二茂铁衍生物的合成在有机化学教学中的实例应用

摘 要：二茂铁作为一类芳香性化合物,具有丰富的反应性.笔者曾以二茂铁为原料,经9步反应合成了14种二茂铁二元羧酸单酰胺化合物,其中涉及Friedel-Crafts反应、卤仿反应、酯化、还原、亲核取代及羧酸衍生物的相互转化等.在教学中结合二茂铁化学的科研实践讲解相关反应,不仅加深了学生对相关反应的理解,同时激发了学生对有机合成的兴趣,收到了良好的教学效果.

关 键 词：有机化学；教学实例；二茂铁衍生物

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1002-4107（2013）05-0019-02

自1951年二茂铁发现以来,就以其独特的结构和性质引起人们的极大关注,对二茂铁及其衍生物的研究方兴未艾.作为一类非苯芳香化合物,二茂铁具有与苯类似的反应性.多年来笔者所在课题组一直从事二茂铁及其衍生物的合成及应用研究,许多经典有机反应在二茂铁衍生物的合成中得到了成功应用.作者在有机化学的教学中常结合一些科研实践讲解相关反应,其中以二茂铁为原料经9步反应合成系列二茂铁二元羧酸单酰胺化合物的工作中,涉及了Friedel-Crafts反应、卤仿反应、酯化、还原、亲核取代及羧酸衍生物的相互转化等重要的有机反应（如图1所示）.这一合成实例对掌握有机化合物结构理论、典型有机反应、重要合成方法和某些重要中间体的应用等具有良好的教学效果.

一、茂环的Friedel-Crafts酰基化反应

Friedel-Crafts反应是苯环上烷基化和酰基化反应的统称.三氯化铝是付氏酰化反应常用的催化剂.教学中通常以苯环为例讲解此类反应的特点.例如,以三氯化铝为催化剂,以酰氯或酸酐为酰化试剂,对苯进行付氏酰化反应可制得苯乙酮.由于酰基为吸电子基,一取代后降低了苯环活性,因此仅导入一个酰基.其他非苯芳香化合物一般也可发生此反应,如反应1所示.以三氯化铝为催化剂,以过量的乙酰氯为酰化试剂,可顺利合成1,1’―二乙酰基二茂铁.由于酰基的钝化作用,一次酰基化后,二次酰化只能发生在异环上.另外,由于二茂铁的茂环为五元环,其亲电取代活性较六元环的苯更高,因此苯乙酮的制备在室温下进行,而1,1’―二乙酰基二茂铁的制备需在冰水浴下进行.在讲解芳香族化合物反应性时若能引用此实例,不仅可说明苯与非苯芳香体系的反应共性,还能更好地解释芳香体系亲电取代活性、付氏酰化反应特点及活化基、钝化基对芳香环反应性的影响.

二、卤仿反应制备1,1’―二茂铁二甲酸

卤仿反应（haloformreaction）是指含有CH3CO-的醛或酮在碱性介质中与卤素作用,生成少一个碳的羧酸及卤仿的反应.卤仿反应常用于酮和醇的鉴定,此时常用的是碘仿反应.卤仿反应的另一重要用途是利用酮类化合物合成少一个碳的羧酸,此时常用廉价易操作的液体溴.如图1中反应2所示,作者曾以1,1’―二乙酰基二茂铁与Br2的氢氧化钠溶液反应制备1,1’―二茂铁二甲酸.步骤如下：在装有搅拌器和温度计的三颈瓶中,加入20gNaOH和12ml水,0―10℃滴加23g溴,然后加入60ml二氧六环.剧烈搅拌下,于0―5℃分批加入二乙酰基二茂铁.0―10℃继续反应1h后过滤反应液,滤液用二氯甲烷洗涤后加热至80℃,用浓盐酸酸化,得深红色晶体.由以上操作步骤可以看出,由于卤仿反应本质为醛酮的氧化,反应伴随剧烈放热,因此需低温反应.另外,两种反应原料酮与次溴酸钠溶液为非均相体系,需以水溶性的有机溶剂二氧六环为介质并剧烈搅拌才可使物料更好地混合,实现均相反应.以上实验操作若在教学相似度检测绍给学生,可以加深学生对卤仿反应的理解与掌握.

三、1,1’―二茂铁二甲酸的酯化及还原反应

羧酸与醇在酸催化下反应成酯,称为酯化反应,常以硫酸、氯化氢或苯磺酸作催化剂.反应进行慢且可逆,为提高产率,常采用以下方法：第一,共沸法形成共沸物将副产物水带走；第二,在反应时加入过量的醇或酸,通常使价廉原料过量.在1,1’―二茂铁二甲酸甲酯的合成中采用了后一种方法,50g1,1’―二茂铁二甲酸加入700ml左右的甲醇,过量的甲醇不仅可把酸完全转化为酯,同时作为反应溶剂对1,1’―二茂铁二甲酸有较好的溶解性.在有机合成中,常常选择最适合的原料比例,以最经济的来达到最好的产率.

作为羰基化合物,羧酸和酯皆可被氢化铝锂还原为相应的醇,但羧酸与氢化铝锂相遇会生成羧酸锂盐,消耗掉一部分氢化铝锂,致使较高的还原剂用量较多[1].另外,氢化铝锂遇水极易分解,所用试剂必须绝对干燥无水,而原料1,1’―二茂铁二甲酸从水相中获得,且该化合物在一般有机溶剂中的溶解性较差,也不易结晶.因此,在实际使用中1,1’―二茂铁二甲酸未进行重结晶.基于以上因素,在1,1’―二茂铁二甲醇的合成中选择先将1,1’―二茂铁二甲酸酯化为1,1’―二茂铁二甲酸甲酯,再进一步将后者以氢化铝锂还原.虽多一步合成,但避免了直接还原酸带来的氢化铝锂不必要的消耗.通过这一合成实例可以使学生理解有机合成中合理路线选择的重要性.类似的例子,如在酰胺类化合物的制备中,虽然理论上可以将羧酸与胺共热直接合成,但由于反应可逆且反应温度较高,在实际合成中常常选择先将羧酸变为反应性更高的酰氯,然后再与胺反应.虽多一步合成,但产率较高,条件温和,是更为合理的路线.

四、卤代及氰解增碳

有机氰化物是有机合成中一类非常重要的中间体,它们很容易转化为其他官能团化合物,如醛、酮、羧酸、胺及酰胺等.脂肪族卤代烃与氰基负离子的亲核取代反应是制备脂肪族氰化物的经典方法[2].1,1’―二茂铁二甲醇及1,1’―二氯二茂铁分别属于极易发生亲核取代的烯丙基式醇和烯丙基式氯,前者和三氯化磷反应得到后者.而1,1’―二氯二茂铁与氰化物发生氰解,可得到1,1’―二茂铁二乙腈,这也是有机合成中一个经典的增长碳链方法（如反应5、反应6所示）.在卤代烃氰解反应中可使用或,但二卤代烃的氰解反应通常要使用反应性较高的.所以本例中采用对1,1’―二氯二茂铁进行氰解.虽然反应体系为水溶液,但由于-CN的亲核性远大于H2O,并且注意控制1,1’―二氯二茂铁的滴加速度,可以完全避免其水解.五、羧酸及其衍生物的相互转化

在讲授羧酸及其衍生物的内容时,羧酸衍生物的相互转化条件是学习的重点及难点.如能以自身科研实践,把整个章节的知识点联系串联,很容易理清原本容易混淆的概念.其中,腈化物作为羧酸衍生物可以在酸性或碱性条件下水解为羧酸,这是制备羧酸的一个常用方法.在合成实例中（反应7所示）,即是将1,1’―二茂铁二乙腈在氢氧化钠的水―乙醇溶液中回流得到1,1’―二茂铁二乙酸钠盐,然后再酸化制得1,1’―二茂铁二乙酸.在此以碱作催化剂,主要考虑二茂铁结构在酸性条件下不稳定,尽量避免使用酸性介质.

酸酐作为羧酸另一衍生物,可以通过相应羧酸脱水得到.二元羧酸的分子内脱水可合成环状酸酐.为使反应顺利进行,通常要加入脱水剂,如乙酸酐、二环己基碳二亚胺（DCC）.本实例（反应8）即采用DCC作脱水剂,可由1,1’―二茂铁二乙酸制得1,1’―二茂铁二乙酸酐.

酸酐与氨反应主要用于胺,特别是芳香胺的酰化.环状酸酐与氨反应,可以开环得到二元羧酸单酰胺.实例中的反应9,即是将环状的1,1’―二茂铁二乙酸酐与各种取代苯胺反应,制得14种1,1’―二茂铁二乙酸单酰胺化合物.值得一提的是,苯胺上的取代基对反应有较大影响,连有活化基的取代苯胺如对氨基酚、对甲氧基苯胺、对苯胺反应活性较高,而连有钝化基的取代苯胺相对活性较小,这是因为活化基使苯胺氨基碱性增加,亲核性增加,而胺与酸酐的反应属于酰基上的亲核加成―消除,胺的亲核性越强反应越易进行.此反应事实是对芳胺类化合物碱性及亲核性很好的例证.同时我们发现,相同取代基不同取代位置的取代苯胺反应性也有差别,如邻溴苯胺和对溴苯胺,前者在此反应中的活性较后者弱,显然这是有机反应中常见的位阻效应在起作用[3].

综上所述,该合成实例中涉及多个典型的有机反应.在本科有机化学教学中联系自身科研实践,列举相关实验事实,对增强学生的学习兴趣,提高学生分析问题解决问题的能力,掌握有机化合物的典型反应、合成方法、重要中间体的应用及各类有机物相互转变的基本规律都有良好的效果.同时该实例还是一个典型的将相关有机化学反应联系串接,用反推法剖析,解开有机合成难题的好例子,建议从事基础有机化学教学的同人们借鉴.