フェロセンの構造
有機金属化合物の構造決定は、与えられた分子の反応性を理解するために極めて重要である。 さまざまなモデルや手法により、たとえばフェロセンのような問題のある化合物を解明することができます。
有機金属化合物であるフェロセンは、1951年にキーリーとポーソンによって初めて報告されました。 しかし、WilkinsonとWoodwardは、鉄原子が2つのシクロペンタジエン環の間に挟まれ、10個の炭素原子すべてに等しく結合するというフェロセン構造の代替案を提案した。 ウィルキンソンが提案した構造は、その後X線結晶学とプロトンNMRによって確認されています。
このビデオでは、有機金属錯体の構造を予測するための18電子ルール、フェロセンの合成、その分光学および電気化学分析、そしていくつかの応用について説明します。 主族元素は8個まで、遷移金属は18個までの電子を価電子殻に収めることができる。 遷移金属はs軌道1個、p軌道3個、d軌道5個の計9個の価電子軌道を持ち、それぞれに2個の電子が存在する。 一部の例外を除き、18個の価電子を持つ遷移金属錯体は非常に安定な化合物である。
遷移金属錯体の全電子数を決定するには、イオン法、または共有結合法の2つのモデルを使用することができる。 どちらの方法も同じ配位子分類を利用する。 X型配位子はハロゲン化物、水酸化物、アルコキシドなどの陰イオン性基、L型配位子はアミンやホスフィンなどの一対供与体、Z型配位子は中性ルイス酸で電子対受容体である。 この2つのモデルを示すために、Co(NH3)3Cl3を例にとって説明します。
周期表第9族に属するCo原子は、9個の価電子を持っていると考えます。 この錯体のコバルトの酸化状態は+3なので、寄与する価電子の総数は6個です。
X型配位子である3個のClとL型配位子である3個のNH3は合計12個の電子を寄与し、Z型配位子は使えないので合計18個の電子をもたらします。
共有モデルでコバルトの酸化状態を無視し、分子をイオン性でないので、合計9個の電子となるのです。 鉄原子は8価の電子を提供し、シクロペンタジエン環はL2X型の配位子として分類され、それぞれ5個の電子を提供し、それらは2つの二重結合とラジカルから来るので、合計18個の電子が発生します。
さて、構造決定の原理を説明したので、フェロセンを合成し、どの構造が正しいかを特定しよう。
ドラフト内で、スターバーと50mLのジシクロペンタジエンを100mL丸底フラスコにクランプして加える。 その後、丸底フラスコを蒸留装置に取り付け、オイルバスに入れ、受けフラスコを氷浴に入れます。
ホットプレートを160℃に設定し、静かに撹拌します。 冷やしておいたシクロペンタジエンモノマー約5mLを分留する。
Aと表示した200mLシュレンクフラスコに、スターバーと挽きたてのKOHを加える。 次に、30 mLの1,2-ジメトキシエタンを加え、フラスコをN2ラインに接続し、ゴム栓をする。
N2雰囲気下で撹拌しながら、シリンジで2.75 mLのシクロペンタジエンを加え、少なくとも10分撹拌する。 ゴム栓をしてN2ラインに接続し、N2雰囲気下で鉄がすべて溶解するまで撹拌する。
この工程が完了したら、それぞれのシュレンクフラスコに先端の二重針のどちらかを挿入し、30分かけて鉄溶液をシクロペンタジエン溶液に滴下するようにカニューレ移送する。
反応が完了したら、6M塩酸と50gの砕いた氷のスラリーを入れたビーカーに注ぎ、数分間攪拌する。 得られたオレンジ色の結晶をフリット付きロートで真空濾過して集め、析出物を氷水で洗浄した後、風乾させる。 次に、精製したフェロセンをクロロホルム-dに溶かし、NMR試料を作製します。 赤外分光器のATRアタッチメントを使用して、赤外スペクトルを取得する。
NMR分析では4.17ppmに単一のピークがあり、すべての水素原子が磁気的に等価であることが確認された。 さらにIRスペクトルでは3096cm-1にsp2 C-H伸縮が1つあり、水素原子が等価であることが確認され、提案したWilkinsonの構造が正しいことがわかりました。
最後にフェロセンのCVを見てみますと、酸化イベントが1つあることが確認されました。 E1/2半値はカソードピーク電位とアノードピーク電位の平均をとることによって計算できる。 アセトニトリル中では、フェロセン/フェロセニウム・レドックスカップルは90mVの電位で発生します。
さて、フェロセンを調製する手順を説明しましたが、その応用例を見てみましょう。
パラジウム触媒によるクロスカップリング反応は医薬品産業において貴重な合成ツールです。 しかし、よくある望ましくない副反応としてβ水素化物の脱離がありますが、これは1,1′-ビス（ジフェニルホスフィノ）フェロセンまたはdppfをPdCl2とキレート剤として使用し、（dppf）PdCl2として略されるパラジウム（II）ジクロライドを形成することで最小化することが可能です。 この触媒の出現により、鈴木カップリングなどの反応が可能になり、通常、9-BBN試薬を用いて一級アルキル基のカップリングを行います。
Friedel-Crafts アシル化反応やホルミル化/マニッヒ反応のようにフェロセンに親電子芳香族置換が容易にできることから有機金属薬剤候補としての有望視されています。 このような有機金属薬物は、その構造の多様性から興味を持たれている。 例えば、M-アレーンは3つの官能基を、M-カルベンは2つの官能基を持つ。
現在、フェロセンとクロロキンの要素を含むフェロキンが、市販の抗マラリア薬として評価中である。 さらに、フェロセンとタモキシフェンの要素を含むフェロシフェンは、乳がん治療薬の候補として現在臨床試験が行われています。 さらに、DNA/RNA経路の研究において、フェロセンのヌクレオシド類似体の開発にも力を入れています。
JoVE によるフェロセンの構造紹介を見ましたね。 18電子の法則、フェロセンの合成と特性、そしていくつかの応用について理解できたはずです。 ご視聴ありがとうございました！
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