二茂铁制备实验报告

-1-华南师范大学实验报告学生姓名吴健华学号20102401046专业化学(师范)班级10化学五班课程名称化学综合实验实验类型：□验证□设计√综合实验时间2014年3月27日指导老师郑盛润老师预习码：54074实验评分二茂铁的绿色合成一、前言1.1.实验目的(1)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。(2)掌握用微型合成装置合成、提取二茂铁的操作技术。(3)学会通过熔点的测定、红外光谱等手段来分析鉴定二茂铁。1.2.背景知识二茂铁又叫双环戊二烯基铁,学名二环戊二烯基铁,是由两个环戊二烯基阴离子和一个二价铁阳离子组成的夹心型化合物。其分子式为(C5H5)2Fe,分子量为186,外观为橙黄色针状或粉末状结晶,具有类似樟脑的气味，不溶于水,溶于甲醇、乙醇、乙醚、石油醚、汽油、煤油、柴油、二氯甲烷、苯等有机溶剂。其分子呈极性,具有高度热稳定性、化学稳定性和耐辐射性,溶于浓硫酸中,在沸腾的烧碱溶液和盐酸中不溶解,不分解。在化学性质上,二茂铁与芳香族化合物相似,不容易发生加成反应,容易发生亲电取代反应,可进行金属化、酰基化、烷基化、磺化、甲酰化以及配合体交换等反应,从而可制备一系列用途广泛的衍生物。目前,二茂铁的制备方法主要可分化学合成法和电解合成法两大类。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。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。随着各种合成技术的出现，其衍生物也多达数百种,因此其用途越来也越来越广。二茂铁及其衍生物在生活的应用非常广泛，概括的来讲，主要有以下几个方面：作燃料的添加剂，将二茂铁加到燃料中可能起到助燃、消烟以及抗震的作用；作催化剂，二茂铁可作为合成氨以及高分子过氧化物分解的催化剂；在生化和分析上的应用，二茂铁可用于银、钒、汞、铅、金等元素的安培滴定法分析中；作塑料、橡胶等高分子聚合物的添加剂，将二茂铁加到聚乙烯中可以改善聚乙烯电稳定器涂层的效果；此外,二茂铁还可用于农业、机械等。如二茂铁作为铁肥料,能使作物较快生长,并增加其铁含量。二茂铁的衍生物可作为杀虫剂。二茂铁可作润滑油抗负荷添加剂,耐磨材料的促进剂等。总之，二茂铁的用途极为广泛,开发二茂铁产品,对燃料、高分子、催化、生化等领域都有很重要的意义。-2-二、实验部分2.1.实验原理二茂铁的合成方法可分为电解合成法和化学合成法。电解合成法能连续操作，但产率低，操作复杂，污染大。化学合成法的应用较多，国内主要有醇钠法、有机胺法，但存在试剂要求高、反应时间长和有污染等方法自身的缺点，不利于大规模工业生产。本实验采用二甲基亚砜为溶剂，以环戊二烯、氯化亚铁和氢氧化钾为原料经一步反应得到粗产物，然后用石油醚萃取混合液来提纯二茂铁。化学方程式为：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。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.仪器与药品(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、显微熔点测定仪。(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(1)二茂铁的制备连接安装好实验装置，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（在硅油中氮气泡一个接一个匀速放出），以赶走烧瓶中的空气。同时将1.5g四水合氯化亚铁溶在8ml二甲基亚砜（DMSO）,并转入分液漏斗中。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）二茂铁的分离与提纯将混合液倒入100ml烧杯内，缓慢加入HCl，调节pH2~3，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，放在坩埚中并置于真空干燥箱内烘干，称重并计算产率。（3）产物熔点的测定用熔点仪测定产物二茂铁的熔点。三、实验现象及分析讨论3.1.实验现象与结果在实验中，经分液漏斗加入环戊二烯、四水合氯化亚铁和DMSO的混合溶液后，溶液从原来的无色逐渐变成黄绿色。在反应过程中逐渐加热，KOH逐渐溶解，溶液由黄绿色慢慢变成橙黄色，在反应过程中，保持一直通入氮气。但随着反应进行，并没有-3-明显的产品生成。反应结束，得到了橙黄色、粘稠状液体，经盐酸的分离提纯和抽滤后，滤纸上得到极微量的橙色颗粒状二茂铁固体。3.2.实验分析讨论在本次实验中，虽然二茂铁的结构、性质比较稳定，且不易与酸碱反应，但在实验中难以制备得到产物。可能导致实验不成功的原因如下：（1）氯化亚铁易被氧化，纯度较低。氯化亚铁为黄绿色固体，而在实验中当将氯化亚铁溶解于DMSO后，并经过短时间的放置，溶液已经从黄绿色变为橙黄色，主要是Fe2+被氧化为三价的铁离子Fe3+，降低二价铁离子的含量，从而二茂铁的产量降低。因此在实验中，可采用采用纯度更高的氯化亚铁固体，或者在实验过程中，保证氯化亚铁不被氧化，可在将氯化亚铁溶解DMSO时，同时加入足量铁粉以抑制其氧化。（2）实验仪器没有彻底干燥。在本次实验中，因亚铁离子很容易水解，继而更易会被氧化为铁离子，因此实验中需要保证在无水条件下进行，应该采用洁净干燥的仪器进行实验。（3）实验过程中需要无氧条件。因此需要保证实验装置的气密性并且在反应体系中通入氮气来隔绝氧气。在实验反应前应仔细检查仪器、装置的气密性是否良好，且先通入氮气一段时间再进行实验，以保证体系处于无氧环境中。（4）反应中需要控制滴加速率。在滴加环戊二烯、四水合氯化亚铁以及DMSO的混合液时，若速度过快，会导致产率难以保证。过早将混合溶液加入容易导致反应物接触不充分，反应转化率低，从而难以保证产率，实验容易失败。在实验中可通过控制分液漏斗中液体的滴加速度，缓慢，少量多次地加入，并注意搅拌，使得加入的反应物充分反应。四、结论本实验以环戊二烯、氯化亚铁、氢氧化钾等原料合成二茂铁，该方法具有操作简便快速、节省经费、减少污染、安全等优点，符合绿色环保理念。但在实验中最终未能制得产物，考虑到实验操作过程，可能是由于氯化亚铁产品纯度不高，实验过程中没能完全隔绝水和空气，导致制备得不到二茂铁产物。因此在后续的实验中应当重视实验失败原因，改进实验方案、优化实验环境、提高产品产率。五、参考文献[1]张术兵，韩相恩.二茂铁及其衍生物的合成与应用进展.甘肃石油和化工，2006，（3）：1.[2]陈灿辉,叶华,李红.二茂铁及其衍生物的电化学研究进展［J］，化工时刊.2004,18(10):1-4.[3]崔小明.二茂铁的合成及应用［J］，化学工业与工程技术.2000，21(6):21-23.