新型含二茂鐵有機(jī)配合物的合成及其電化學(xué)性質(zhì)

肖文杰, 曹海泳, 林 艷, 劉文琴, 萬屏南, 崔漢峰

(江西中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，江西 南昌 330004)

二茂鐵為具有夾心型結(jié)構(gòu)和高度富電子的芳香性化合物，一直受到科研工作者的密切關(guān)注[1-9]。近年來，二茂鐵逐漸成為金屬有機(jī)化學(xué)和配位化學(xué)中最重要的化合物之一，由于其熱穩(wěn)定性好，反應(yīng)活性高，較易進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，且在大多數(shù)常見溶劑中可經(jīng)受可逆的單電子氧化，具有易受環(huán)境影響的可逆氧化還原電對，便于分子內(nèi)電子傳遞等優(yōu)點(diǎn)，利用二茂鐵特殊的化學(xué)、物理性質(zhì)，在二茂鐵中引入不同的基團(tuán)分子，從而得到新的具有特殊性能的化合物已成為近年來二茂鐵化學(xué)研究熱點(diǎn)之一。

Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)是鈀配合物催化的鹵代芳烴、烯烴與芳基、烯基硼酸間的交叉偶聯(lián)反應(yīng)，廣泛用于聯(lián)苯類、多烯烴和苯乙烯類化合物的合成[10-17]。

本文以二茂鐵為起始原料，經(jīng)氯汞化反應(yīng)、溴代反應(yīng)、Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)、水解反應(yīng)和取代反應(yīng)等5步反應(yīng)合成了一種新型的含二茂鐵結(jié)構(gòu)單元的有機(jī)配合物(7)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR、13C NMR、 IR和HR-MS(ESI-TOF)表征。并對目標(biāo)化合物的電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。

Scheme 1

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

WRS型熔點(diǎn)儀；WFH-204B型手提式紫外分析儀；Bruker AVANCE III HD 600 MHz型核磁共振儀(CDCl3或DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；TripleTOF5600型高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用儀。

二茂鐵、N-溴代丁二酰亞胺(NBS)、醋酸鈀、三苯基膦、N-羥基丁二酰亞胺(98%)，阿法埃莎(中國)化學(xué)有限公司；3,5-二乙氧羰基苯硼酸(98%)，蘇州蘇凱路化學(xué)科技有限公司；醋酸汞、無水氯化鋰、三水合磷酸鉀，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 氯汞基二茂鐵(2)的合成

氬氣保護(hù)下，在250 mL的三口燒瓶中加入二茂鐵9.3 g(0.05 mol)和40 mL干燥苯，攪拌使其完全溶解;滴加醋酸汞7.87 g(0.025 mol)的無水甲醇(75 mL)溶液,滴畢，攪拌下反應(yīng)10 h。滴加無水氯化鋰2.2 g(0.052 mol)的乙醇/水(V/V=1/1)的混合(20 mL)溶液，滴畢，攪拌下反應(yīng)2 h；回流反應(yīng)1 h。冷卻至室溫，抽濾，濾餅依次用石油醚和二氯甲烷洗滌，收集二氯甲烷洗液，蒸除溶劑得橙黃色固體2 8.85 g，收率42%, m.p.197～200 ℃(196～198 ℃[18])。

(2) 溴代二茂鐵(3)的合成

氬氣保護(hù)下，在250 mL的三口燒瓶中加入氯汞基二茂鐵4.21 g(10 mmol)和DMF 80 mL，攪拌使其溶解;冰浴冷卻下，滴加NBS 2.30 g(12.8 mmol)的DMF(40 mL)溶液，滴畢，攪拌下于0 ℃反應(yīng)3 h(TLC監(jiān)測)。加入10%硫代硫酸鈉溶液30 mL，用石油醚(3×75 mL)萃取，合并有機(jī)相，依次用飽和食鹽水(3×50 mL)洗滌，無水硫酸鈉干燥，蒸除溶劑，粗產(chǎn)物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：A=石油醚/乙酸乙酯=40/1,V/V)純化得橘紅色油狀液體3 1.46 g，冷卻后得橘紅色晶體，收率55%, m.p.30～32 ℃(31～32 ℃[19]);1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 4.45(t,J=1.8 Hz, 2H, Cp-H), 4.26(s, 5H, Cp-H), 4.13(t,J=1.8 Hz, 2H, Cp-H);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 77.6(Cp-C), 70.6(Cp-C), 67.9(Cp-C), 67.1(Cp-C)。

(3) 化合物(5)的合成[20]

氬氣保護(hù)下，在250 mL的三口燒瓶中加入3 1.32 g(5 mmol)， 3,5-二乙氧羰基苯硼酸(4)1.46 g(5.5 mmol)，醋酸鈀89.8 mg(0.4 mmol)，三苯基膦524 mg(2 mmol),三水合磷酸鉀13.25 g(50 mol)和1, 4-二氧六環(huán)(脫氣)80 mL，攪拌使其溶解；于80 ℃反應(yīng)24 h(TLC監(jiān)測)。加入飽和食鹽水30 mL，用硅藻土過濾，除去黑色殘?jiān)?，分液，水相用乙酸乙?3×40 mL)萃取，合并有機(jī)相，依次用飽和食鹽水(3×40 mL)洗滌，無水硫酸鈉干燥，蒸除溶劑，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：A=20/1)純化得黃色黏稠液體5 1.53 g，收率75%;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.50(t,J=1.8 Hz, 1H, ArH), 8.31(d,J=1.2 Hz, 2H, ArH), 4.78(t,J=1.8 Hz, 2H, Cp-H), 4.46(q,J=1.2 Hz, 4H, CH2), 4.41(t,J=1.8 Hz, 2H, Cp-H), 4.07(s, 5H, Cp-H), 1.47(t,J=7.2 Hz, 6H, CH3);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 166.0(C=O), 140.9(Ar-C), 131.1(Ar-C), 130.8(Ar-C), 127.7(Ar-C), 83.1(Cp-C), 69.8(Cp-C), 69.6(Cp-C), 66.8(Cp-C), 61.4(CH2), 14.4(CH3); IRν: 2981, 1722, 1605, 1367, 1322, 1304, 1238, 1134, 1102, 1031 cm-1; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C22H22O4Fe[M+]406.0868, found 406.0867。

(4) 化合物(6)的合成[19, 21]

在100 mL的圓底燒瓶中，加入化合物5 0.20 g(0.5 mmol)、四氫呋喃30 mL和甲醇30 mL，攪拌使其溶解；緩慢滴加10%氫氧化鈉溶液10 mL，滴畢，攪拌下反應(yīng)過夜(TLC檢測)。減壓蒸除部分溶劑，殘余物用稀鹽酸調(diào)至pH≈5，析出大量固體，抽濾，濾餅真空干燥得淡黃色固體6 0.14 g，收率80%, m.p.>240 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 13.31(brs, 2H, OH), 8.30(t,J=1.8 Hz, 1H, Ar-H), 8.24(d,J=1.8 Hz, 2H, Ar-H), 4.91(s, 2H, Cp-H), 4.45(s, 2H, Cp-H), 4.06(s, 5H, Cp-H);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 167.1(C=O), 141.1(Ar-C), 132.0(Ar-C), 130.6(Ar-C), 127.8(Ar-C), 83.1(Cp-C), 70.1(Cp-C), 70.0(Cp-C), 67.1(Cp-C)； IRν: 3506, 2996, 1770, 1759, 1691, 1373, 1316, 1245, 1106, 1055 cm-1; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C18H14O4Fe{[M-H]-}350.0242, found 350.0278。

(5) 化合物(7)的合成

氬氣保護(hù)下，將1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)1.05 g(5.5 mmol)加入化合物6 1.75 g(5 mmol)和N-羥基琥珀酰亞胺1.26 g(11 mmol)的DMF(10 mL)溶液中，攪拌下反應(yīng)至終點(diǎn)(TLC跟蹤)。加入適量水，抽濾，濾餅用水洗滌，真空干燥得固體化合物7 2.03 g，收率75%;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.70(t,J=1.2 Hz, 1H, Ar-H), 8.45(d,J=1.2 Hz, 2H, Ar-H), 4.77(t,J=1.8 Hz, 2H, Cp-H), 4.47(t,J=1.8 Hz, 2H, Cp-H), 4.11(s, 5H, Cp-H), 3.51(s, 8H, CH2);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 168.9(C=O), 160.9(C=O), 143.1(Ar-C), 133.1(Ar-C), 128.9(Ar-C), 126.4(Ar-C), 81.4(Cp-C), 70.3(Cp-C), 70.0(Cp-C), 66.9(Cp-C), 25.7(CH2); IRν: 3439, 2996, 1765, 1741, 1604, 1362, 1233, 1195, 1105 cm-1; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C26H20N2O8Fe{[M-H]-}544.0569, found 544.0587。

1.3 電化學(xué)性質(zhì)測試

采用三電極體系測試電化學(xué)性質(zhì)。以玻碳電極為工作電極，鉑電極為對電極，Ag+/Ag為參比電極。以1 × 10-3mol·L-1PBS溶液為電解液，掃描速度為0. 06 V·s-1，掃描范圍為-0.20～0.6 V，被測底物濃度為1 × 10-3mol·L-1。首次測試前玻碳電極表面依次用0.3 μm和0.05 μm Al2O3拋光，然后用二次水超聲洗滌，測定前通氮?dú)?5～20 min除氧。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成

合成2時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制二茂鐵、醋酸汞和無水氯化鋰的用量，二茂鐵和醋酸汞的最佳摩爾比為2/1，無水氯化鋰的用量比二茂鐵稍過量即可。該反應(yīng)中，醋酸汞過量會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物二氯汞基二茂鐵；醋酸汞用量不足時(shí)會有較多的二茂鐵剩余。此外，根據(jù)反應(yīng)體系中各物質(zhì)溶解性的差異，收集到的固體粗品，先用大量的石油醚洗滌以除去未反應(yīng)的二茂鐵，此時(shí)氯汞基二茂鐵和二氯汞基二茂鐵均不溶解；再用大量的二氯甲烷洗滌得到所需產(chǎn)物氯汞基二茂鐵，而副產(chǎn)物在二氯甲烷中幾乎不溶。

2.2 反應(yīng)條件優(yōu)化

以2和4為底物，考察了催化劑、配體、溶劑、堿及其反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。從表1可見，以三水合磷酸鉀為堿，1, 4-二氧六環(huán)為溶劑時(shí)，催化劑和配體對產(chǎn)率影響較大(No.1～4)，無配體時(shí)，反應(yīng)幾乎不能發(fā)生(No.1)；當(dāng)用Pd(OAc)2/PPh3和Pd(PPh3)4時(shí)均能獲得較高的產(chǎn)率(No.2和3)，由于Pd(PPh3)4易被氧化，存貯和使用不便，所以選用Pd(OAc)2/PPh3作為催化體系。另外，我們考察了乙醇、DMF、 THF、 1,4-二氧六環(huán)等溶劑對反應(yīng)產(chǎn)率的影響(No.2、 5～7)，從表中可知，以1,4-二氧六環(huán)為溶劑，反應(yīng)效果較好(No.2)。堿對反應(yīng)也有一定影響(No.2、 8、 9)，當(dāng)用無水K3PO4為堿時(shí)(No.8)，反應(yīng)產(chǎn)率較低，表明水在反應(yīng)中起到了積極的作用；然而當(dāng)用2 M 的K2CO3水溶液時(shí)反應(yīng)也能順利發(fā)生(No.9)，只是產(chǎn)率有所降低。降低反應(yīng)溫度時(shí)(No.10)，反應(yīng)產(chǎn)率顯著降低。

表1 反應(yīng)條件的優(yōu)化Table 1 Optimization of the reaction condition

Potential/V

表2 化合物6和化合物7的電化學(xué)數(shù)據(jù)

2.3 電化學(xué)性質(zhì)

圖1 為化合物6和7 的循環(huán)伏安曲線。由圖1可見，化合物6(實(shí)線)和化合物7(虛線)在-0.2～0.6 V均只有一對氧化還原峰。化合物6和化合物7均發(fā)生了單電子氧化還原，對應(yīng)于Fc+/Fc電對的電子轉(zhuǎn)移。化合物6和7的電化學(xué)數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，化合物6的陰極峰的電位Epc=0.201 V(vs Ag+/Ag)，陽極峰的電位Epa=0.311 V(vs Ag+/Ag)，E1/2=0.257 V；化合物7的陰極峰的電位Epc=0.207 V(vs Ag+/Ag)，陽極峰的電位Epa=0.389 V(vs Ag+/Ag)，E1/2=0.299 V。比較可知，在引入N-羥基琥珀酰亞胺后，化合物6的 E1 /2小于化合物7，表明化合物6更易失去電子，具有較高的氧化還原活性。這可能是引入N-羥基琥珀酰亞胺后，共軛效應(yīng)減弱，整個(gè)分子體系中電子離域的程度較小，不容易失去電子，因此氧化還原活性減弱。

以二茂鐵為起始原料，經(jīng)5步反應(yīng)合成了一種新型的含二茂鐵結(jié)構(gòu)單元的有機(jī)配合物(7)。該反應(yīng)具有反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)產(chǎn)率較高，操作和后處理簡單等優(yōu)點(diǎn)。研究化合物6和7的電化學(xué)性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，引入N-羥基琥珀酰亞胺會影響化合物的氧化還原活性。