实验1-二茂铁的绿色合成

实验1二茂铁的绿色合成1实验1二茂铁的绿色合成题目：实验1二茂铁的绿色合成姓名：学号：课件密码：1前言1.1实验目的通过二茂铁的绿色合成，不但使学生了解一些易对环境造成污染的化合物的绿色合成方法，力求把对环境的影响降到最低限度，培养学生在从事科研与生产活动中绿色、环保理念，掌握用微型合成装置合成、提纯二茂铁的操作技术，并且学会通过熔点的测定来分析鉴定二茂铁。1.2实验意义二茂铁又名双环戊二烯基铁，学名二环戊二烯基铁，属于金属有机化合物，它是由两个环戊二烯基阴离子和一个二价铁阳离子组成的具有夹心形状的化合物（如图1），其分子式为(C5H5)2Fe。二茂铁易溶于甲醇、乙醇、乙醚、石油醚、汽油、二氯甲烷、苯等常用有机溶剂，溶于浓硫酸，在沸腾的烧碱和盐酸溶液中不溶解、不分解；二茂铁具有高度热稳定性、化学稳定性和耐辐射性；二茂铁具有芳香性，100℃以上能升华，不容易发生加成反应，易发生取代反应；此外二茂铁还有低毒性，在溶液中两个环可以自由旋转等特点。正是基于二茂铁的这种稳定性、芳香性、低毒、亲油性、富电性、氧化还原性和易取代等特点，使得自二茂铁出现以来就引起了广大科研工作者极大的兴趣，对于二茂铁及其衍生物的合成、结构及性质和应用的研究一直以来都是大家所关注的热点。二茂铁的出现极大的推动了金属有机化学的发展，被认为是近代化学发展的里程碑。图11.2.1二茂铁及其衍生物的应用[1-2]1.2.1.1用作燃料添加剂将二茂铁及其衍生物添加到固体、液体或气体燃料中，能发挥其助燃、消烟和抗爆等作用，尤其是对燃烧时产生大量烟尘的烃类，效果更为显著。添加到火箭的固体燃料中，能促进燃料的充分燃烧和起到消烟作用。在柴油中加入0.1%(质量分数)的二茂铁，能起到消烟助燃作用，降低柴油发动机的排烟量和尾气中一氧化碳的含量，可减轻排放气体对环境的污染，增强发动机的功率。二茂铁还能实验1二茂铁的绿色合成2清除柴油机引擎燃烧室表面的沉积炭，并能沉积一层氧化铁膜，该膜能有效地防止炭粒子的重新沉积。将二茂铁及其衍生物添加到汽油中，可提高汽油的辛烷值并增强抗爆性能，添加到燃烧重油的锅炉中，减少生成烟尘的效果更为明显，既可提高燃油的燃烧效率，又可节约燃料油。1.2.1.2其它用途二茂铁及其衍生物或聚二茂铁化合物微量加入到一些材料中，可以增加其敏化性能。如聚乙烯二茂铁的氯苯溶液，用涂敷法制成半导体掩膜版的氧化铁透明掩膜，不仅效率高，而且无毒。使用电子束制版，比氧化铁提高感光灵敏度1000倍，不仅可除去剧毒的五羰基铁，强度增加、可塑性好，而且高频性能也大大提高。另外，二茂铁及其衍生物可用作燃料、烟火的组成成分和固体火箭推进剂；在石油分馏中可消除不饱和组分；可作杀虫剂和杀螨剂的增效剂；作为聚丙烯酸酯在镉表面的硬化剂；作为铁肥料，促进农作物较快生长，并增加其铁含量；可用作润滑油抗负荷添加剂、耐磨材料的促进剂；用于制备抗静电剂、染料及离子交换树脂。二茂铁及其衍生物用于医学，还可作为抗溃疡药物和抗菌剂。1.2.2发展前景由于二茂铁及其衍生物具有广泛的用途，特别是在航天及军事工业上的应用，因而发达国家发展迅速。我国从20世纪60年代开始研制二茂铁，但生产和衍生物的开发应用方面均较落后，年产量约2kt，而国内年需求量约为7.5kt，产不足需。随着二茂铁在石油、石油切割气、汽油、柴油等方面的应用，二茂铁的特殊作用逐渐被国人所认识，其应用范围将越来越广。另外，随着我国石油化工的不断发展，二茂铁来源也不断增加，以环戊二烯为原料制备二茂铁，进而开发二茂铁及其衍生物的利用途径，对于合理利用石油化工的二茂铁资源具有一定的现实意义，同时也将推动金属有机化工产品在我国的开发和利用。因此二茂铁及其衍生物的生产和应用开发在国内将会有一个突破性进展，开发利用前景广阔。1.3文献综述与总结[4-6]自20世纪50年代初KealeyTJ等用环戊二烯溴化镁与无水三氯化铁反应制得二茂铁以来，已相继研究开发出多种制备二茂铁的方法。目前，二茂铁的制备方法主要可分为化学合成法和电解合成法两大类。1.3.1化学合成法化学合成法主要有环戊二烯钠法、二乙胺法、相转移催化法、二甲基亚砜法等。1.3.1.1环戊二烯钠法环戊二烯在烧碱的作用下，生成环戊二烯基钠，然后在四氢呋喃溶液中与氯化亚铁反应生成二茂铁。反应式为:实验1二茂铁的绿色合成3C5H6+NaOH→C5H5Na+H2O2C5H5Na+FeCl2→(C5H5)2Fe+2NaCl1.3.1.2二乙胺一步法环戊二烯在二乙胺中与无水三氯化铁直接反应，环戊二烯使三氯化铁还原为氯化亚铁，再与两个脱去一个氢离子的环戊二烯负离子生成二茂铁。据介绍，在1mol三氯化铁和13mol二乙胺中加入4mol环戊二烯，搅拌反应2h，再用稀硫酸处理，即得二茂铁，其收率为91%。1.3.1.3二乙胺二步法在氮气氛中，以四氢呋喃为溶剂，用铁将三氯化铁还原为氯化亚铁，然后在二乙胺存在下使氯化亚铁与环戊二烯反应生成二茂铁。反应式为:2FeCl3+Fe→3FeCl2FeCl2+2C5H6+2(C2H5)2NH→(C5H5)2Fe+(C2H5)2NH·HCl1.3.1.4二甲基亚砜（DMSO）法在氮气氛、室温、常压下，新蒸馏的环戊二烯与碱反应，生成环戊二烯负离子，再将其与亚铁离子反应生成二茂铁，用水蒸汽蒸馏即得精制二茂铁。据介绍，将环戊二烯和FeCl2·4H2O连续添加到有KOH的二甲基亚砜中进行反应，在≤5.333KPa的条件下，蒸馏所生成的混合物，可得二茂铁和二甲基亚砜混合物，再用环己烷萃取，即得二茂铁，其收率为90%。1.3.1.5四水氯化亚铁法在强碱作用下，以四氢呋喃和二甲基亚砜为溶剂，环戊二烯和亚铁离子反应得粗产品，再经水蒸汽蒸馏得产品，产品收率为75%~80%，该法原料易得，反应在有水(氯化亚铁结晶水)存在下也可进行，且溶剂可循环使用。1.3.1.6相转移催化法在室温下，向环戊二烯的四氢呋喃溶液中加入相转移催化剂18-冠-6和氢氧化钾，然后再加入氯化亚铁进行反应得到二茂铁。在化学合成法中，从经济的角度看，环戊二烯钠法较为理想，二甲基亚砜法次之。四水氯化亚铁法虽然原料易得，反应在有水存在下也可以进行，但设备投资较大，溶剂使用量大，乙二胺法操作条件较为苛刻，原料用量大，生产成本高。相转移催化法虽然反应条件相对温和，但催化剂使用量较大，费用高，适宜于实验室制备。因此，在化学合成法中，无论技术可行性还是生产成本，均以环戊二烯钠法为最佳，倘若二甲基亚砜法中能以部分价廉溶剂替代二甲基亚砜，减少二甲基亚砜的用量，也可用于批量生产。1.3.2电解合成法在直流电的作用下，用恒电流法或恒电压法，以铁板和镍板作电极，电解体实验1二茂铁的绿色合成4系中的阳离子Na+在阴极上被还原，与环戊二烯反应生成环戊二烯钠和氢分子；由阳极反应产生的Fe2+向阴极转移，与阴极的环戊二烯基钠作用生成二茂铁，并置换出Na+。电极反应式如下:阴极反应:2Na+(NaI)+e→Na2Na+2C5H6→2C5H5Na+H2阳极反应:Fe-2e→Fe2+Na+反复进行这系列反应，在阴极上不断生成二茂铁。将暗红色的电解液用石油醚提取，再将抽提液浓缩，冷却至0℃，即可析出橙红色的二茂铁。总反应方程式为:2C5H6+Fe→(C5H5)2Fe+H21.3.3电解合成法与化学合成法比较化学合成法反应大都要求在无水、无氧条件下多步完成，反应条件苛刻，工艺复杂，三废多，难以大量生产，产品费用约5.5~6.0万元/t。电解法所得产品纯度高，副产物少，易于分离，能连续化生产，工艺过程简单，产品收率高，排出的三废相对较少，产品费用约为3.5万元/t。通过比较发现，电解合成法较化学合成法经济效益显著，且宜于工业化生产，是今后二茂铁制备的发展方向。2实验部分2.1实验原理本实验使用二甲基亚砜（DMSO）法，依下述方程式：8KOH+2C5H6+FeCl2·4H2O==Fe(C5H5)2+2KCl+6KOH·H2O该方法的优点是简化了环戊二烯脱质子步骤。在本法中，氢氧化钾不仅用作脱质子试剂，还可作为干燥剂脱去原料中的水。2.2仪器与试剂2.2.1主要仪器氮气袋、磁力搅拌子、磁力加热搅拌器、真空干燥箱、微型实验装置一套、熔点仪2.2.2主要试剂N2钢瓶、乙二醇二甲醚（C.P.）、二甲基亚砜（DMSO，C.P.）、氢氧化钾（A.R.）、环戊二烯二聚体（工业级）、FeCl2·4H2O（A.R.）、HCl（A.R.）2.3实验步骤2.3.1环戊二烯二聚体的解聚实验1二茂铁的绿色合成5在10mL的烧瓶里加入4mL环戊二烯二聚体，接好分馏柱、冷凝管、接液管和圆底烧瓶等装置，用铁架台固定，利用电炉进行空气浴加热回流40min后便可得到约2mL环戊二烯（环戊二烯沸点41℃；环戊二烯二聚体沸点170℃）。2.3.2二茂铁的制备在一只25mL三颈烧瓶里放入磁子，一侧与氮气袋相连，另一侧与装有硅油的锥形瓶相连。先在烧瓶中加入10mL乙二醇二甲醚和4.5g研磨细的KOH粉末。在通入氮气并缓慢搅拌的情况下缓慢加入1.3mL环戊二烯。继续通入氮气，并控制氮气的通入量，以赶走烧瓶中的空气。同时将1.5g四水合氯化亚铁溶在5mL二甲基亚砜，并转入分液漏斗。将混合物猛烈搅拌10min后，打开分液漏斗，控制适当的滴加速度使氯化亚铁的DMSO溶液在45min左右加完。滴加完毕后，关闭分液漏斗，在氮气保护下继续搅拌反应30min。2.3.3二茂铁的分离与提纯将混合液倒入100mL烧杯内，缓慢加入15mL1:1（体积比）HCl，再加入20mL水，继续搅拌悬浮液15min。然后用玻璃砂漏斗抽滤产物，并用少量水洗涤产物3～4次。收集产物，扑在表面皿上置于真空干燥器内干燥，称重并计算产率。2.3.4产物的熔点测定用熔点仪测定产物二茂铁的熔点。2.4实验现象与结果表1实验现象与结果实验步骤实验结果环戊二烯二聚体的解聚——二茂铁的制备乙二醇二甲醚与环戊二烯均为无色，KOH为白色，四水和氯化亚铁为黄绿色。反应过程中，溶液颜色由无色变为黑色，且KOH部分溶解。二茂铁的分离与提纯抽滤后，滤液为墨蓝色。经洗涤后，得到橙黄色针状沉淀，称得质量为0.24g。产物的熔点测定测得产物熔点为157~161℃。实验1二茂铁的绿色合成6表2二茂铁的产量及性质性能指标标准样品合成样品外观橙色晶体橙色针状晶体产量—0.24g产率—15.0%熔点172～174℃157~161℃3结果与讨论实验最终获得了橙色针状晶体的产品，晶形良好。产率15.0%，产量不高，可能的原因是：①在实验中加入DMSO的速度太快，反应不充分，使得最终产物产率下降；②该反应需在无水的条件下进行，而KOH研磨时已经吸潮；此外，反应需无氧条件，而由于实验刚开始时，放氮气的速度过快，氮气很快就用完，所以开启通口重新换氮气，过程中引入了氧气；③在研磨四水合氯化亚铁的过程中，由于溶解速度慢，有不少氯化亚铁已经被氧化，颜色由绿色变为橙色，则实际参加反应的亚铁离子量减少了；④滴加四水和氯化亚铁的时间过长，且每次滴入时存在局部反应不均匀。测得熔点比标准值偏低，原因有：①存在杂质，而造成杂质多的原因可能是在换氮气袋的过程有漏气现象，引入了氧气，有副反应发生；②通过查阅文献，发现二茂铁在100℃时容易发生升华，必须在石蜡密封的管子里面测定。而实际测定时没有达到这个条件，所以熔点测定存在误差。4结论本实验在氮气氛围、碱性条件下，用DMSO法合成二茂铁，制得产物的熔点为157~161℃-166℃，产量为0.24g，产率为15.0%。参考文献[1]崔小明.二茂铁及其衍生物开发前景广阔[N].中国化工报，1999-11-06(3).[2]郭建勋.二茂铁及其衍生物[J].陕西化工，1995，(4):18-21.[3]赵宏升.二茂铁的合成[J].四川化工与腐蚀控制，1998，(3):46-47.[4]李正西.二茂铁生产技术[J].化工时刊，1999，(6):11-15.[5]杨荣榛.二茂铁的电解法生产及应用[J].甘肃化工，1996，(1):33-36.