Struktur af ferrocen
Strukturbestemmelse af organometalliske forbindelser er afgørende for at forstå reaktiviteten af et givet molekyle. Forskellige modeller og teknikker gør det muligt for forskerne at opklare de pågældende forbindelser, som f.eks. ferrocen.
Ferrocen, en organometallisk forbindelse, blev første gang rapporteret af Kealy og Pauson i 1951. De foreslog en struktur bestående af et jernatom med to enkeltbindinger til to kulstofatomer på separate cyclopentadienringe.
Vilkinson og Woodward foreslog imidlertid et alternativ til ferrocenstrukturen, hvor jernatomet er “sandwichet” mellem to cyclopentadienringe med lige stor binding til alle 10 kulstofatomer. Den af Wilkinson foreslåede struktur er siden blevet bekræftet ved hjælp af røntgenkrystallografi og proton-NMR.
Denne video vil illustrere 18-elektronreglen til at forudsige strukturen af organometalliske komplekser, syntesen af ferrocen, dets spektroskopiske og elektrokemiske analyse og nogle af dets anvendelser.
Når man foreslår molekylære strukturer, skal man altid overveje mængden af valensskalelektroner. Hovedgruppeelementer kan rumme op til 8 elektroner, mens overgangsmetaller kan indeholde op til 18 elektroner i sin valensskal. Overgangsmetaller har ni valensorbitaler, 1 s-, 3 p- og 5 d-orbitaler med to elektroner i hver. Med nogle undtagelser er overgangsmetalkomplekser med 18 valenselektroner meget stabile forbindelser.
For at bestemme det samlede antal elektroner i et overgangsmetalkompleks kan man anvende to modeller: den ioniske eller den kovalente metode. Begge metoder benytter sig af de samme ligandklassifikationer: X-type ligander omfatter anioniske grupper såsom halogenider, hydroxid eller alkoxid; L-type ligander omfatter lone-pair donorer såsom aminer og phosphiner; og Z-type ligander er neutrale Lewis-syrer, som er elektronpar acceptorer. For at demonstrere de to modeller skal vi bruge Co(NH3)3Cl3 som et eksempel.
Tænk på Co-atomet, som befinder sig i gruppe 9 i det periodiske system og har 9 valenselektroner. Da oxidationstallet for kobolt i dette kompleks er +3, er det samlede antal valenselektroner, der bidrager, 6.
Liganderne af X-typen, som er de 3 Cl, og liganderne af L-typen, de 3 NH3, bidrager med i alt 12 elektroner, mens liganderne af Z-typen ikke er tilgængelige – hvilket giver i alt 18 elektroner.
I den kovalente model ses der bort fra oxidationstallet for kobolt, og molekylet er ikke ionisk, hvilket resulterer i i alt 9 elektroner. X-type ligander donerer en elektron; L-type ligander donerer to elektroner; og Z-type ligander, hvis de er til stede, bidrager ikke med nogen – hvilket også giver i alt 18 elektroner.
Tællingen af de samlede elektroner i ferrocen er mere kompleks: jernatomet bidrager med 8 valenselektroner, mens cyclopentadienringene er klassificeret som L2X-type ligander, der hver bidrager med 5 elektroner, som kommer fra de to dobbeltbindinger og en radikal, hvilket giver i alt 18 elektroner. Hvorimod Pausons oprindelige foreslåede struktur kun ville resultere i 10 elektroner på grund af de enkeltbundne cyclopentadiener.
Nu da vi har diskuteret principperne for strukturbestemmelse, lad os syntetisere ferrocen og identificere hvilken struktur der er korrekt.
I en emhætte tilsættes en omrøringsstang og 50 mL dicyclopentadien til en fastspændt 100-mL rundbundskolbe. Derefter fastgøres rundbundskolben til et destillationsapparat, og det anbringes i et oliebad med modtagerkolben i et isbad.
Sæt varmepladen til 160 °C og omrør forsigtigt. Der destilleres fraktioneret ca. 5 mL af cyclopentadienmonomeren, som skal holdes koldt.
Destillér i en 200 mL Schlenk-kolbe mærket A, en omrøringsstang og nymalet KOH. Derefter tilsættes 30 mL 1,2-dimethoxyethan, kolben forbindes med en N2-ledning og forsynes med en gummiskillevæg.
Under omrøring under N2-atmosfære tilsættes opløsningen 2,75 mL cyclopentadien via en sprøjte, og der omrøres i mindst 10 min.
I en separat 200 mL Schlenk-kolbe mærket B tilsættes malet FeCl2-4H2O og 12,5 mL DMSO. Monter derefter en gummisekptum, forbindes til en N2-ledning og omrøres under en N2-atmosfære, indtil alt jern er opløst.
Når dette trin er afsluttet, indsættes begge ender af en kanyle med dobbelt spids i hver Schlenk-kolbe, og jernopløsningen overføres med kanyle til cyclopentadienopløsningen dråbevis over en periode på 30 minutter.
Når reaktionen er afsluttet, hældes blandingen i et bægerglas med en opslæmning af 6 M HCl og 50 g knust is, og der omrøres i et par minutter. De resulterende orangefarvede krystaller opsamles ved vakuumfiltrering på en frittet tragt, udfældningen vaskes med iskoldt vand og lufttørres derefter. Krystallerne renses ved sublimering.
Dernæst fremstilles en NMR-prøve af det rensede ferrocen opløst i chloroform-d. Der anvendes ATR-udstyret på infrarødspektrometeret til at opnå et IR-spektrum. Og endelig opsamles et cyklisk voltammogram af ferrocenet i acetonitril ved en scanningshastighed på 100 mV/s.
NMR-analysen viser et enkelt peak ved 4,17 ppm, hvilket bekræfter, at alle hydrogenatomer er magnetisk ækvivalente. Endvidere viser IR-spektret en enkelt sp2 C-H strækning ved 3096 cm-1, hvilket bekræfter, at hydrogenatomerne er ækvivalente, og at den foreslåede Wilkinson-struktur er korrekt.
Til sidst tager vi et kig på CV’et af ferrocen, som viser en enkelt oxidationsbegivenhed. E1/2-halvværdien kan beregnes ved at tage gennemsnittet af det katodiske toppotentiale og det anodiske toppotentiale. I acetonitril opstår ferrocen/ferrocenium redoxparret ved et potentiale på 90 mV.
Nu da vi har diskuteret en procedure til fremstilling af ferrocen, lad os se på nogle af dets anvendelser.
Palladium-katalyserede krydskoblingsreaktioner er et værdifuldt syntetisk værktøj i den farmaceutiske industri. En almindelig uønsket bivirkning er imidlertid beta-hydrid-eliminering, som kan minimeres ved brug af 1,1′-bis(diphenylphosphino)ferrocen eller dppf som et chelatdannende middel med PdCl2, der danner palladium(II)dichlorid forkortet som (dppf)PdCl2.
Undtrykkelsen af beta-hydrid-eliminering og det høje produktudbytte er blevet tilskrevet den store bidvinkel af dppf-liganden. Med fremkomsten af katalysatoren er reaktioner, såsom Suzuki-kobling, mulige og anvendes typisk til at koble primære alkylgrupper ved hjælp af 9-BBN-reagenser.
Den lethed, hvormed ferrocen kan undergå elektrofil aromatisk substitution, som i Friedel-Crafts acylering eller formylering/Mannich-reaktionen, har gjort det til en lovende kilde til organometalliske lægemiddelkandidater. Disse typer af organometalliske lægemidler har tiltrukket sig interesse på grund af deres strukturelle variation. F.eks. kan M-arener have tre funktionaliteter, og M-carbener kan have to.
For øjeblikket er ferroquin, som indeholder elementer af ferrocen og chloroquin, ved at blive evalueret som et kommercielt antimalarialægemiddel. Endvidere er ferrocifen, som er baseret på elementer af ferrocen og tamoxifen, i øjeblikket under klinisk afprøvning som et potentielt brystkræftmiddel. Desuden arbejdes der på at udvikle nukleosidanaloger af ferrocen til undersøgelse af DNA/RNA-veje.
Du har netop set JoVE’s introduktion til ferrocenets struktur. Du bør nu forstå 18-elektronreglen, syntesen og karakteriseringen af ferrocen samt flere af dets anvendelser. Tak fordi du så med!