1,1'-二茂铁二甲酸的制备

汪 洋，乔庆东，李 琪，万玉荣，高培玉

（辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部，辽宁 抚顺 113001）

1,1'-二茂铁二甲酸的制备

汪 洋，乔庆东，李 琪，万玉荣，高培玉

（辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部，辽宁 抚顺 113001）

二茂铁及其衍生物具有特殊的夹层状分子结构，因而具有诸多独特的物理和化学性质, 在多个领域有着广阔的应用和研究价值。研究了对二茂铁进行乙酰化，制取1,1'-二乙酰基二茂铁的合成方法，并进而制备其氧化产物，制取1,1'-二茂铁二甲酸，并对合成条件进行优化。

二茂铁；1,1'-二茂铁二甲酸；1,1'-二乙酰基二茂铁；乙酰化

二茂铁自从1951年被Kealy和Pauson首先合成以来，无数学者对其进入深入的研究，合成了无数类似二茂铁的夹层状化合物和二茂铁的衍生物。

二茂铁由于其独特的化学结构，具有许多不同的特性，而无可替代，但其结构的相对脆弱性，相对的易于分解，而制备高纯度的二茂铁衍生物又及其困难，在一代又一代化学家的努力下，研制出无数二茂铁衍生物，而大部分衍生物都基于乙酰基二茂铁、1,1'-二乙酰基二茂铁和氯甲基二茂铁三种基本衍生物衍生出其他的二茂铁类衍生物。

二茂铁是上下二个茂环中间夹一个二价铁离子，因茂环具有芳香性，而与二价铁离子的结合形成了稳定的夹心结构。此稳定结构与其他有机金属化合物有诸多不同，主要体现在稳定性更强，且金属离子不外露，离子性不强。而二茂铁夹心的二价铁很容易被氧化成三价铁，具有很强的电化学特性，在电极修饰和电化学方面有诸多无可替代的特性和美好的应用前景[1]。

含二茂铁的化合物已被广泛的应用于电化学[2]、不对称催化、电化学修饰[3]、分子传感器和非线性光学[4]。在过去的几年中的二茂铁上的化学领域已经被广泛地开发由于对各种疾病的药物含有金属的成功。许多二茂铁化合物表现出有前途的抗肿瘤，细胞毒性，抗疟和DNA裂解活性。这是公认的，二茂铁基团在有机分子中引入导致新的生物活性，通常的改进，为各自不同的膜的渗透性能和异常的代谢后果[5]。

二茂铁相对合成难度较大，工业生产成本较高，而其衍生物的合成条件特殊而苛刻，带来了工业生产成本极高，且难大批量生产，纯度更是难以提高，高纯度的二茂铁衍生物制取难度大，价格高昂。

1 合成1,1'-二乙酰基二茂铁

1.1 合成1,1'-二乙酰基二茂铁的实验部分

二茂铁的活性比苯略高，但其化学活性依然不高，且二茂铁在常温下为固态，虽然其对于部分有机溶剂都有一定的溶解度，但溶解度都不算高，溶剂的选择至关重要，本实验选了溶解度相对较高的环己烷、二氯甲烷和三氯甲烷进行多次验证，以环己烷为溶剂难以得到目标产物，以二氯甲烷为溶剂可以得到目标产物，但效果较差，产率不超过20%，虽然毒性比三氯甲烷小很多，但效果也差很多。

二茂铁的付-克乙酰化与苯类似，但在进行乙酰化之后，易于进行再次乙酰化，一般再次乙酰化选择二茂铁的另一个茂环，形成上下二个茂环各发生一次付-克乙酰化反应，生成 1,1'-二乙酰基二茂铁。乙酰化试剂选用常用的醋酸酐，催化剂选用无水三氯化铝。

由于选用了醋酸酐这样的强乙酰化试剂，和路易斯酸无水三氯化铝做催化剂，此反应较容易进行，但副反应复杂，产生多种难以分离的副产物，一般反应在冰浴或氮气保护下进行，以减少副反应的发生，降低副产物的生成，也避免了复杂的除去副产物的过程，提高产率。

（1）合成。在四口瓶中迅速加入14 g无水三氯化铝，并加入10 mL经过除水和除醇的三氯甲烷中使三氯化铝缓慢溶解。一边搅拌，一边滴加5 mL醋酸酐，并连接可防倒吸的尾气吸收装置，醋酸酐滴加后，三氯化铝基本溶解，滴完后溶液基本无色透明。取4 g二茂铁，溶解于20 mL三氯甲烷中震荡，直至二茂铁完全溶解后滴加进反应装置，并把反应装置放置于水槽内冷却，15 min滴完，溶液呈血红色。经过数小时反应后，乙酰化基本完成，溶液呈紫黑色。

（2）后处理。把反应后的紫黑色液体缓慢倒入去离子水冻成的碎冰中，未完全反应的三氯化铝与水反应生成大量氯化氢。液体会分层，上层的水相用少量三氯甲烷洗涤三次，下层的有机相用水洗涤三次，合并所有的有机相，置于蒸馏装置中，进行蒸馏，蒸出三氯甲烷回收。不要完全蒸干，留有少许液体时，倒出，静置，待三氯甲烷自然蒸发。完全蒸发后，呈红黑色粗产品，部分呈针状。

利用产物易溶于热水的特性，向粗产物中加入去离子水，并加热至沸腾，趁热抽滤，滤渣留有少量黑色油状固体，滤液放入旋转蒸发仪中抽真空蒸发，蒸发后涂抹在蒸发瓶壁的产物，用无水乙醇溶解，静置自然蒸发，得精提纯产物。

1.2 合成1,1'-二乙酰基二茂铁的条件选择

（1）对于温度的考察，笔者选择了冰盐浴、冰浴、和常温水浴三个温度进行试验，低温的温度控制比较复杂，温度选择有限，在冰盐浴的温度保持在-5 ℃左右、冰浴的温度在0 ℃，常温水浴的温度在10 ℃，在反应初期因为反应剧烈并放热，需要常加冰或换水，来保证实验温度的稳定。冰浴和冰盐浴的产率差别不大，而温度较低影响反应的活性，导致产率略低，常温水浴下，温度略高导致副反应增多，经提纯后，目标产物产率降低，以冰浴0 ℃为最佳反应温度，熔点测试均合格，均为目标产物，纯度较高。此实验副反应主要为由于二价铁离子氧化，导致二茂铁结构分解，形成多个环聚合的多元环结构，呈黑色油状。实验数据如表1。

表1 反应温度对合成1,1'-二乙酰基二茂铁产率和熔点的影响Table 1 The effect of reaction temperature on yield and melting point of synthesized 1,1'-diacetylferrocene

（2）对于反应时间的考察，改变反应时间为3、4、5、6、7 h进行合成，从表2可以看出，反应时间对合成的影响不是很大，至4 h，合成反应基本完成，反应时间选至5 h即可，产物熔点在124～127 ℃之间，基本符合要求，初熔点和终熔点差别较小，纯度较高。

表2 反应时间对合成1,1'-二乙酰基二茂铁产率和熔点的影响Table 2 The effect of reaction time on yield and melting point of synthesized 1,1'-diacetylferrocene

1.3 1,1'-二乙酰基二茂铁的测定

（1）熔点测定，通过熔点的测试可以初步判断是否为目标产物，也可以初步检验所得产物纯度。通过多次合成实验的样品熔点测定，熔点最低为24.2 ℃，最高为126.9 ℃，因晶体的长度不同，导致熔点有细微的差别，均在允许误差范围内，熔点合格，初熔点和终熔点的差值在1 ℃以内，说明纯度较高。

图1 1,1'-二乙酰基二茂铁的红外谱图Fig.1 IR spectrum of 1,1'-diacetylferrocene

（2）红外测试，经过红外测试得到如下红外谱图1，在u (cm)=3 093处有茂环上C—H伸缩振动峰；在u (cm)=1 646有C =O的伸缩振动，此峰特征峰，因C=O与茂环的C =C共轭，导致此峰的频率比正常脂肪酮有所降低；在u (cm)=1 361处有甲基上C-H弯曲振动峰；在u (cm)=1 442、1 267、823处均为茂环上峰；在u (cm)=488处为铁与茂环的伸缩振动峰。通过上述峰的指认可以确定产物为目标产物1,1'-二乙酰基二茂铁。

2 合成1,1'-二茂铁二甲酸

2.1 合成1,1'-二茂铁二甲酸的实验部分

（1）粗制 1,1'-二茂铁二甲酸。把上述合成的1,1'-二乙酰基二茂铁氧化制取目标产物 1,1'-二茂铁二甲酸，二茂铁上所连支链的乙酰基是很容易被氧化的，中等以上强度的氧化剂即可，但要考虑到二茂铁中二价铁离子易被氧化，氧化剂不能太强烈，又要考虑产物的分离，最终选择氧化能力适中且产物易分离的NaClO溶液做氧化剂。在避光条件下，将一定量的 1,1'-二乙酰基二茂铁溶于质量分数为10%的NaClO溶液中，在50 ℃下反应1 h后，升温至95 ℃后再搅拌1 h。冷却后再加入一定量质量分数为10%的NaClO溶液，在一定温度下继续搅拌，反应结束后得产物的溶液。对产物的溶液趁热过滤，滤液用浓盐酸酸化至pH值为1～2，有大量的黄色沉淀生成，抽滤后得粗品。

（2）精制 1,1'-二茂铁二甲酸。将所得产物放于烧杯中，加入适量的NaOH溶液，使产物尽量都溶解。对溶液进行过滤，向滤液中加入浓盐酸，使得pH值达到1～2，滤液出现黄色沉淀，把滤液倒入旋转蒸发仪抽真空，进行旋转蒸发，蒸干后用无水乙醇溶解，自然蒸发掉无水乙醇后，放入烘箱干燥，制得精制的1,1'-二茂铁二甲酸。

2.2 合成1,1'-二茂铁二甲酸的条件选择

（1）反应温度对合成的影响

在合成时间和摩尔比一定的情况下改变合成时的温度为40、45、50、55和60 ℃五个条件下进行合成，其合成的产率的测试如表 3。从实验结果可以看出，反应温度对合成产率的影响比较大，而其熔点测试在280 ℃以上依然无响应。

表3 反应温度对合成1,1'-二茂铁二甲酸产率和熔点影响Table 3 The effect of reaction temperature on yield and melting point of synthesized 1,1'-diacetylferrocene

当温度在50 ℃时，产率达到最高，大约80%，当温度较低时，反应进行进行缓慢，产率较低，当温度升高后，反应速率加快，但副产物明显增多，次氯酸钠分解速率加快，在后处理以后，目标产物的产率明显降低。因二茂铁在较高的温度下容易被氧化，且次氯酸钠在高温下极易分解，次氯酸钠过度的损失导致产率下降。

（2）物料比对合成的影响

在反应时间是和合成时温度一定的条件下，改变1,1'-二乙酰基二茂铁和次氯酸钠的摩尔比为1∶2、1∶2.1、1∶2.2、1∶2.3、1∶2.4和1∶2.5进行合成，其合成的产率和其熔点的测试如表4。

表4 摩尔比对合成1,1'-二茂铁二甲酸产率和熔点的影响Table 4 The effect of molar ratio on yield and melting point of synthesized 1,1'-diacetylferrocene

从表4可以看出，1,1'-二乙酰基二茂铁和次氯酸钠的摩尔比对合成的影响较大，而其熔点在在300度以上依然不分解。当摩尔比在1∶2.3以上时，产率达到最高，大约80%，当摩尔比较低时，氧化难以彻底进行，产率较低。因乙酰基被次氯酸钠的氧化是1∶1的摩尔比反应的，所以进行二乙酰二茂铁的个乙酰基都氧化需要1∶2的摩尔比，而此反应较难进行，且次氯酸钠要自然分解，次氯酸钠需要过量，才能使得乙酰化进行彻底，当摩尔比达到1∶2.3后，基本可以满足氧化的要求，当摩尔比再提高后产率不再增加。而过多的次氯酸钠在加热过程中自然的就分解掉了，因而以1∶2.3为最佳摩尔比。

2.3 1,1'-二茂铁二甲酸的测定

（1）对1,1'-二茂铁二甲酸的熔点测定

本实验对所有合成的产物进行的熔点测试，多次合成的熔点测定，在测试达到280 ℃时，熔点仪均无响应，可能是熔点仪对这种分解的产物无响应，或者分解温度大约300 ℃。

（2）对1,1'-二茂铁二甲酸的红外的测定

对精提纯的1,1'-二茂铁二甲酸进行红外测定，得到如下谱图，见图2。

图2 1,1'-二茂铁二甲酸的红外谱图Fig.2 IR spectrum of 1,1'-ferrocenedicarboxylic acid

从上红外谱图可以看出：u (cm)=747为O-H面外弯曲振动，u (cm)=912、1 395为羧酸上O-H振动特征峰，u (cm)= 3 200～2 500 区出现一宽而散的峰缔合的羧酸O-H 伸缩振动吸收峰；u (cm)=1 165为C-C(=O)-O振动峰，u (cm)=1 215为C-O 伸缩振动带峰，u (cm)=1 640 与茂环共轭C =C的C =O的伸缩振动特征峰，上述峰说明有羧基结构存在，且与茂环共轭；u (cm)=830、1 285、1 357、1 475、3 034、3 124均为茂环上振动峰，说明茂环的存在，上述红外分析普通的指认，说明所合成产物为目标产物1,1`-二茂铁二甲酸。

3 结 论

（1）本文研究了对二茂铁的乙酰化，成功得到了目标产物1,1'-二乙酰基二茂铁，并研究了溶剂、反应时间、反应温度对合成的影响，得出三氯甲烷为较适宜的溶剂、最佳反应温度为0 ℃、最适宜反应时间为5 h。本文对精提纯步骤进行优化，得到了纯度较高的1,1'-二乙酰基二茂铁，并通过熔点和红外的测定证实了产物为目标产物。

（2）本文研究了对 1,1'-二乙酰基二茂铁进行氧化，合成1,1'-二茂铁二甲酸，对合成的反应温度和 1,1'-二乙酰基二茂铁与次氯酸钠的摩尔比进行考察，得出最佳反应温度为 50 ℃、最佳摩尔比为1∶2.3。本文并对后处理进行优化，得到纯度较高的1,1'-二茂铁二甲酸，并通过熔点和红外的测定证实了产物为目标产物。

［1］何仁, 陶晓春, 张兆国. 金属有机化学[M]. 上海: 华东理工大学出版社, 2007:179-182.

［2］李胜良, 江清柏, 汤旺. 二茂铁及其衍生物在锂离子电池中的应用[J]. 应用化工，2014(9):1688-1693.

［3］陈灿辉，李红，刘彩红. 二茂铁及其衍生物修饰电极的研究[J]. 电子器件,2004,3(27):522-526.

［4］郭鸿旭, 邹雪珍, 黄尊行. 应用前景广阔的二茂铁及其衍生物[J].福州大学学报, 2002,5(30):597-603.

［5］Valentina A. Ol`shevskaya, Maria D. Kotova, Elena G. Kononova. et al. Ferrocenyl substituted oxo-derivatives of carboranes: Synthesis and some chemical transformations[J]. Polyhedron,2005,85:27–33.

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

辽宁省教育厅科技攻关项目，项目号：L2011057。

2015-02-20

汪洋（1987-），男，辽宁抚顺人，辽宁石油化工大学在读硕士研究生，研究方向：精细化工合成和电化学方向。E-mail：294558081@qq.com。

李琪（1969-），女，副教授，研究方向：电化学方向。E-mail：1074693585@qq.com。