二茂铁类化合物的合成工艺研究

二茂铁类化合物的合成工艺研究

二茂铁，又名环戊二烯基铁，由两个环戊二烯离子和一个二价铁离子组成。它是一种由心结构型配合物组成的有机过渡金属化合物。自上世纪50年代Kealy和Pauson合成二茂铁以来其独特的结构和化学性质在诸多领域有着广泛应用。在生物领域,二茂铁杂环化合物能够有效抑制葡萄球菌和链球菌的生长,具有很好的抗革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌活性,在临床上还能被用来作为治疗贫血的药物,并且具有独特的抗肿瘤、抗癌、抗结核的生物活性。同时二茂铁杂环化合物还具有显著的植物生长调节活性。在材料应用领域,含二茂铁杂环化合物具有非常优越的光学和电学特性,已经被用于制备各种感光材料和光电半导体材料。此外二茂铁杂环化合物在染料工业、能源工业、制备各种耐热、耐辐射和粘附剂方面都有广泛应用。二茂铁酰基化衍生物因其所含官能团化学性质活泼,成为合成二茂铁衍生物的重要原料和中间体。本文主要针对单、双乙酰基二茂铁及氯乙酰基二茂铁的合成工艺进行详细研究,这三种化合物的合成方法已被一些文献报道,我们就其中提到的方法,加以改进,用氮气进行保护更大程度上减少了外在环境对试验的影响,通过调节温度缩短了反应时间,使酰化产物的收率得到提高。1试剂与仪器1.1仪器与试剂数字熔点仪(XRC-1),上海精密科学仪器有限公司;红外光谱仪(2000),美国Varian公司。二茂铁(分析纯),天津市大茂化学试剂;乙酸酐(分析纯),天津市福晨化学试剂厂;磷酸(分析纯),天津北方天医化学试剂厂;三氯化铝(分析纯),天津大茂化学试剂厂;乙酰氯(分析纯),天津科密欧化学试剂厂;氯乙酰氯(分析纯),天津科密欧化学试剂厂;二氯甲烷(分析纯),天津北方天医化学试剂厂;无水硫酸钠(分析纯),天津市东丽区天大化学试剂厂。1.2色浆体的合成1.2.1化合物2a的合成向装有电动搅拌、温度计的三颈瓶中通入氮气,加入100mL乙酸酐(1.74mol),慢慢加入20mL的磷酸,再加入30g二茂铁(0.16mol),开动电动搅拌使其均匀,60℃油浴反应用TLC监测反应进程,25min后停止反应。将反应混合物倒入装有冰的烧杯中,用10%的氢氧化钠溶液调至中性,抽滤,晾干,得到粗产品为棕色固体。用石油醚重结晶,得到橙色针状固体,收率98.6%(Lit89%)。1.2.2化合物2b的合成向带有回流冷凝管、平衡滴管的三颈瓶中通入氮气,加入110mL的二氯甲烷,再加入44g的三氯化铝(0.45mol)搅拌下,滴加31mL的乙酰氯(0.39mol),滴加完毕,加热回流至固体全部溶解,然后再滴加含二茂铁24g的二氯甲烷溶液,停止加热,室温下搅拌,用TLC监测反应进程,1h后停止反应,将反应液倒入冰水中,用分液漏斗分离,有机相依次用水、饱和食盐水洗涤,无水硫酸钠干燥,蒸除溶剂,粗品用无水乙醇重结晶,得到红色针状晶体,收率97.4%(Lit.89%)。1.2.3化合物2c的合成向带有平衡滴管的三颈瓶中通入氮气,在室温下将5.1g二茂铁(30mmol)溶解在30mL的二氯甲烷中,将反应装置转移到冰盐浴中,搅拌下逐滴滴加氯乙酰氯(45mmol)、三氯化铝(45mmol)的二氯甲烷溶液,滴加完毕,冰盐浴反应7h,反应过程中反应体系逐渐由深红色变为紫色。加水,分出有机层,有机层用水、饱和食盐水洗,干燥,蒸除溶剂,得到粗产品经柱层析分离得到纯品(洗脱剂为乙酸乙酯:石油醚=1:8),收率68.9%(Lit.42.7%)。2s酰基化反应2.1二茂铁的酰化反应原理二茂铁酰化反应是Friedel-Crafts酰基化反应,在质子酸或Lewis酸作催化剂的条件下,酰基化试剂首先生成酰基正离子,然后和二茂铁的环戊二烯负离子环发生亲电取代酰基化反应.例如,以乙酰氯作酰化试剂,三氯化铝为催化剂的二茂铁双酰化反应机理如图1所示。2.2茂铁乙酰基化合物的合成以二茂铁(1)为底物在氮气保护条件下分别与乙酸酐、乙酰氯、氯乙酰氯反应以98.6%~68.9%的收率得到三种常用的二茂铁乙酰基化合物,其反应方程式如图2所示。2.3化合物22c合成的优化2.3.1影响化合物2a~2c收率的因素经实验发现,通入氮气、调节温度对化合物2a~2c的收率影响较大。未通入氮气保护,酰化试剂和催化剂易与空气接触,氧化分解,增加了副产物生成的几率;反应温度越高,副产物就会增多,不利于产品的提纯;反应时间过长同样会导致副反应的发生,影响产率。综合考虑三个影响因素,对合成方法进行改进,在反应体系中通入氮气,同时降低温度,既缩短反应时间,又减少了副产物,以68.9%~98.6%的收率得到化合物2a~2c。我们研究了通入氮气后反应温度对收率的影响,以2a为例相关数据如下(见表1)。由表1可以看出在通入氮气的条件下,温度为50℃时,反应效果最佳,产品的收率达到98.6%与文献相比反应温度不但降低,反应时间也得到缩短。通过实验,我们也发现2b在室温条件下反应1h、2c在冰盐浴条件下反应7h收率最高。2.4红外光谱分析我们通过红外光谱对产品进行了结构表征,以乙酰基二茂铁的红外光谱为例,如图3所示。从红外光谱中我们可以看到,在3447cm-1处出现的宽吸收峰,归属于二茂铁环戊二烯环上共轭双键的吸收峰,且在1662cm-1处有较强的C=O特征吸收峰,表明环戊二烯环上发生了酰化反应产生了芳烃共轭