综合化学实验乙酰二茂铁的合成和表征详析

白银娟　南志祥　李　珺（西北大学化学与材料科学学院，西安710127）

综合化学实验乙酰二茂铁的合成和表征详析

白银娟*南志祥李珺
（西北大学化学与材料科学学院，西安710127）

对典型的综合化学实验“乙酰二茂铁的合成和表征”中的乙酰化方法、分离纯化以及产物的表征进行了详细论述。深入分析了加料方法、反应温度控制、酸中和、薄层监测、柱层析等操作以及产物的红外光谱和核磁共振氢谱表征中的细节问题。探讨了如何指导学生对综合化学实验操作进行规划，提高学生对实验进行观察分析以及解决问题的能力。

乙酰二茂铁；合成；表征；综合性实验

www.dxhx.pku.edu.cn

综合化学实验课程的开设是为大学生在基础化学实验之后提供一个从化学研究思维和整体方案层面上学习化学实验的机会，是一门涉及化学多学科的综合性和创新性实验课程。“乙酰二茂铁的合成和表征”是典型的“文献查阅－合成制备－分析表征”一体化的综合性训练教学实验，其中涉及乙酰化方法的选择、加料方式、温度及反应时间控制、产物的分离与纯化和结构表征等多项内容，不仅可以使学生掌握有机合成中常用的单元操作以及有机化合物结构波谱分析手段，还可以培养和提高学生思考问题、解决问题和独立工作的能力。

二茂铁是化学史上一个重要分子，标志着有机金属化学新领域的开始［1］。二茂铁具有典型的芳香化合物性质，但对氧化剂敏感。二茂铁亲电取代反应活性比苯高，在茂环上引入各种取代基可形成丰富多彩的二茂铁衍生物。二茂铁的酰基化衍生物是合成二茂铁衍生物的重要中间体，而乙酰基是其中最重要的基团之一。二茂铁的乙酰化一般是以乙酸酐或乙酰氯为酰化剂，无水三氯化铝、三氟化硼、氢氟酸以及磷酸等为催化剂［2］。根据反应条件的不同，反应产物分别以一元取代物或1，1＇-二元取代物为主，较难得到高纯度的单一产物。本实验以乙酸酐为酰化剂，采用磷酸催化的方法合成乙酰二茂铁，通过柱层析对产物进行分离纯化。

1　实验目的

（1）掌握Fridel-Crafts反应合成乙酰二茂铁的反应机理和方法。

（2）掌握薄层色谱作为监测反应进程以及柱色谱作为提纯手段的原理和应用。

（3）熟悉核磁共振氢谱和红外光谱在化合物结构表征中的应用。

2　实验原理

由于二茂铁具有2个茂环，这2个茂环都可以进行酰化反应，可以得到乙酰二茂铁或1，1＇-二乙酰二茂铁。与苯的亲电反应相似，乙酰基对茂环也有致钝作用，当一乙酰化后，另一个乙酰基将酰化在不同的茂环上。从构象上看2个乙酰基处在交叉位置占优，但环戊二烯能够绕着与金属键合的轴旋转，因此二乙酰二茂铁只有一种。一般温和反应条件下，主要得到一乙酰化产物，但在无水三氯化铝催化下更容易生成二乙酰二茂铁［3］。

本实验以乙酸酐为酰化剂、磷酸为催化剂合成乙酰二茂铁。在磷酸作用下，乙酸酐首先生成酰基正离子，然后和富电的茂环发生亲电取代酰基化反应，机理如图1所示［4］。

图1　乙酰二茂铁合成反应机理

反应粗产物中主要包括：产物乙酰二茂铁、少量副产物二乙酰二茂铁以及一定量未反应的原料二茂铁。需通过薄层层析确定分离混合物条件，然后经柱层析对产物进行分离纯化。

3　实验部分

3.1试剂

二茂铁，乙酸酐，85%磷酸，碳酸氢钠，氧化铝（100－200目），正己烷，乙酸乙酯，无水氯化钙，冰。

3.2仪器

50 mL三颈烧瓶，干燥管，恒压滴液漏斗，球形冷凝管，真空塞，400 mL烧杯，量筒（5 mL、10 mL），2 mL移液管，布氏漏斗，抽滤瓶，层析柱（2.5 cm×30 cm），载玻片，锥形瓶，圆底烧瓶，玻璃棒，滴管，药匙；恒温加热磁力搅拌器，循环水泵，真空干燥箱，旋转蒸发仪，电子天平，熔点测定仪，核磁共振仪，红外光谱仪。

3.3实验步骤

将3.0 g（0.016 mol）二茂铁和10.0 g（9.4 mL，0.1 mol）乙酸酐放入三颈烧瓶中，三颈烧瓶上装有带干燥管的球形冷凝管，在搅拌下自滴液漏斗滴加2.0 mL 85%磷酸。约8 min滴加完毕后，于沸水浴上加热10 min或于55－60°C水浴上加热，TLC监测反应进程，直至二茂铁反应完全，约45－60 min。将上述反应液趁热倾入装有40 g碎冰的400 mL烧杯中，并用50 mL冰水分次冲洗烧瓶，将冲洗液并入烧杯。小心用碳酸氢钠粉末中和反应物至溶液呈中性。将中和后的反应液在冰水浴中放置30 min，抽滤收集析出的橙黄色固体。用冷水洗涤，抽干后在真空干燥箱中干燥（T=60°C），称重。

称取30 g活化过的氧化铝作吸附剂，干法装入层析柱中，用吸耳球或橡胶管轻敲柱身使氧化铝填充紧密。称取上述粗产品1.0 g研细，通过长颈漏斗均匀平铺在氧化铝的上端，并使其表面水平，再装3－5 mm厚的石英砂在样品的上端。首先用正己烷作洗脱剂洗脱黄色未反应完的二茂铁，然后用正己烷-乙酸乙酯混合溶液（V正己烷:V乙酸乙酯=1:4）洗脱收集橙黄色产品乙酰二茂铁。如有较多量的二乙酰化副产物存在，则可发现红色色带，需分别收集。称量用于各组分旋转蒸发的圆底烧瓶。将各部分溶液分别在旋转蒸发仪上蒸除溶剂。连瓶称量，得到各组分质量。计算乙酰二茂铁产量和产率。测定熔点并进行核磁共振氢谱以及红外光谱表征。

4　结果与讨论

4.1实验结果

乙酰二茂铁为橙黄色固体，熔点为81－83°C，理论产量为3.67 g，实验产率可达85%以上。1H NMR（CDCl3，TMS内标）δ：4.77（d，J=3.8 Hz，2H），4.51（d，J=3.8 Hz，2H），4.21（s，5H），2.41（s，3H）。IR（KBr）v：3079，1662，1467，1399，1378，1282，1102，1007，830，633，502，484 cm－1。

4.2实验讨论

（1）反应温度的影响［4，5］。本实验中乙酸酐既是酰化试剂，又是溶剂，沸点为138.6°C，反应温度可以在较大范围内选择。实验中较常采用的控温方式有两种：一种是沸水浴加热，另一种是反应温度控制在55－60°C之间。催化剂磷酸具有氧化性，而二茂铁对氧化剂敏感，因此反应温度和时间的把握很重要。沸水浴加热反应时间短，约10 min即可；采用55－60°C反应则需45－60 min。在教学中发现，学生采用沸水浴法往往使反应混合物变黑并且粘稠，难以将其干净移出，转移损失较大；而在55－60°C条件下反应体系呈深红色，粘度较低，无焦化现象，反应时间与学生对搅拌和温度的掌握有关。55－60°C温度下的反应，反应混合物的倾出和冰水冲洗操作难度降低，产物转移损失减少。薄层层析发现在55－60°C条件下反应混合物原点明显比沸水浴法原点颜色浅淡，柱层析中在柱的上端留下的物质比沸水浴法所留物质少许多，说明反应进行得更完全。教学中倾向于学生采取温和的反应温度并延长反应时间的方法。

（2）二茂铁的薄层层析观察。通过TLC监测反应进程时需要注意二茂铁的特性，由于二茂铁可以升华，当薄层板受热或放置太久二茂铁点会变淡甚至消失。因此实验中薄层板展开后，若使用电吹风吹干溶剂，电吹风不能加热。当二茂铁黄色点消失或很淡时终止反应。

（3）磷酸的加入方式。磷酸本身既是催化剂又是氧化剂，当磷酸与二茂铁-乙酸酐溶液接触时，一方面会促使酰基负离子的生成，另一方面又可能氧化二茂铁。将磷酸加入二茂铁-乙酸酐溶液的过程中会大量放热，因此磷酸需要在较低温度并且搅拌良好的情况下逐滴加入。当磷酸加毕后再在所设定温度下反应，这样便于反应温度的控制并防止副产物的增多。本实验采用常温滴加磷酸的方法，约8－10 min滴毕，其后逐渐升温至反应温度。

（4）粗产物的获得。反应混合物中主要含有大量的酸、产物乙酰二茂铁、少量未反应的二茂铁以及副产物二乙酰二茂铁，利用混合物各组份溶解性的不同可以通过萃取或洗涤抽滤的方法得到粗产物。首先，反应混合物需趁热倒入冰水中才能进行粗产物的提取。若等反应液冷却后流动性将降低，会在瓶中硬化甚至结块，此时就只能用冰水浸泡搅拌。另外，如果使用有机溶剂浸泡，由于冷却后有机物包藏在大量的酸中，浸泡效果并不理想，并且如果使用有机溶剂，下一步还需要进行萃取洗涤，因此不建议使用这种操作。将反应混合物趁热倒入冰水中后，酸溶解于水中，而二茂铁及其衍生物在水中不溶。此时，只要搅拌程度好，反应混合物便不会结块，酸可以很好地溶解在水中，而二茂铁及其衍生物以固体的形态析出。中和后进行抽滤，这样操作更便捷，并且避免了乙醚或二氯甲烷等有机萃取溶剂的使用。

（5）酸的中和：使用NaHCO3中和酸。酸的来源有两部分：磷酸和乙酸酐分解产生的乙酸。通过计算NaHCO3理论量可以帮助学生较好地把握实验中NaHCO3的实际用量。

①中和磷酸所需NaHCO3理论用量计算：

H3PO4+3NaHCO3=Na3PO4+3CO2+3H2O

其中，H3PO4相对分子质量：98；NaHCO3相对分子质量：84；85%磷酸密度：1.69 g·mL－1

使用H3PO4的质量：

m（H3PO4）=2×1.69×0.85=2.9 g

中和磷酸所需NaHCO3质量：

m1（NaHCO3）=84×3×2.9÷98=7.4 g

②中和乙酸所需NaHCO3理论用量计算：

中和乙酸酐分解的乙酸量是二茂铁乙酰化后剩余量。反应中使用二茂铁0.016 mol，乙酸酐0.1 mol。产生的乙酸的物质的量：

n（乙酸）=0.1×2－0.016=0.184 mol

中和乙酸所需NaHCO3质量：

m2（NaHCO3）=0.184 mol×84=15.5 g

③所需NaHCO3总量：

m（NaHCO3）=m1+m2=7.4+15.5=22.9 g

为防止中和操作时产生的CO2使混合液冲出烧杯，选用较大的400 mL烧杯，且刚开始加入速度要慢，同时充分搅拌。刚开始加入时由于有气泡溢出，在液体表面会很快形成泡沫层，导致加入的NaHCO3粉末浮在泡沫层而与液体接触不良，需将其搅拌进入溶液体系。另外，由于反应混合物颜色深并且浑浊，操作中使用的冰水又会使中和反应进行较慢，造成碳酸氢钠固体沉积，操作中需等加入的NaHCO3粉末消失后再继续加入。另外，如学生在操作中只注意pH的变化，而不注意碳酸氢钠是否反应完全，除造成试剂浪费外还会导致抽滤得到的粗产物含盐。因此当NaHCO3粉末加入后，应在其周围产生的气泡很少时再开始检测混合物的pH，直至中性。

（6）产物的分离纯化。粗产物中有机物的成分以及柱色谱条件用薄层色谱确定，产物用柱色谱分离。本反应粗产物组分简单，极性差别大，可使用短柱分离。

由于二茂铁类各组分在洗脱剂中溶解性良好，并且Rf值差别大，为简便起见，粗产物干燥研细后直接干法上样，分段洗脱。选择每次仅能洗脱1种组分的洗脱剂，石油醚和己烷类低极性溶剂可以容易地洗脱二茂铁。当二茂铁全部洗脱后，再改用正己烷-乙酸乙酯混合液洗脱乙酰二茂铁。粗产物与吸附剂质量比可取1:30甚至1:20，当用石油醚或己烷类溶剂洗脱时，黄色色带与橙黄色色带都会有明显的分离。粗产物必须干燥彻底，否则会使样品无法研细成粉末，水的混入也会改变洗脱剂的组成和吸附剂的活性，这些都将严重影响层析分离效果。

（7）产物的波谱分析［6，7］。1H NMR测定选择CDCl3溶剂，TMS内标，溶剂残存质子峰为7.26；IR测定采用KBr压片法。

1HNMR中乙酰二茂铁的氢分为两部分：二茂铁氢和甲基氢，谱图上区分明显。甲基氢为2.41处单峰，积分为3H。4－5区间的峰为二茂铁氢，分为3组，积分比例为2:2:5。无取代茂环电子云密度大，屏蔽作用强，在高场出现，根据积分值5H也很容易进行归属。剩余两组峰位于4.77和4.51处，积分都是2H，相互间有耦合关系，J=3.8 Hz，与取代茂环上的氢分为乙酰基邻位和间位两组相符。羰基具有磁各向异性，其所在平面为去屏蔽区域；同时羰基与茂环共轭后电子将向羰基转移，对邻位的影响更大。因此取代茂环氢较无取代茂环氢位于低场，化学位移大。4.77峰为茂环上乙酰基邻位氢，4.51峰为茂环上乙酰基间位氢。

红外谱图中可见比较强的二茂铁特征峰：C-H键的伸缩振动峰3079 cm－1，茂环骨架特征吸收峰1467、1102、1007 cm－1，C—H键的变形振动峰830 cm－1，Fe-C伸缩振动峰502 cm－1。羰基的伸缩振动峰在1662 cm－1，由于与茂环共轭，使其伸缩振动移向低波数。甲基C-H键的伸缩振动峰非常弱，其变形振动峰1378 cm－1明显。

5　结语

综合化学实验课程是基础实验与科学研究实验之间的一座桥梁，使得原来在各分离的基础化学实验中学到的操作和知识能够进一步整合和灵活运用。根据具体的实验教学条件和学生的操作能力情况，乙酰二茂铁的合成和表征实验是训练体系非常完整的综合实验。通过文献查阅使学生对金属有机化学起源、发展和应用前景有全面的了解。学生在具体的实验中，不能停留在只按照教材提供的操作方法逐步完成实验，而应在文献查阅的基础上了解反应条件是如何确立的以及后续的分离和纯化中每一步操作的目的是什么。通过波谱分析掌握如何确定化合物结构。所有这些过程的完成都需要学生独立发现、分析并解决问题，对学生实验能力的提高和科研素质培养非常有利，体现了培养和提高学生科学研究模式和思维训练的教学目标。

［1］任红艳，李广洲，宋心琦.大学化学，2003，18（6），57.

［2］李保国，张海波.化学试剂，2001，23（5），292.

［3］肖豪英，刘正恒，邵耀民，肖若鉴.华东纺织工学院学报，1985，11（2），59.

［4］高松平，张俊祥，李冰.华北工学院学报，2004，25（4），281.

［5］卓馨.宿州学院学报，2006，21（6），97.

［6］李保国，边占喜，李海涛，李逢泽.化学试剂，2000，22（5），271.

［7］李纯毅，付渊，王晓莉，张俊生.内蒙古石油化工，2013，No.17，17.

Synthesis and Characterization of Acetylferrocene：
Detailed Analysis of a Comprehensive Chemistry Experiment

BAI Yin-Juan*NAN Zhi-XiangLI Jun
（College of Chemistry&Materials Science，Northwest University，Xiʹan 710127，P.R.China）

The acetylation，purification and characterization of a typical comprehensive chemistry experiment"the synthesis and characterization of acetylferrocene"were described in this paper.The details of reactants addition，reaction temperature control，neutralization，TLC monitoring，column chromatography and characterization of the product with infrared spectrum and hydrogen nuclear magnetic resonance spectrum were investigated.Instruction for students on how to plan comprehensive chemistry experiment，improve the ability for observing，analyzing and solving problems were discussed.

Acetylferrocene；Synthesis；Characterization；Comprehensive experiment

O6；G64

10.3866/PKU.DXHX201510011

，Email:baiyinjuan@nwu.edu.cn

国家理科基地人才培养基金（J1210057）；陕西省精品课程：综合化学实验