新型含二茂铁有机配合物的合成及其电化学性质

肖文杰, 曹海泳, 林 艳, 刘文琴, 万屏南, 崔汉峰

(江西中医药大学 药学院，江西 南昌 330004)

二茂铁为具有夹心型结构和高度富电子的芳香性化合物，一直受到科研工作者的密切关注[1-9]。近年来，二茂铁逐渐成为金属有机化学和配位化学中最重要的化合物之一，由于其热稳定性好，反应活性高，较易进行结构修饰，且在大多数常见溶剂中可经受可逆的单电子氧化，具有易受环境影响的可逆氧化还原电对，便于分子内电子传递等优点，利用二茂铁特殊的化学、物理性质，在二茂铁中引入不同的基团分子，从而得到新的具有特殊性能的化合物已成为近年来二茂铁化学研究热点之一。

Suzuki偶联反应是钯配合物催化的卤代芳烃、烯烃与芳基、烯基硼酸间的交叉偶联反应，广泛用于联苯类、多烯烃和苯乙烯类化合物的合成[10-17]。

本文以二茂铁为起始原料，经氯汞化反应、溴代反应、Suzuki偶联反应、水解反应和取代反应等5步反应合成了一种新型的含二茂铁结构单元的有机配合物(7)，其结构经1H NMR、13C NMR、 IR和HR-MS(ESI-TOF)表征。并对目标化合物的电化学性质进行了研究。

Scheme 1

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

WRS型熔点仪；WFH-204B型手提式紫外分析仪；Bruker AVANCE III HD 600 MHz型核磁共振仪(CDCl3或DMSO-d6为溶剂，TMS为内标)；TripleTOF5600型高分辨飞行时间质谱联用仪。

二茂铁、N-溴代丁二酰亚胺(NBS)、醋酸钯、三苯基膦、N-羟基丁二酰亚胺(98%)，阿法埃莎(中国)化学有限公司；3,5-二乙氧羰基苯硼酸(98%)，苏州苏凯路化学科技有限公司；醋酸汞、无水氯化锂、三水合磷酸钾，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1) 氯汞基二茂铁(2)的合成

氩气保护下，在250 mL的三口烧瓶中加入二茂铁9.3 g(0.05 mol)和40 mL干燥苯，搅拌使其完全溶解;滴加醋酸汞7.87 g(0.025 mol)的无水甲醇(75 mL)溶液,滴毕，搅拌下反应10 h。滴加无水氯化锂2.2 g(0.052 mol)的乙醇/水(V/V=1/1)的混合(20 mL)溶液，滴毕，搅拌下反应2 h；回流反应1 h。冷却至室温，抽滤，滤饼依次用石油醚和二氯甲烷洗涤，收集二氯甲烷洗液，蒸除溶剂得橙黄色固体2 8.85 g，收率42%, m.p.197～200 ℃(196～198 ℃[18])。

(2) 溴代二茂铁(3)的合成

氩气保护下，在250 mL的三口烧瓶中加入氯汞基二茂铁4.21 g(10 mmol)和DMF 80 mL，搅拌使其溶解;冰浴冷却下，滴加NBS 2.30 g(12.8 mmol)的DMF(40 mL)溶液，滴毕，搅拌下于0 ℃反应3 h(TLC监测)。加入10%硫代硫酸钠溶液30 mL，用石油醚(3×75 mL)萃取，合并有机相，依次用饱和食盐水(3×50 mL)洗涤，无水硫酸钠干燥，蒸除溶剂，粗产物经硅胶柱层析(洗脱剂：A=石油醚/乙酸乙酯=40/1,V/V)纯化得橘红色油状液体3 1.46 g，冷却后得橘红色晶体，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]

氩气保护下，在250 mL的三口烧瓶中加入3 1.32 g(5 mmol)， 3,5-二乙氧羰基苯硼酸(4)1.46 g(5.5 mmol)，醋酸钯89.8 mg(0.4 mmol)，三苯基膦524 mg(2 mmol),三水合磷酸钾13.25 g(50 mol)和1, 4-二氧六环(脱气)80 mL，搅拌使其溶解；于80 ℃反应24 h(TLC监测)。加入饱和食盐水30 mL，用硅藻土过滤，除去黑色残渣，分液，水相用乙酸乙酯(3×40 mL)萃取，合并有机相，依次用饱和食盐水(3×40 mL)洗涤，无水硫酸钠干燥，蒸除溶剂，残余物经硅胶柱层析(洗脱剂：A=20/1)纯化得黄色黏稠液体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的圆底烧瓶中，加入化合物5 0.20 g(0.5 mmol)、四氢呋喃30 mL和甲醇30 mL，搅拌使其溶解；缓慢滴加10%氢氧化钠溶液10 mL，滴毕，搅拌下反应过夜(TLC检测)。减压蒸除部分溶剂，残余物用稀盐酸调至pH≈5，析出大量固体，抽滤，滤饼真空干燥得淡黄色固体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

氩气保护下，将1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)1.05 g(5.5 mmol)加入化合物6 1.75 g(5 mmol)和N-羟基琥珀酰亚胺1.26 g(11 mmol)的DMF(10 mL)溶液中，搅拌下反应至终点(TLC跟踪)。加入适量水，抽滤，滤饼用水洗涤，真空干燥得固体化合物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 电化学性质测试

采用三电极体系测试电化学性质。以玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，Ag+/Ag为参比电极。以1 × 10-3mol·L-1PBS溶液为电解液，扫描速度为0. 06 V·s-1，扫描范围为-0.20～0.6 V，被测底物浓度为1 × 10-3mol·L-1。首次测试前玻碳电极表面依次用0.3 μm和0.05 μm Al2O3抛光，然后用二次水超声洗涤，测定前通氮气15～20 min除氧。

2 结果与讨论

2.1 合成

合成2时，应严格控制二茂铁、醋酸汞和无水氯化锂的用量，二茂铁和醋酸汞的最佳摩尔比为2/1，无水氯化锂的用量比二茂铁稍过量即可。该反应中，醋酸汞过量会产生大量的副产物二氯汞基二茂铁；醋酸汞用量不足时会有较多的二茂铁剩余。此外，根据反应体系中各物质溶解性的差异，收集到的固体粗品，先用大量的石油醚洗涤以除去未反应的二茂铁，此时氯汞基二茂铁和二氯汞基二茂铁均不溶解；再用大量的二氯甲烷洗涤得到所需产物氯汞基二茂铁，而副产物在二氯甲烷中几乎不溶。

2.2 反应条件优化

以2和4为底物，考察了催化剂、配体、溶剂、碱及其反应温度对反应的影响，结果见表1。从表1可见，以三水合磷酸钾为碱，1, 4-二氧六环为溶剂时，催化剂和配体对产率影响较大(No.1～4)，无配体时，反应几乎不能发生(No.1)；当用Pd(OAc)2/PPh3和Pd(PPh3)4时均能获得较高的产率(No.2和3)，由于Pd(PPh3)4易被氧化，存贮和使用不便，所以选用Pd(OAc)2/PPh3作为催化体系。另外，我们考察了乙醇、DMF、 THF、 1,4-二氧六环等溶剂对反应产率的影响(No.2、 5～7)，从表中可知，以1,4-二氧六环为溶剂，反应效果较好(No.2)。碱对反应也有一定影响(No.2、 8、 9)，当用无水K3PO4为碱时(No.8)，反应产率较低，表明水在反应中起到了积极的作用；然而当用2 M 的K2CO3水溶液时反应也能顺利发生(No.9)，只是产率有所降低。降低反应温度时(No.10)，反应产率显著降低。

表1 反应条件的优化Table 1 Optimization of the reaction condition

Potential/V

表2 化合物6和化合物7的电化学数据

2.3 电化学性质

图1 为化合物6和7 的循环伏安曲线。由图1可见，化合物6(实线)和化合物7(虚线)在-0.2～0.6 V均只有一对氧化还原峰。化合物6和化合物7均发生了单电子氧化还原，对应于Fc+/Fc电对的电子转移。化合物6和7的电化学数据见表2。由表2可知，化合物6的阴极峰的电位Epc=0.201 V(vs Ag+/Ag)，阳极峰的电位Epa=0.311 V(vs Ag+/Ag)，E1/2=0.257 V；化合物7的阴极峰的电位Epc=0.207 V(vs Ag+/Ag)，阳极峰的电位Epa=0.389 V(vs Ag+/Ag)，E1/2=0.299 V。比较可知，在引入N-羟基琥珀酰亚胺后，化合物6的 E1 /2小于化合物7，表明化合物6更易失去电子，具有较高的氧化还原活性。这可能是引入N-羟基琥珀酰亚胺后，共轭效应减弱，整个分子体系中电子离域的程度较小，不容易失去电子，因此氧化还原活性减弱。

以二茂铁为起始原料，经5步反应合成了一种新型的含二茂铁结构单元的有机配合物(7)。该反应具有反应条件温和，反应产率较高，操作和后处理简单等优点。研究化合物6和7的电化学性质时发现，引入N-羟基琥珀酰亚胺会影响化合物的氧化还原活性。