Введение

Органометаллическое соединение: Fe(II), заключенный между двумя циклопентадиенильными кольцами.
chembox
| Verifiedfields = изменено
| Watchedfields = изменено
| verifiedrevid = 457631192
| ImageFileL1 = Ferrocene.svg
| ImageFileR1 = Ferrocene из 3D-шариков xtal.png
| ImageFileL2 = 3D-модель ферроцена 2.png
| ImageFileR2 = Фотография ферроцена (порошок).JPG
| PIN = Ферроцен
| OtherNames = Дициклопентадиенильное железо, Бис(η5-циклопентадиенил)железо, Циклопентадиенилид железа(II)
| Section1 =
| Section2 =
| Section3 =
| Section4 = Информация по безопасности Chembox
|NFPA F = 2
|NFPA H = 3
|NFPA R = 1
|NFPA ref =
|PEL = ПДК 15 мг/м3 (общее) ПДК 5 мг/м3 (дыхательная зона)
|IDLH = Н.Д.

Структура и сцепление

Спектроскопия Мёссбауэра указывает, что железному центру в ферроцене следует приписать степень окисления +2. Каждому циклопентадиенильному (Cp) кольцу, следовательно, следует отнести один отрицательный заряд. Таким образом, ферроцен можно описать как железо(II) бис(циклопентадиенид), |Fe(2+)[C5H5( )]2. Каждое кольцо содержит шесть π-электронов, что делает их ароматическими согласно правилу Гюкеля. Эти π-электроны затем разделяются с металлом посредством ковалентной связи. Поскольку Fe2+ имеет шесть d-электронов, комплекс достигает 18-электронной конфигурации, что объясняет его стабильность. В современной нотации эта сэндвич-структура молекулы ферроцена обозначается как |Fe(η⁵C5H5)₂, где η обозначает hаптичность – число атомов, через которые каждое кольцо связывается. Расстояния между углерод-углеродными связями вокруг каждого пятичленного кольца составляют 1,40 Å, а все расстояния между связями Fe–C равны 2,04 Å. В диапазоне температур от комнатной до 164 K рентгеновская кристаллография показывает моноклинную пространственную группу; циклопентадиенидные кольца находятся в шахматном порядке, что приводит к центросимметричной молекуле с группой симметрии D5d. Cp-кольца вращаются с низким энергетическим барьером вокруг оси Cp(центроид)–Fe–Cp(центроид), что наблюдается при измерениях замещенных производных ферроцена с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса ¹H и ¹³C. Например, метилферроцен (CH₃C₅H₄FeC₅H₅) демонстрирует синглет для C₅H₅-кольца. В растворе и при комнатной температуре было установлено, что затмённый конформер D₅h ферроцена преобладает над шахматным D₅d, что подтверждается как инфракрасной спектроскопией Фурье, так и расчетами DFT.

С электрофилами

Ферроцен вступает во множество реакций, характерных для ароматических соединений, что позволяет получать замещенные производные. Распространенным учебным экспериментом является реакция Фриделя-Крафтса ферроцена с уксусным ангидридом (или ацетилхлоридом) в присутствии фосфорной кислоты в качестве катализатора. В условиях, подходящих для реакции Манниха, ферроцен дает N,N-диметиламинометилферроцен. Сам ферроцен может использоваться в качестве основы для лиганда, например, 1,1'-бис(дифенилфосфино)ферроцена (dppf). Ферроцен сам по себе может быть окислен до катиона ферроцения (Fc+); пара ферроцен/ферроцений часто используется в качестве опорной в электрохимии, подобно тому, как ацилирование бензола дает ацетофенон в аналогичных условиях. Протонирование ферроцена позволяет выделить [Cp2FeH]PF6. В присутствии хлорида алюминия Me2NPCl2 и ферроцен реагируют с образованием ферроценилдихлорофосфина, в то время как обработка фенилдихлорофосфином в аналогичных условиях приводит к образованию P,P-диферроценил-P-фенилфосфина. Ферроцен реагирует с P4S10, образуя дифферроценилдитиадифосфетановый дисульфид.

Литиевая обработка

Ферроцен реагирует с бутиллитием с образованием 1,1'-дилитиоферроцена, который является универсальным нуклеофилом. В сочетании с бутиллитием, трет-бутиллитий образует монолитиоферроцен.

Редокс-химия

Ферроцен подвергается одноэлектронному окислению при потенциале около 0,4 В относительно насыщенного каломелевого электрода (SCE), превращаясь в ферроцений. Это обратимое окисление используется в качестве стандарта в электрохимии, где Fc+/Fc = 0,64 В относительно стандартного водородного электрода, однако в литературе встречаются и другие значения. Тетрафторборат ферроцения – распространенный реагент. Исключительно обратимое окислительно-восстановительное поведение широко используется для контроля процессов переноса электронов в электрохимических и фотохимических системах. Одноэлектронно окисленное производное биферроцена привлекло значительное внимание исследователей. Заместители в циклопентадиенильных лигандах изменяют окислительно-восстановительный потенциал предсказуемым образом: электроноакцепторные группы, такие как карбоксильная кислота, смещают потенциал в анодном направлении (то есть делают его более положительным), в то время как электронодонорные группы, такие как метильные группы, смещают потенциал в катодном направлении (более отрицательным). Таким образом, декаметилферроцен окисляется значительно легче, чем ферроцен, и может быть окислен даже до соответствующего дикатиона. Ферроцен часто используется в качестве внутреннего стандарта для калибровки окислительно-восстановительных потенциалов в неводной электрохимии.

Стереохимия замещенных ферроценов

Диссубституированные ферроцены могут существовать в виде 1,2-, 1,3- или 1,1'-изомеров, ни один из которых не преобразуется в другой. Ферроцены, асимметрично диссубституированные на одном кольце, являются хиральными, например [CpFe(EtC5H3Me)]. Эта планарная хиральность возникает, несмотря на отсутствие стереогенного центра в каком-либо отдельном атоме. Замещенный ферроцен, показанный справа (производное 4-(диметиламино)пиридина), оказался эффективным при кинетическом разделении рацемических вторичных спиртов. Разработено несколько подходов к асимметричной 1,1'-функционализации ферроцена.

Применение ферроцена и его производных

Ферроцен и его многочисленные производные не нашли широкого применения в крупномасштабном производстве, однако обладают множеством узкоспециализированных применений, основанных на их необычной структуре (лигандные каркасы, фармацевтические субстанции), устойчивости (антидетонационные присадки, прекурсоры для материалов) и окислительно-восстановительных свойствах (реагенты и стандартные образцы для окислительно-восстановительного титрования).

Лигандные каркасы

Хиральные ферроценилфосфины используются в качестве лигандов для реакций, катализируемых переходными металлами. Некоторые из них нашли промышленное применение в синтезе фармацевтических и агрохимических продуктов. Например, дифосфин 1,1'-бис(дифенилфосфино)ферроцен (dppf) является ценным лигандом для палладий-катализируемых реакций кросс-сочетания, а лиганд Джосифоса полезен для катализа гидрирования. Они названы в честь техника, который впервые синтезировал это соединение, Джози Пулео. [[Файл:Josiphos.png|thumb|Лиганд Джосифоса]] Бензиновые присадки, содержащие ферроцен, могут добавляться в неэтилированный бензин для использования в старинных автомобилях, рассчитанных на использование этилированного бензина. Железосодержащие отложения, образующиеся из ферроцена, могут формировать проводящее покрытие на поверхности свечей зажигания. Кополимеры ферроцена и полигликоля, полученные путем поликонденсации производного ферроцена и замещенного дигидроксиспирта, перспективны в качестве компонента ракетного топлива. Эти сополимеры обеспечивают ракетное топливо термостойкостью, выступая в качестве связующего и контролируя скорость горения. Было установлено, что ферроцен эффективно снижает количество дыма и триоксида серы, образующихся при сжигании угля. Добавление любым практичным способом – путем пропитки угля или добавления ферроцена в камеру сгорания – может значительно уменьшить количество этих нежелательных побочных продуктов, даже при использовании небольшого количества металлоциклопентадиенилового соединения.

Фармацевтические препараты

Дериваты ферроцена исследовались в качестве лекарственных средств, причём одно соединение – ферроцерон – было одобрено для применения в СССР в 1970-х годах, хотя в настоящее время оно не производится. В последние годы только один препарат, Ferroquine (7-хлоро-N-(2-((диметиламино)метил)ферроценил)хинолин-4-амин), противомалярийное средство, достиг второй фазы (IIb) клинических испытаний. Исследовались системы доставки лекарств на основе полимеров, содержащих ферроцен. Противоопухолевая активность производных ферроцена впервые была изучена в конце 1970-х годов, когда производные, содержащие амино- или амидные группы, испытывались на лимфоцитарной лейкемии. Некоторые соли ферроцения проявляют противораковую активность, однако ни одно соединение не проходило клинических испытаний. Производные ферроцена демонстрируют выраженную ингибирующую активность в отношении клеточной линии рака лёгких человека A549, колоректальной клеточной линии HCT116 и клеточной линии рака молочной железы MCF 7. Сообщалось о разработке экспериментального препарата, представляющего собой ферроцениловую версию тамоксифена. Французская биотехнологическая компания Feroscan, основанная профессором Жераром Жауэном, использует ферроцифены в онкологических целях.

Твердое ракетное топливо

Ферроцен и его производные используются как эффективные катализаторы скорости сгорания в композитных ракетных топливах на основе перхлората аммония.

Деривативы и вариации

Аналоги ферроцена могут быть получены с использованием различных вариантов циклопентадиенила. Например, бисинденилрон и бисфлуоренилрон. Это соединение при кипении с обратным холодильником в бензоле превращается в ферроцен. Благодаря легкости замещения, было синтезировано множество структурно необычных производных ферроцена. Например, лиганд пента(ферроценил)циклопентадиенил содержит циклопентадиенильный анион, замещенный пятью ферроценильными группами. В гексаферроценилбензоле, C6[(η5 C5H4)Fe(η5 C5H5)]6, все шесть положений в молекуле бензола несут ферроценильные заместители (R). Рентгенодифракционный анализ этого соединения подтверждает, что циклопентадиенильные лиганды не сопланарны бензольному ядру, а имеют чередующиеся двугранные углы +30° и −80°. Из-за стерических затруднений ферроценильные группы слегка изогнуты под углом 177° и имеют удлиненные связи C–Fe. Четвертичные атомы углерода циклопентадиенильного кольца также пирамидализованы. Кроме того, бензольное ядро имеет конформацию кресла с двугранными углами 14° и демонстрирует чередование длин связей между 142,7 пм и 141,1 пм, оба этих фактора свидетельствуют о стерических затруднениях, создаваемых заместителями. Синтез гексаферроценилбензола был описан с использованием реакции Негиши между гексаиодидобензолом и диферроценилцинком, в качестве катализатора использовался трис(дибензилиденацетон)дипалладий(0) в тетрагидрофуране. Винилферроцен можно получить реакцией Виттига альдегида, фосфониевой соли и гидроксида натрия. Винилферроцен может быть полимеризован в поливинилферроцен (PVFc) – ферроценильный аналог полистирола (фенильные группы заменены ферроценильными группами). Другим полиферроценом, который можно получить, является поли(2-(метакрилоилокси)этилферроценкарбоксилат) (PFcMA). Помимо использования органических полимерных цепей, эти ферроценовые фрагменты были присоединены к неорганическим цепям, таким как полисилоксаны, полифосфазены и полифосфинобораны (–PH(R)–BH2–)n, и полученные материалы демонстрируют необычные физические и электронные свойства, связанные с окислительно-восстановительной парой ферроцен/ферроциний. И PVFc, и PFcMA были закреплены на пластинах из диоксида кремния, и измерялась смачиваемость, когда полимерные цепи не заряжены и когда ферроценовые фрагменты окисляются с образованием положительно заряженных групп. Угол контакта с водой на пластинах, покрытых PFcMA, уменьшился на 70° после окисления, в то время как для PVFc уменьшение составило 30°, и изменение смачиваемости обратимо. В случае PFcMA эффект увеличения длины цепей и, следовательно, введения большего количества ферроценовых групп приводит к значительному уменьшению угла контакта при окислении.