新型含二茂鐵有機配合物的合成及其電化學性質

肖文杰, 曹海泳, 林 艷, 劉文琴, 萬屏南, 崔漢峰

(江西中醫(yī)藥大學 藥學院，江西 南昌 330004)

二茂鐵為具有夾心型結構和高度富電子的芳香性化合物，一直受到科研工作者的密切關注[1-9]。近年來，二茂鐵逐漸成為金屬有機化學和配位化學中最重要的化合物之一，由于其熱穩(wěn)定性好，反應活性高，較易進行結構修飾，且在大多數(shù)常見溶劑中可經(jīng)受可逆的單電子氧化，具有易受環(huán)境影響的可逆氧化還原電對，便于分子內(nèi)電子傳遞等優(yōu)點，利用二茂鐵特殊的化學、物理性質，在二茂鐵中引入不同的基團分子，從而得到新的具有特殊性能的化合物已成為近年來二茂鐵化學研究熱點之一。

Suzuki偶聯(lián)反應是鈀配合物催化的鹵代芳烴、烯烴與芳基、烯基硼酸間的交叉偶聯(lián)反應，廣泛用于聯(lián)苯類、多烯烴和苯乙烯類化合物的合成[10-17]。

本文以二茂鐵為起始原料，經(jīng)氯汞化反應、溴代反應、Suzuki偶聯(lián)反應、水解反應和取代反應等5步反應合成了一種新型的含二茂鐵結構單元的有機配合物(7)，其結構經(jīng)1H NMR、13C NMR、 IR和HR-MS(ESI-TOF)表征。并對目標化合物的電化學性質進行了研究。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

WRS型熔點儀；WFH-204B型手提式紫外分析儀；Bruker AVANCE III HD 600 MHz型核磁共振儀(CDCl3或DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標)；TripleTOF5600型高分辨飛行時間質譜聯(lián)用儀。

二茂鐵、N-溴代丁二酰亞胺(NBS)、醋酸鈀、三苯基膦、N-羥基丁二酰亞胺(98%)，阿法埃莎(中國)化學有限公司；3,5-二乙氧羰基苯硼酸(98%)，蘇州蘇凱路化學科技有限公司；醋酸汞、無水氯化鋰、三水合磷酸鉀，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 氯汞基二茂鐵(2)的合成

氬氣保護下，在250 mL的三口燒瓶中加入二茂鐵9.3 g(0.05 mol)和40 mL干燥苯，攪拌使其完全溶解;滴加醋酸汞7.87 g(0.025 mol)的無水甲醇(75 mL)溶液,滴畢，攪拌下反應10 h。滴加無水氯化鋰2.2 g(0.052 mol)的乙醇/水(V/V=1/1)的混合(20 mL)溶液，滴畢，攪拌下反應2 h；回流反應1 h。冷卻至室溫，抽濾，濾餅依次用石油醚和二氯甲烷洗滌，收集二氯甲烷洗液，蒸除溶劑得橙黃色固體2 8.85 g，收率42%, m.p.197～200 ℃(196～198 ℃[18])。

(2) 溴代二茂鐵(3)的合成

氬氣保護下，在250 mL的三口燒瓶中加入氯汞基二茂鐵4.21 g(10 mmol)和DMF 80 mL，攪拌使其溶解;冰浴冷卻下，滴加NBS 2.30 g(12.8 mmol)的DMF(40 mL)溶液，滴畢，攪拌下于0 ℃反應3 h(TLC監(jiān)測)。加入10%硫代硫酸鈉溶液30 mL，用石油醚(3×75 mL)萃取，合并有機相，依次用飽和食鹽水(3×50 mL)洗滌，無水硫酸鈉干燥，蒸除溶劑，粗產(chǎn)物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：A=石油醚/乙酸乙酯=40/1,V/V)純化得橘紅色油狀液體3 1.46 g，冷卻后得橘紅色晶體，收率55%, m.p.30～32 ℃(31～32 ℃[19]);1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 4.45(t,J=1.8 Hz, 2H, Cp-H), 4.26(s, 5H, Cp-H), 4.13(t,J=1.8 Hz, 2H, Cp-H);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 77.6(Cp-C), 70.6(Cp-C), 67.9(Cp-C), 67.1(Cp-C)。

(3) 化合物(5)的合成[20]

氬氣保護下，在250 mL的三口燒瓶中加入3 1.32 g(5 mmol)， 3,5-二乙氧羰基苯硼酸(4)1.46 g(5.5 mmol)，醋酸鈀89.8 mg(0.4 mmol)，三苯基膦524 mg(2 mmol),三水合磷酸鉀13.25 g(50 mol)和1, 4-二氧六環(huán)(脫氣)80 mL，攪拌使其溶解；于80 ℃反應24 h(TLC監(jiān)測)。加入飽和食鹽水30 mL，用硅藻土過濾，除去黑色殘渣，分液，水相用乙酸乙酯(3×40 mL)萃取，合并有機相，依次用飽和食鹽水(3×40 mL)洗滌，無水硫酸鈉干燥，蒸除溶劑，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：A=20/1)純化得黃色黏稠液體5 1.53 g，收率75%;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.50(t,J=1.8 Hz, 1H, ArH), 8.31(d,J=1.2 Hz, 2H, ArH), 4.78(t,J=1.8 Hz, 2H, Cp-H), 4.46(q,J=1.2 Hz, 4H, CH2), 4.41(t,J=1.8 Hz, 2H, Cp-H), 4.07(s, 5H, Cp-H), 1.47(t,J=7.2 Hz, 6H, CH3);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 166.0(C=O), 140.9(Ar-C), 131.1(Ar-C), 130.8(Ar-C), 127.7(Ar-C), 83.1(Cp-C), 69.8(Cp-C), 69.6(Cp-C), 66.8(Cp-C), 61.4(CH2), 14.4(CH3); IRν: 2981, 1722, 1605, 1367, 1322, 1304, 1238, 1134, 1102, 1031 cm-1; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C22H22O4Fe[M+]406.0868, found 406.0867。

(4) 化合物(6)的合成[19, 21]

在100 mL的圓底燒瓶中，加入化合物5 0.20 g(0.5 mmol)、四氫呋喃30 mL和甲醇30 mL，攪拌使其溶解；緩慢滴加10%氫氧化鈉溶液10 mL，滴畢，攪拌下反應過夜(TLC檢測)。減壓蒸除部分溶劑，殘余物用稀鹽酸調至pH≈5，析出大量固體，抽濾，濾餅真空干燥得淡黃色固體6 0.14 g，收率80%, m.p.>240 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 13.31(brs, 2H, OH), 8.30(t,J=1.8 Hz, 1H, Ar-H), 8.24(d,J=1.8 Hz, 2H, Ar-H), 4.91(s, 2H, Cp-H), 4.45(s, 2H, Cp-H), 4.06(s, 5H, Cp-H);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 167.1(C=O), 141.1(Ar-C), 132.0(Ar-C), 130.6(Ar-C), 127.8(Ar-C), 83.1(Cp-C), 70.1(Cp-C), 70.0(Cp-C), 67.1(Cp-C)； IRν: 3506, 2996, 1770, 1759, 1691, 1373, 1316, 1245, 1106, 1055 cm-1; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C18H14O4Fe{[M-H]-}350.0242, found 350.0278。

(5) 化合物(7)的合成

氬氣保護下，將1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)1.05 g(5.5 mmol)加入化合物6 1.75 g(5 mmol)和N-羥基琥珀酰亞胺1.26 g(11 mmol)的DMF(10 mL)溶液中，攪拌下反應至終點(TLC跟蹤)。加入適量水，抽濾，濾餅用水洗滌，真空干燥得固體化合物7 2.03 g，收率75%;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.70(t,J=1.2 Hz, 1H, Ar-H), 8.45(d,J=1.2 Hz, 2H, Ar-H), 4.77(t,J=1.8 Hz, 2H, Cp-H), 4.47(t,J=1.8 Hz, 2H, Cp-H), 4.11(s, 5H, Cp-H), 3.51(s, 8H, CH2);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 168.9(C=O), 160.9(C=O), 143.1(Ar-C), 133.1(Ar-C), 128.9(Ar-C), 126.4(Ar-C), 81.4(Cp-C), 70.3(Cp-C), 70.0(Cp-C), 66.9(Cp-C), 25.7(CH2); IRν: 3439, 2996, 1765, 1741, 1604, 1362, 1233, 1195, 1105 cm-1; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C26H20N2O8Fe{[M-H]-}544.0569, found 544.0587。

1.3 電化學性質測試

采用三電極體系測試電化學性質。以玻碳電極為工作電極，鉑電極為對電極，Ag+/Ag為參比電極。以1 × 10-3mol·L-1PBS溶液為電解液，掃描速度為0. 06 V·s-1，掃描范圍為-0.20～0.6 V，被測底物濃度為1 × 10-3mol·L-1。首次測試前玻碳電極表面依次用0.3 μm和0.05 μm Al2O3拋光，然后用二次水超聲洗滌，測定前通氮氣15～20 min除氧。

2 結果與討論

2.1 合成

合成2時，應嚴格控制二茂鐵、醋酸汞和無水氯化鋰的用量，二茂鐵和醋酸汞的最佳摩爾比為2/1，無水氯化鋰的用量比二茂鐵稍過量即可。該反應中，醋酸汞過量會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物二氯汞基二茂鐵；醋酸汞用量不足時會有較多的二茂鐵剩余。此外，根據(jù)反應體系中各物質溶解性的差異，收集到的固體粗品，先用大量的石油醚洗滌以除去未反應的二茂鐵，此時氯汞基二茂鐵和二氯汞基二茂鐵均不溶解；再用大量的二氯甲烷洗滌得到所需產(chǎn)物氯汞基二茂鐵，而副產(chǎn)物在二氯甲烷中幾乎不溶。

2.2 反應條件優(yōu)化

以2和4為底物，考察了催化劑、配體、溶劑、堿及其反應溫度對反應的影響，結果見表1。從表1可見，以三水合磷酸鉀為堿，1, 4-二氧六環(huán)為溶劑時，催化劑和配體對產(chǎn)率影響較大(No.1～4)，無配體時，反應幾乎不能發(fā)生(No.1)；當用Pd(OAc)2/PPh3和Pd(PPh3)4時均能獲得較高的產(chǎn)率(No.2和3)，由于Pd(PPh3)4易被氧化，存貯和使用不便，所以選用Pd(OAc)2/PPh3作為催化體系。另外，我們考察了乙醇、DMF、 THF、 1,4-二氧六環(huán)等溶劑對反應產(chǎn)率的影響(No.2、 5～7)，從表中可知，以1,4-二氧六環(huán)為溶劑，反應效果較好(No.2)。堿對反應也有一定影響(No.2、 8、 9)，當用無水K3PO4為堿時(No.8)，反應產(chǎn)率較低，表明水在反應中起到了積極的作用；然而當用2 M 的K2CO3水溶液時反應也能順利發(fā)生(No.9)，只是產(chǎn)率有所降低。降低反應溫度時(No.10)，反應產(chǎn)率顯著降低。

表1 反應條件的優(yōu)化Table 1 Optimization of the reaction condition

Potential/V

表2 化合物6和化合物7的電化學數(shù)據(jù)

2.3 電化學性質

圖1 為化合物6和7 的循環(huán)伏安曲線。由圖1可見，化合物6(實線)和化合物7(虛線)在-0.2～0.6 V均只有一對氧化還原峰。化合物6和化合物7均發(fā)生了單電子氧化還原，對應于Fc+/Fc電對的電子轉移。化合物6和7的電化學數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，化合物6的陰極峰的電位Epc=0.201 V(vs Ag+/Ag)，陽極峰的電位Epa=0.311 V(vs Ag+/Ag)，E1/2=0.257 V；化合物7的陰極峰的電位Epc=0.207 V(vs Ag+/Ag)，陽極峰的電位Epa=0.389 V(vs Ag+/Ag)，E1/2=0.299 V。比較可知，在引入N-羥基琥珀酰亞胺后，化合物6的 E1 /2小于化合物7，表明化合物6更易失去電子，具有較高的氧化還原活性。這可能是引入N-羥基琥珀酰亞胺后，共軛效應減弱，整個分子體系中電子離域的程度較小，不容易失去電子，因此氧化還原活性減弱。

以二茂鐵為起始原料，經(jīng)5步反應合成了一種新型的含二茂鐵結構單元的有機配合物(7)。該反應具有反應條件溫和，反應產(chǎn)率較高，操作和后處理簡單等優(yōu)點。研究化合物6和7的電化學性質時發(fā)現(xiàn)，引入N-羥基琥珀酰亞胺會影響化合物的氧化還原活性。