二茂铁

二茂铁
	IUPAC名; bis(η5-cyclopentadienyl)iron(II)
别名	双环戊二烯基合铁（II）、环戊二烯基铁、环戊二烯铁
识别
CAS号	102-54-5
PubChem	11985121
ChemSpider	7329
SMILES	[cH-]1cccc1.[cH-]1cccc1.[Fe+2];
InChI	1/2C5H5.Fe/c21-2-4-5-3-1;/h21-5H;/q2*-1;+2;
InChIKey	KTWOOEGAPBSYNW-UHFFFAOYAZ
ChEBI	30672
性质
化学式	C10H10Fe
摩尔质量	186.04 g·mol⁻¹
外观	橘黄色固体
密度	(20°C) 2.69 g/cm³
熔点	174 °C
沸点	249 °C
溶解性（水）	不可溶
溶解性（大多数有机溶剂）	可溶
相关物质
相关化学品	二茂钴、二茂镍; 二茂铬、二苯铬
	若非注明，所有数据均出自一般条件（25 ℃，100 kPa）下。

二茂铁（英文：Ferrocene），或称环戊二烯基铁，是分子式为Fe(C₅H₅)₂的有机金属化合物，室溫下會微量昇華因而帶有似樟腦的特殊氣味。二茂铁是最重要的金属茂基配合物，也是最早被发现的夹心配合物[1]，包含两个环戊二烯负离子以π电子与铁原子成键。

制备

二茂铁可通过很多方法制备，比较常用的包括令环戊二烯基钠与氯化亚铁在四氢呋喃中反应：

FeCl₂ + 2C₅H₅Na → 2NaCl + (C₅H₅)₂Fe

另一种方法是氯化亚铁与环戊二烯在一种碱（如三乙胺、二乙胺等）存在下反应：

FeCl₂ + 2C₅H₆ + 2Et₃N → (C₅H₅)₂Fe + Et₃NHCl

历史

富瓦烯

错误的二茂铁结构

二茂铁的发现纯属偶然。1951年，杜肯大学的 Pauson 和 Kealy 用环戊二烯基溴化镁处理氯化铁，试图得到二烯氧化偶联的产物富瓦烯（Fulvalene，如图），但却意外得到了一个很稳定的橙黄色固体。[2] 当时他们认为二茂铁的结构并非夹心，而是如右图所示，并把其稳定性归咎于芳香的环戊二烯基负离子。与此同时，Miller、Tebboth 和 Tremaine 在将环戊二烯与氮气混合气通过一种还原铁催化剂时也得到了该橙黄色固体。[3]

罗伯特·伯恩斯·伍德沃德和杰弗里·威尔金森，[4] 及恩斯特·奥托·菲舍尔[5] 分别独自发现了二茂铁的夹心结构，并且后者还在此基础上开始合成二茂镍和二茂钴。NMR光谱和X射线晶体学的结果也证实了二茂铁的夹心结构。[6][7] 二茂铁的发现展开了环戊二烯基与过渡金属的众多π配合物的化学，也为有机金属化学掀开了新的帷幕。

1973年慕尼黑大学的恩斯特·奥托·菲舍尔及伦敦帝国学院的杰弗里·威尔金森爵士被授予诺贝尔化学奖，以表彰他们在有机金属化学领域的杰出贡献。

电子结构

穆斯堡尔谱学数据显示，二茂铁中心铁原子的氧化态为+2，每个茂环带有一个单位负电荷。因此每个环含有6个π电子，符合休克尔规则中4n+2电子数的要求（n为非负整数），每个环都有芳香性。每个环的6个电子*2，再加上二价铁离子的6个d电子正好等于18，符合18电子规则，因此二茂铁非常稳定。

二茂铁中两个茂环可以是重叠的（D_5h），也可以是错位的（D_5d），它们之间的能垒仅有8-20kJ/mol。重叠构型可能是比较稳定的，但在晶体中分子间作用能在数量级上与能垒差不多大或略大些，所以各种各样的构型都可存在。[8]

物理性质

二茂铁是对空气稳定的橙黄色固体，在真空和加热时迅速升华。和其他对称且不含电荷的物质类似，二茂铁可溶于大多数有机溶剂，如苯，但不溶于水。

二茂铁在100°C时显著升华。下表列出了它的一些重要的蒸气压数据及相应的温度值：[9]

蒸气压（Pa）	1	10	100
温度（K）	298	323	353

化学性质

二茂铁不适于催化加氢，也不作为双烯体发生Diels-Alder反应，但它可发生傅-克酰基化及烷基化反应。

与亲电试剂反应

二茂铁具有芳香化合物的显著特征，可与亲电试剂反应生成二茂铁的取代衍生物。大多数取代的类型是1-取代物、1,1'-二取代物及1,2-二取代物（带“'”表示在A环上，不带则表示在B环上）。例如二茂铁与三氯化铝和 Me₂NPCl₂ 在热庚烷中反应生成二氯二茂铁膦（Dichloroferrocenyl phosphine），[10] 当与苯基二氯化膦在类似条件下反应得到 P,P-二氯双（二茂铁）-P-苯基膦。[11] 与苯甲醚类似，二茂铁与 P₄S₁₀ 反应生成 Dithiadiphosphetane disulfide。[12] 二茂铁不可以直接硝化和卤化，因为会先发生氧化反应（参见#氧化还原反应）。

二茂铁可发生傅-克反应，譬如在磷酸作催化剂时，二茂铁与乙酸酐或乙酰氯反应生成乙酰基二茂铁。

虽然一方面二茂铁许多反应类似于芳香烃的相应反应，但另一方面有些反应明显是铁原子在起主要作用。[8] 例如在亲电取代反应中，亲电试剂的进攻看上去是先与铁原子发生作用的：

锂化反应

用丁基锂可以很快夺取二茂铁中的质子，产物为1,1'-二锂代二茂铁，是很强的亲核试剂。它与二乙基二硫代氨基甲酸硒反应，生成的产物具有位阻，两个环戊二烯基配体靠硒原子连接。[13] 该产物可通过加热开环聚合反应（ROP）生成聚硒化二茂铁（Poly(ferrocenyl selenide)），硅和磷的类似反应也可合成相应的聚合物（Poly(ferrocenylsilane) 和 Poly(ferrocenylphosphine)）。[14][15]

氧化还原反应

二茂铁在酸性溶液很容易被氧化为蓝色顺磁性的二茂铁鎓离子 [(η⁵-C₅H₅)₂Fe^III]⁺，其电势以饱和甘汞电极为标准大约为0.5V。由于产物二茂铁反应性不强且易于分离，该离子有时被用作氧化剂，以六氟磷酸盐 [PF₆]⁻ 或氟硼酸盐 [BF₄]⁻ 的形式存在。[16] 环上不同的取代基会使该电势值产生变化：吸电子基（如羧基）使得电极电势值上升；而给电子基（如甲基）则使得该值下降，氧化变得容易。全甲基取代二茂铁被氧化后生成的盐 [Fe(η⁵-C₅Me₅)₂][tcne] （tcne=四氰乙烯）具有不寻常的磁性性质，[17] 为深绿色晶体，含有阳离子与阴离子交替出现的长链。

二茂钌和锇的类似阳离子 [M^III(η⁵-C₅H₅)₂]⁺ 却是不稳定的，容易进一步氧化为 [M^IV(η-C₅H₅)₂]²⁺ 阳离子或二聚成为 [(η⁵-C₅H₅)₂M^III-M^III(η⁵-C₅H₅)₂]²⁺。[18]

二茂铁及衍生物的应用

二茂铁自身的应用并不多，但用已知的方法可以合成出种类繁多的衍生物，大大延伸了二茂铁的应用范围。

抗震剂

二茂铁及其衍生物是汽油中的抗震剂，它们比曾经使用过的四乙基铅安全得多。[19] 在英国的哈爾福斯 Halfords 可以买到含二茂铁的汽油添加剂，它尤其适用于以前专为四乙基铅抗震剂设计的车辆。[20] 二茂铁分解出的铁沉积在火花塞表面，增强了其导热性。

添加二茂铁同样也可以减少柴油车冒出的煤烟。

医药方面

某些二茂铁的盐类具有抗癌活性，如他莫昔芬的二茂铁同类物，[21] 其机理为，他莫昔芬可以与雌激素结合，其细胞毒性可以杀死癌细胞。[22][23][24]

材料学

二茂铁容易升华的性质可被用于沉积某种特定的富勒烯或碳纳米管。
醛和鏻盐在氢氧化钠存在下发生维蒂希反应生成乙烯基二茂铁。[25] 该化合物聚合得到类似于聚苯乙烯的聚合物，其中苯基被二茂铁基取代。

配体

手性二茂铁膦配体应用于一些过渡元素催化的反应。工业上应用此类反应合成药物及农用化学品。
双二苯基膦二茂铁（dppf）是有机合成中重要的配体，许多偶联反应的机理即是基于其钯配合物的生成。

衍生物

环戊二烯基羰基铁

五羰基铁与环戊二烯在高压釜中于135°C反应得到一种深红紫色晶体的双核络合物环戊二烯基羰基铁 [Fe(η⁵-C₅H₅)(CO)₂]₂，它对空气和水都是稳定的。结构测定表明该化合物中两个成桥羰基及两个铁原子共平面，且存在 Fe-Fe 键。环戊二烯基羰基铁很容易制备，并且在有机合成中有广泛应用。[8]

参考资料及注释

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Paloma Gómez-Elipe, Rui Resendes, Peter M. Macdonald, and Ian Manners, J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 8348
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延伸阅读

宣布二茂铁错误结构的文献

Kealy, T. J., Pauson, P. L. . Nature. 1951, 168: 1039–40. doi:10.1038/1681039b0.

Miller, S. A., Tebboth, J. A., Tremaine, J. F. . Journal of the Chemical Society. 1952: 632–635. doi:10.1039/JR9520000632.

宣布二茂铁“夹心”结构的文献

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其他

张青莲等。《无机化学丛书》第九卷，222页。北京：科学出版社。（涉及二茂铁的近似分子能级图）
Dunitz, J. D., Orgel, L. E. . Nature. 1953, 171: 121–122. doi:10.1038/171121a0.

Pauson, P. L. . Journal of Organometallic Chemistry. 2001: 637–639.

Gerard Jaouen (ed.). . Weinheim: Wiley-VCH. 2006. ISBN 978-3-527-30990-0. （讨论二茂铁及相关化合物的生物角色）

外部链接

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[1] R. Dagani. (Subscription required). Chemical and Engineering News. 3 December 2001, 79 (49): 37–38 [2008-03-12]. （原始内容存档于2018-12-19）.

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[15] Timothy J. Peckham, Jason A. Massey, Charles H. Honeyman, and Ian Manners, Macromolecules, 1999, 32, 2830

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[24] S. Top, A. Vessières, G. Leclercq, J. Quivy, J. Tang, J. Vaissermann, M. Huché and G. Jaouen. . Chemistry, a European Journal. 2003, 9: 5223–5236. doi:10.1002/chem.200305024.

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