二茂鐵衍生物的合成及其電化學應用

朱崇秀，喬慶東，李 琪，宋之林，楊占旭

（遼寧石油化工大學 石油化工學院， 遼寧 撫順 113001）

二茂鐵是一種金屬有機絡合物，具有夾心結構，因此它的衍生物的結構和性質的具有很多特殊性，主要體現在以下的四個方面：（1）具有芳香性，易發生親電取代反應，容易引入各種基團。（2）穩定性好且毒性低，有多種生理活性可用于抗腫瘤、殺菌、抗炎、調節植物生長、酶抑制劑等。（3）具有親油疏水性，可作為治療疾病的藥物,因為它可與細胞內的各種酶、DNA、RNA等物質發生作用（4）具有氧化還原的可逆性，通過控制其衍生物的光化學特性就可以制備帶有特殊功能的光學、電化學材料。二茂鐵衍生物主要被用在功能材料、電化學傳感器、生化與醫藥等多個領域有所涉及。下面主要介紹了目前合成出的幾類二茂鐵衍生物及其在電化學方面的應用進展。

1 二茂鐵衍生物的合成研究

二茂鐵衍生物種類繁多，目前合成的衍生物主要包括單、多核二茂鐵配合物、二茂鐵基聚合物、二茂鐵分子樹絡合物、手性二茂鐵配合物、二茂鐵簇狀衍生物等[1]。這里只介紹幾個重要的中間體及其有代表性的反應。

1.1 小分子二茂鐵衍生物的合成

二茂鐵不容易發生加成反應，但發生親電取代反應卻比苯容易的多，這是它突出的芳香性。因此，它可與 N-甲基甲酰胺在三氯氧磷催化下發生甲酰化反應，生成二茂鐵甲醛；與甲醛、二甲胺在甲酸的催化下發生 Mannich反應生成二甲胺甲基二茂鐵；與二氧化碳在三氯化鋁催化下作用生成二茂鐵甲酸，這些都能證明二茂鐵比苯的反應活性高。此外，它還可以發生芳基化反應，與芳基重氮鹽反應生成芳基二茂鐵，這是自由基取代反應。

乙酰基二茂鐵是由二茂鐵利用傅-克酰基化反應合成得到的。它是合成二茂鐵衍生物的重要中間體，既可還原為乙基二茂鐵或羥乙基二茂鐵，又可氧化為二茂鐵甲酸；與碳酸二乙酯縮合得到的二茂鐵丙酸；還可以發生加成反應，它的α-甲基能與醛酮縮合，生成α、β-不飽和酮，與羧酸酯縮合得到β-二酮，還能發生Mannich反應生成β-氨基酮；還能與環戊二烯或茚縮合，生成二茂鐵基富烯[2]，與肼縮合生成腙。

二茂鐵甲醛可以發生芳香醛的反應，從而制備二茂鐵甲醛、α-二茂鐵基烷基醇、二茂鐵丙酸、二茂鐵西佛堿、β-二茂鐵基-α氨基酸、烯基二茂鐵及其α、β-不飽和酮等二茂鐵衍生物。它可以與α-氨基酸及其酯縮合，生成的二茂鐵亞胺基酸可以用做補血劑，還能與乙酰基二茂鐵的α-甲基發生縮合反應，例如，1,1’-二甲酰基二茂鐵與 1,1’-二乙酰基二茂鐵在堿存在下縮合得到雙二茂鐵環烷[3]。

二茂鐵甲酸與醇反應生成酯；與三氯化磷或三氯氧磷反應生成酰氯，二茂鐵羧酸酰氯與胺反應生成酰胺，后者還原得二茂鐵基脂肪胺；與氮丙啶反應生成酰基氮丙啶。β-二茂鐵丙酸經三氟乙酸酐脫水關環，生成α-[酮]三亞甲基二茂鐵。γ-二茂鐵基羧酸發生同環環化得到茂并環酮。

1.2 雙二茂鐵基衍生物的合成

雙二茂鐵基衍生物的合成有兩種方法：一種是雙二茂鐵（biferrocenyl或 biferrocene）多由氯汞基二茂鐵制備，對它們的化學反應研究不多，主要研究它們的電化學性質和雙二茂鐵正離子的物理化學性質；另一種雙二茂鐵基衍生物是兩個二茂鐵基連在一個脂肪碳上的化合物，它們是由二茂鐵（或烷基二茂鐵）與醛酮縮合的產物。美國最先合成出來的2,2-雙（乙基二茂鐵基）-丙烷（GFP）最為人們所熟知，把它應用于固體推進劑燃速催化，是一種揮發度小，熱穩定性好的高效的燃速催化劑。1988年，唐大森等[4]對偕-雙-（二茂鐵基）-烷烴（含GFP）的結構與物理相關性、合成方法、反應機理及產物在推進劑等方面的應用進行了歸納與討論。繼中國科學院上海有機化學研究所進行的相關研究后，邊占喜和王曉莉等[5-6]合成出了雙（烷基二茂鐵基）丙烷，通過對其在燃速催化應用方面的研究發現：單烷基二茂鐵基丙烷和雙烷基二茂鐵基丙烷的燃速催化效率均隨著烷基碳鏈增長表現出緩慢下降的趨勢。

1.3 二茂鐵聚合物的合成

將小分子二茂鐵衍生物與高分子聚合物通過縮合反應生成二茂鐵聚合物，能達到對原來的高分子聚合物進行結構修飾從而改性的目的，主要是利用二茂鐵衍生物結構的特殊性質。劉玉婷課題組通過酰基二茂鐵與殼聚糖縮合，把二茂鐵引入到殼聚糖內而使其具有更加的優越性。而以二茂鐵衍生物為聚合單體得到的二茂鐵基聚合物也是研究者想探索的領域，自Manners小組[7-9]開創性的首先采用熱引發的開環聚合（ROP）法合成出了具有高分子量的聚二茂鐵硅烷以來，克服了長期以來缺少聚合單體的困難。學術界通過研究二茂鐵基聚合物的合成方法和聚合機理，現在主要發展熱引發ROP、陰離子引發ROP、陽離子引發ROP、過渡金屬離子催化ROP和親核試劑輔助ROP等5種方法。國內也進行了很多了合成研究，主要有王學杰等[10]合成了聚二茂鐵二甲基硅烷（PFDMS）、聚二茂鐵甲基苯基硅烷（PFMPS）、聚二茂鐵甲基（3-二乙胺）苯氧基硅烷（PFMDEAS）、聚二茂鐵甲基（4-甲酸丁酯基）苯氧基硅烷（PFMBOCS）和聚二茂鐵甲基（4-二甲胺基）苯基硅烷（PFMDMAS），其中PFMBOCS、PFMDEAS、PFMDMAS是國內最新合成的聚合物，并把它們制成膜研究電化學性質。

2 二茂鐵衍生物的電化學性質及應用

2.1 二茂鐵衍生物的電化學性質

二茂鐵衍生物能表現出特殊的電化學性質是因為含有二茂鐵基的緣故，能在電化學方面有著那么廣泛的應用，主要是因為二茂鐵具有高度富電子體系，且存有一對易受環境影響的可逆氧化還原電子，表現出可逆氧化還原特點。與二茂鐵組成共軛體系的二茂鐵衍生物表現出很好的二階非線性光學性能。二茂鐵基團的氧化還原可逆特性有可能通過電化學可逆特性來控制其衍生物的光化學特性，實現氧化還原開關效應。這類氧化還原開關材料在電致變色，光電記憶和光通訊領域具較大的應用潛能[11]。

電子取代基會影響二茂鐵及其衍生物的電化學性質，取代基吸電子能力越強，相應的二茂鐵陰離子存在時間就越長，峰電流就越大。二茂鐵基中的Fe(Ⅱ)被氧化的難易程度也取決于取代基的性質。但是，金屬之間的相互作用比取代基對電化學性能的影響更大。劉萬毅[12]等對烷基橋聯雙二茂鐵酰基取代衍生物的電化學性質進行了研究，表明分子穩定構象對該類分子體系的茂鐵基電化學行為具有決定性影響，而不是以橋頭碳為中心的橋聯茂鐵烷基的推電子誘導效應，另外分子的空間構型對電化學性質也有一定的影響，在茂環上引入酰基取代基，使得分子結構發生變化，表現出典型的雙組分氧化還原特征。已合成出的以二茂鐵為單元合成的氧化還原大環化合物的循環伏安圖表明只能進行一個氧化還原過程，與所含的二茂鐵單元數有關。

2.2 二茂鐵衍生物在電化學方面的應用

2.2.1 在電化學修飾電極方面的應用

（1）二茂鐵衍生物修飾電極在生物傳感器中的應用：由于二茂鐵性質穩定不受環境中氧濃度的變化影響，在水中的溶解度小，電子傳遞速度快，氧化還原電位低，在第二代生物傳感器中作為優良的電子媒介體被廣泛的應用。可以利用相應的各種酶來測定葡萄糖、乳糖、半乳糖、谷氨酸、吲哚乙酸等[13]。Gass等[14]把1,1’-二甲基二茂鐵和葡萄糖氧化酶通過吸附的方法固定在石墨電極表面制成二甲基二茂鐵-葡萄糖氧化酶修飾電極，由于二茂鐵衍生的優越性使這種傳感器的響應速度快、檢測靈敏度高。

（2）二茂鐵衍生物修飾電極在離子分析中的應用：二茂鐵衍生物選擇性與陰離子作用后，電位發生變化從而實現對離子的分析測定的測定。程廣軍[15]等人詳細研究了10-二茂鐵-1-癸硫醇（HSC10Fc）在金基底上自組裝單分子膜的電化學行為，發現其氧化峰位與陰離子濃度的對數呈線性關系。

另外，氧化還原型二茂鐵大環化合物在絡合時使氧化還原活性中心作出相應的電化學響應，也可以識別一些陽離子。Moutet[16]等通過對堿金屬離子對二茂鐵二胺衍生物的電化學行為的影響的研究，得到它可以選擇性配合Li+。二茂鐵烷基苯衍生物在Ca2+干擾下，能選擇性識別Mg2+。

（3）二茂鐵衍生物修飾電極在有機物分析中的應用：二茂鐵衍生物修飾電極的膜中有氧化還原中心，能促進電子的轉移速率。多巴胺在碳電極上反應遲緩，過電位高，用二茂鐵衍生物修飾電極可以解決這個難題。楊慶華[17]等制備了甲酸二茂鐵的Nafion化學修飾電極，修飾電極的穩定性與催化穩定性都較好，DA在2.0×10-5～1.5×10-3mol/L范圍內，催化峰電流與DA濃度呈良好的線性關系，可以應用于分析 DA。最近，也有報道二茂鐵及其衍生物修飾電極對兒酚的研究。Wang[18]等用二茂鐵烷基胺衍生物制成無機/有機混合膜，在 0.1 mol/L KClO4中，可用于分析少量的兒茶酚。

（4）二茂鐵衍生物修飾電極在無機物分析中的應用：隨著修飾電極的發展，二茂鐵修飾電極可以應用于無機物分析。與多酸超分子、電荷轉移配合物形成的二茂鐵修飾電極對過氧化氫具有電催化作用生成的峰電流與被測物濃度成比例，可以用于對它的分析測定。張修華[19]等研究了二茂鐵 磷鉬鎢雜多酸超分子膜電極在2.0 mol/L H2SO4溶液中的電化學行為，發現它對過氧化氫具有良好的電催化作用，且電流隨濃度的增加而增大。

2.2.2 二茂鐵衍生物在電催化和電化學標記物中的應用

電催化是使電極、電解質界面上的電荷轉移加速反應一種催化作用。二茂鐵衍生物具有良好的電子效應和獨特的剛性骨架，催化效果好。與二茂鐵相連的雜原子的取代基可以和一些過渡金屬離子形成的絡合物具有催化活性。二茂鐵羧酸可用于電催化魯米諾化學發光免疫分析，用于電化學治理海底生物惡臭和生物污濁。因為二茂鐵衍生物有催化作用，可以在有多巴胺的情況下測定抗血酸。

核酸的結構分析和測試是日益受到重視的基因工程中急于要解決的問題之一。為了要查明有問題的DNA，需要對其進行標記。傳統標記法存在一些弊端，有人用DNA電化學傳感器對有問題的DNA分子進行識別。徐春[20-21]等制備出了二茂鐵標記DNA探針，并研究了其電化學的性質，二茂鐵標記DNA探針的制備方法簡便快速、標記的效率高、重現性好、壽命長，解決了傳統標記法的問題。

2.2.3 二茂鐵衍生物在電化學分子識別中的應用

二茂鐵具有可塑性強的特殊骨架，因此以其作為結構單元設計合成的二茂鐵大環化合物的研究十分活躍。Beer[22]等第1次研究了二茂鐵大環多胺衍生物對Ni2+、Cu2+和Zn2+等過渡金屬陽離子電化學識別的研究，為發展選擇性傳感器提供了可能。人們最近幾年還研究一些帶有氮、氧雜原子取代基的開鏈二茂鐵也能類似的化學識別一些金屬離子[23-25]。

3 展 望

以上是近幾年二茂鐵衍生物的合成研究以及在電化學方面的應用研究情況，雖然二茂鐵的研究已經取得了很多有意義的進展，但是合成以二茂鐵為骨架具有特殊性能的大環化合物，并深入研究其結構和電化學性能間的關系將是未來的發展趨勢。二茂鐵及其衍生物化學修飾電極在傳感器領域中的應用仍需拓寬，比如研制系列藥物傳感器檢測藥物，穩定的微型化的電化學傳感器仍是以后我們努力的方向。相比較外國對二茂鐵衍生物的應用與研究，國內的研究的深度還不夠有待進一步提高。

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