Struttura del ferrocene
Fonte: Tamara M. Powers, Dipartimento di Chimica, Texas A & M University
Nel 1951, Kealy e Pauson riferirono a Nature la sintesi di un nuovo composto…
1. Cracking del ciclopentadiene dimero (Figura 3)
Cyclopentadiene subisce una reazione Diels-Alder con se stesso per dare diciclopentadiene. Questa reazione è reversibile, quindi il cracking viene effettuato utilizzando il principio di La Châtelier per guidare la reazione inversa distillando il monomero ciclopentadiene (b.p. 42 °C) lontano dal dimero diciclopentadiene (b.p. 170 °C). La reazione di dimerizzazione è lenta quando il ciclopentadiene viene mantenuto freddo, ma deve essere preparato al momento per sintetizzare con successo il ferrocene.
- Per un matraccio a fondo tondo da 25 mL, aggiungere una barra di agitazione e 10 mL di dimero di diciclopentadiene.
ATTENZIONE: Fare attenzione a utilizzare solo diciclopentadiene e ciclopentadiene in una cappa aspirante perché sono entrambi prodotti chimici di puzza. - Attaccare il matraccio a fondo tondo a un apparecchio di distillazione frazionata (vedere il modulo "Distillazione frazionata" nella serie Essentials of Organic Chemistry) e metterlo in un bagno d'olio su una piastra calda di agitazione. Assicurati di avere le fiasche di raccolta in un bagno di ghiaccio. Bloccare l'apparecchio in posizione.
- Impostare la piastra calda a 160 °C e mescolare delicatamente la soluzione.
- Distillamento frazionario ~ 5 mL del monomero Cp dal dimero (39-42 °C).
Figura 3. Cracking di diciclopentadiene.
2. Sintesi del Ferrocene (Figura 4)
- Su un pallone Schlenk da 100 ml, aggiungere una barra di agitazione e 15 g di KOH finemente macinato.
ATTENZIONE: KOH è molto corrosivo e igroscopico! Il KOH deve essere macinato in una cappa ben ventilata e utilizzato immediatamente dopo la preparazione. - Aggiungere 30 mL di 1,2-dimetossietano al matraccio mescolando.
- Collegare il matraccio all'azoto e posizionare un setto di gomma sul collo del pallone.
- Mescolando sotto azoto, aggiungere 2,75 mL di ciclopentadiene tramite siringa. Lasciare mescolare per almeno 10 minuti prima dell'aggiunta del ferro.
- Mentre la reazione si muove, aggiungere una barra di agitazione, 3,25 g di FeCl2·4H2O macinato e 12,5 mL dmSO in un matraccio Schlenk separato da 50 mL. Metti un setto sul collo e mescola sotto azoto fino a quando tutto il ferro si è sciolto.
- La cannula trasferisce la soluzione di ferro alla soluzione ciclopentadienile sotto azoto a goccia nel corso di 30 minuti. Per una procedura più dettagliata, si prega di rivedere il video "Sintesi di un metallocene Ti(III) usando la tecnica della linea di Schlenk" in questa serie di chimica inorganica.
- Una volta completata l'aggiunta, mescolare per altri 30 minuti.
- Nel frattempo, in un becher raffreddare 45 mL di 6 M HCl aggiungendo ghiaccio tritato (50 g) direttamente alla soluzione.
- Una volta completata la reazione, versare la miscela sul liquame e mescolare per alcuni minuti. Dovrebbero formarsi cristalli arancioni.
- Raccogliere i cristalli su un imbuto Büchner (dotato di carta da filtro) e lavare il precipitato con acqua.
- Lasciare asciugare i solidi all'aria.
Figura 4. Sintesi del ferrocene.
3. Purificazione del Ferrocene. Purificare il prodotto per sublimazione (per una procedura più dettagliata, si veda il video "Purificazione del Ferrocene per Sublimazione").
4. Caratterizzazione del Ferrocene
- Preparare e raccogliere uno spettro NMR di 1H di ferrocene.
- Raccogliere uno spettro IR di ferrocene.
- Raccogli un voltammogramma ciclico del ferrocene (vedi il video "Voltammetria ciclica" nella serie Essentials of Analytical Chemistry).
La determinazione della struttura dei composti organometallici è fondamentale per comprendere la reattività di una data molecola. Vari modelli e tecniche consentono agli scienziati di chiarire i composti in questione, come ad esempio il ferrocene.
Il ferrocene, un composto organometallico, è stato riportato per la prima volta da Kealy e Pauson nel 1951. Hanno proposto una struttura consistente in un atomo di ferro con due legami singoli a due atomi di carbonio su anelli di ciclopentadiene separati.
Tuttavia, Wilkinson e Woodward suggerirono un'alternativa per la struttura del ferrocene, in cui l'atomo di ferro è "inserito a sandwich" tra due anelli ciclopentadieni, con uguale legame a tutti i 10 atomi di carbonio. La struttura proposta da Wilkinson è stata poi confermata dalla cristallografia a raggi X e dalla risonanza magnetica protonica.
Questo video illustrerà la regola dei 18 elettroni per prevedere la struttura dei complessi organometallici, la sintesi del ferrocene, la sua analisi spettroscopica ed elettrochimica e alcune delle sue applicazioni.
Quando si propongono strutture molecolari, considerare sempre la quantità di elettroni del guscio di valenza. Gli elementi del gruppo principale possono ospitare fino a 8 elettroni, mentre i metalli di transizione possono contenere fino a 18 elettroni nel suo guscio di valenza. I metalli di transizione hanno nove orbitali di valenza, orbitali 1 s, 3 p e 5 d, con due elettroni ciascuno. Con alcune eccezioni, i complessi di metalli di transizione con 18 elettroni di valenza sono composti altamente stabili.
Per determinare il numero totale di elettroni di un complesso di metalli di transizione, si possono utilizzare due modelli: il metodo ionico o quello covalente. Entrambi i metodi utilizzano le stesse classificazioni dei ligandi: i ligandi di tipo X includono gruppi anionici come alogenuri, idrossido o alcossido; I ligandi di tipo L includono donatori a coppia solitaria come ammine e fosfine; e i ligandi di tipo Z sono acidi di Lewis neutri, che sono accettori di coppie di elettroni. Per dimostrare i due modelli, usiamo Co(NH3)3Cl3 come esempio.
Si consideri l'atomo di Co, che si trova nel gruppo 9 della tavola periodica e ha 9 elettroni di valenza. Poiché lo stato di ossidazione del cobalto in questo complesso è +3, il numero totale di elettroni di valenza apportati è 6.
I ligandi di tipo X, essendo i 3 Cl, e i ligandi di tipo L, i 3 NH3, contribuiscono per un totale di 12 elettroni, mentre i ligandi di tipo Z non sono disponibili, per un totale di 18 elettroni.
Nel modello covalente lo stato di ossidazione del cobalto viene ignorato e la molecola non è ionica, risultando in un totale di 9 elettroni. I ligandi di tipo X donano un elettrone; I ligandi di tipo L donano due elettroni; e i ligandi di tipo Z, se presenti, non contribuiscono con nessuno, producendo anche un totale di 18 elettroni.
Il conteggio degli elettroni totali nel ferrocene è più complesso: l'atomo di ferro contribuisce con 8 elettroni di valenza, mentre gli anelli ciclopentadienici sono classificati come leganti di tipo L2X, fornendo 5 elettroni ciascuno, che provengono dai due doppi legami e da un radicale, per un totale di 18 elettroni. Mentre la struttura originale proposta da Pauson risulterebbe in soli 10 elettroni, a causa dei ciclopentadieni a legame singolo.
Ora che abbiamo discusso i principi della determinazione della struttura, sintetizziamo il ferrocene e identifichiamo quale struttura è corretta.
In una cappa aspirante, aggiungere un'ancoretta e 50 ml di diciclopentadiene a un pallone a fondo tondo da 100 ml bloccato. Collegare quindi il pallone a fondo tondo a un apparecchio di distillazione e metterlo in un bagno d'olio, con il pallone ricevente in un bagno di ghiaccio.
Impostare la piastra riscaldante su 160 ? C e mescolare delicatamente. Distillare frazionatamente circa 5 mL del monomero di ciclopentadiene, che deve essere mantenuto freddo.
Aggiungere a un pallone Schlenk da 200 ml etichettato A, una barra di agitazione e un KOH appena macinato. Quindi, aggiungere 30 ml di 1,2-dimetossietano, collegare il pallone a una linea N2 e inserirlo con un setto di gomma.
Agitando in un'atmosfera di N2, aggiungere alla soluzione 2,75 mL di ciclopentadiene tramite siringa e agitare per almeno 10 minuti.
In un pallone di Schlenk separato da 200 mL etichettato B, aggiungere FeCl2?4H2O macinato e 12,5 mL di DMSO. Quindi inserire un setto di gomma, attaccarlo a una linea N2 e mescolare in un'atmosfera N2 fino a quando tutto il ferro non si è sciolto.
Al termine di questo passaggio, inserire entrambe le estremità di un ago a doppia punta in ciascun pallone di Schlenk e trasferire la cannula nella soluzione di ciclopentadiene goccia a goccia per un periodo di 30 minuti.
Al termine della reazione, versare il composto in un becher contenente un impasto di 6 M HCl e 50 g di ghiaccio tritato e mescolare per qualche minuto. Raccogli i cristalli arancioni risultanti mediante filtrazione sottovuoto su un imbuto fritto, lava il precipitato con acqua ghiacciata e poi asciuga all'aria. Purificare i cristalli per sublimazione.
Successivamente, preparare un campione NMR del ferrocene purificato disciolto nel cloroformio-d. Utilizzare l'attacco ATR dello spettrometro a infrarossi per ottenere uno spettro IR. E, infine, raccogliere un voltammogramma ciclico del ferrocene in acetonitrile, a una velocità di scansione di 100 mV/s.
L'analisi NMR mostra un singolo picco a 4,17 ppm, che conferma che tutti gli atomi di idrogeno sono magneticamente equivalenti. Inoltre, lo spettro IR mostra un singolo allungamento di sp2 C-H a 3096 cm-1, confermando che gli atomi di idrogeno sono equivalenti e che la struttura di Wilkinson proposta è corretta.
Infine, diamo un'occhiata al CV del ferrocene, che mostra un singolo evento di ossidazione. Il semivalore E1/2 può essere calcolato prendendo la media del potenziale di picco catodico e del potenziale di picco anodico. Nell'acetonitrile, la coppia redox ferrocene/ferrocenio si verifica a un potenziale di 90 mV.
Ora che abbiamo discusso una procedura per la preparazione del ferrocene, diamo un'occhiata ad alcune delle sue applicazioni.
Le reazioni di accoppiamento incrociato catalizzate dal palladio sono un prezioso strumento sintetico nell'industria farmaceutica. Tuttavia, una comune reazione collaterale indesiderata è l'eliminazione del beta-idruro, che può essere minimizzata con l'uso di 1,1'-bis(difenilfosfino)ferrocene o dppf come agente chelante con PdCl2, formando [1,1'-Bis(difenilfosfino)ferrocene]dicloruro di palladio(II) abbreviato in (dppf)PdCl2.
La soppressione dell'eliminazione del beta-idruro e l'elevata resa del prodotto sono state attribuite all'ampio angolo di morso del ligando dppf. Con l'avvento del catalizzatore, reazioni come l'accoppiamento di Suzuki, sono possibili e tipicamente utilizzate per accoppiare gruppi alchilici primari utilizzando reagenti 9-BBN.
La facilità con cui il ferrocene può subire una sostituzione aromatica elettrofila, come nell'acilazione di Friedel-Crafts, o nella reazione formilazione/Mannich, lo ha reso una fonte promettente per candidati farmaci organometallici. Questi tipi di farmaci organometallici hanno suscitato interesse per la loro varietà strutturale. Ad esempio, gli M-areni possono supportare tre funzionalità e gli M-carbeni possono supportarne due.
Attualmente la ferrochina, che contiene elementi di ferrocene e clorochina, è in fase di valutazione come farmaco antimalarico commerciale. Inoltre, il ferrocifene, che si basa sugli elementi del ferrocene e del tamoxifene, è attualmente in fase di sperimentazione clinica come potenziale farmaco per il cancro al seno. Inoltre, si stanno compiendo sforzi per lo sviluppo di analoghi nucleosidici del ferrocene nello studio delle vie del DNA/RNA.
Avete appena visto l'introduzione di JoVE alla struttura del ferrocene. A questo punto dovresti comprendere la regola dei 18 elettroni, la sintesi e la caratterizzazione del ferrocene e molte delle sue applicazioni. Grazie per l'attenzione!
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Q1: What is the 18-electron rule and why is it important for transition metal complexes?
The 18-electron rule states that transition metal complexes with 18 valence electrons in their outer shell are highly stable compounds. Transition metals have nine valence orbitals—one s, three p, and five d orbitals—each holding two electrons. This rule helps predict the structure and stability of organometallic complexes like ferrocene.
Q2: How do the ionic and covalent models differ when counting electrons in transition metal complexes?
The ionic model considers the metal's oxidation state and counts electrons from ligands based on their type: X-type ligands contribute one electron, L-type ligands contribute two electrons, and Z-type ligands contribute none. The covalent model ignores oxidation state and treats the complex as molecular rather than ionic, yielding the same total electron count.
Q3: Why did Wilkinson's sandwiched structure of ferrocene replace Pauson's original proposal?
Pauson's original structure proposed single bonds between iron and cyclopentadiene, yielding only 10 electrons. Wilkinson's sandwiched structure, where iron binds equally to all 10 carbon atoms, produces 18 electrons, satisfying the 18-electron rule. X-ray crystallography and proton NMR confirmed Wilkinson's structure as correct.
Q4: What do NMR and IR spectroscopy reveal about ferrocene's structure?
Proton NMR shows a single peak at 4.17 ppm, confirming all hydrogen atoms are magnetically equivalent. IR spectroscopy displays a single sp2 C-H stretch at 3096 cm-1, indicating equivalent hydrogens. Both results support Wilkinson's sandwiched structure where all 10 carbon atoms are equally bonded to iron.
Q5: How is ferrocene synthesized and purified in the laboratory?
Ferrocene is synthesized by reacting cyclopentadiene with FeCl2 in DMSO under nitrogen atmosphere using Schlenk line techniques. The product is precipitated in acidic ice, collected by vacuum filtration, and washed with cold water. The crystals are then purified by sublimation concept purification ferrocene applications to obtain pure ferrocene.
Q6: What does cyclic voltammetry reveal about ferrocene's electrochemistry?
Cyclic voltammetry of ferrocene shows a single oxidation event, indicating one reversible redox process. The ferrocene/ferrocenium couple occurs at a half-wave potential of 90 mV in acetonitrile, calculated by averaging the cathodic and anodic peak potentials. This single peak confirms the symmetrical sandwiched structure.
Q7: How is ferrocene used in pharmaceutical and catalytic applications?
Ferrocene derivatives serve as chelating ligands in palladium-catalyzed cross-coupling reactions, with dppf suppressing undesired beta-hydride elimination. Ferrocene's ease of electrophilic aromatic substitution enables synthesis of organometallic drug candidates like ferroquine for malaria treatment and ferrocifen for breast cancer clinical trials.