987-），男，遼寧撫順人，遼寧石油化工大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：精細(xì)化工合成和電化學(xué)方向。E-mail：294558081@qq.com。

李琪（1969-），女，副教授，研究方向：電化學(xué)方向。E-mail：1074693585@qq.com。