二茂铁衍生物的合成及其电化学应用

朱崇秀，乔庆东，李 琪，宋之林，杨占旭

（辽宁石油化工大学 石油化工学院， 辽宁 抚顺 113001）

二茂铁是一种金属有机络合物，具有夹心结构，因此它的衍生物的结构和性质的具有很多特殊性，主要体现在以下的四个方面：（1）具有芳香性，易发生亲电取代反应，容易引入各种基团。（2）稳定性好且毒性低，有多种生理活性可用于抗肿瘤、杀菌、抗炎、调节植物生长、酶抑制剂等。（3）具有亲油疏水性，可作为治疗疾病的药物,因为它可与细胞内的各种酶、DNA、RNA等物质发生作用（4）具有氧化还原的可逆性，通过控制其衍生物的光化学特性就可以制备带有特殊功能的光学、电化学材料。二茂铁衍生物主要被用在功能材料、电化学传感器、生化与医药等多个领域有所涉及。下面主要介绍了目前合成出的几类二茂铁衍生物及其在电化学方面的应用进展。

1 二茂铁衍生物的合成研究

二茂铁衍生物种类繁多，目前合成的衍生物主要包括单、多核二茂铁配合物、二茂铁基聚合物、二茂铁分子树络合物、手性二茂铁配合物、二茂铁簇状衍生物等[1]。这里只介绍几个重要的中间体及其有代表性的反应。

1.1 小分子二茂铁衍生物的合成

二茂铁不容易发生加成反应，但发生亲电取代反应却比苯容易的多，这是它突出的芳香性。因此，它可与 N-甲基甲酰胺在三氯氧磷催化下发生甲酰化反应，生成二茂铁甲醛；与甲醛、二甲胺在甲酸的催化下发生 Mannich反应生成二甲胺甲基二茂铁；与二氧化碳在三氯化铝催化下作用生成二茂铁甲酸，这些都能证明二茂铁比苯的反应活性高。此外，它还可以发生芳基化反应，与芳基重氮盐反应生成芳基二茂铁，这是自由基取代反应。

乙酰基二茂铁是由二茂铁利用傅-克酰基化反应合成得到的。它是合成二茂铁衍生物的重要中间体，既可还原为乙基二茂铁或羟乙基二茂铁，又可氧化为二茂铁甲酸；与碳酸二乙酯缩合得到的二茂铁丙酸；还可以发生加成反应，它的α-甲基能与醛酮缩合，生成α、β-不饱和酮，与羧酸酯缩合得到β-二酮，还能发生Mannich反应生成β-氨基酮；还能与环戊二烯或茚缩合，生成二茂铁基富烯[2]，与肼缩合生成腙。

二茂铁甲醛可以发生芳香醛的反应，从而制备二茂铁甲醛、α-二茂铁基烷基醇、二茂铁丙酸、二茂铁西佛碱、β-二茂铁基-α氨基酸、烯基二茂铁及其α、β-不饱和酮等二茂铁衍生物。它可以与α-氨基酸及其酯缩合，生成的二茂铁亚胺基酸可以用做补血剂，还能与乙酰基二茂铁的α-甲基发生缩合反应，例如，1,1’-二甲酰基二茂铁与 1,1’-二乙酰基二茂铁在碱存在下缩合得到双二茂铁环烷[3]。

二茂铁甲酸与醇反应生成酯；与三氯化磷或三氯氧磷反应生成酰氯，二茂铁羧酸酰氯与胺反应生成酰胺，后者还原得二茂铁基脂肪胺；与氮丙啶反应生成酰基氮丙啶。β-二茂铁丙酸经三氟乙酸酐脱水关环，生成α-[酮]三亚甲基二茂铁。γ-二茂铁基羧酸发生同环环化得到茂并环酮。

1.2 双二茂铁基衍生物的合成

双二茂铁基衍生物的合成有两种方法：一种是双二茂铁（biferrocenyl或 biferrocene）多由氯汞基二茂铁制备，对它们的化学反应研究不多，主要研究它们的电化学性质和双二茂铁正离子的物理化学性质；另一种双二茂铁基衍生物是两个二茂铁基连在一个脂肪碳上的化合物，它们是由二茂铁（或烷基二茂铁）与醛酮缩合的产物。美国最先合成出来的2,2-双（乙基二茂铁基）-丙烷（GFP）最为人们所熟知，把它应用于固体推进剂燃速催化，是一种挥发度小，热稳定性好的高效的燃速催化剂。1988年，唐大森等[4]对偕-双-（二茂铁基）-烷烃（含GFP）的结构与物理相关性、合成方法、反应机理及产物在推进剂等方面的应用进行了归纳与讨论。继中国科学院上海有机化学研究所进行的相关研究后，边占喜和王晓莉等[5-6]合成出了双（烷基二茂铁基）丙烷，通过对其在燃速催化应用方面的研究发现：单烷基二茂铁基丙烷和双烷基二茂铁基丙烷的燃速催化效率均随着烷基碳链增长表现出缓慢下降的趋势。

1.3 二茂铁聚合物的合成

将小分子二茂铁衍生物与高分子聚合物通过缩合反应生成二茂铁聚合物，能达到对原来的高分子聚合物进行结构修饰从而改性的目的，主要是利用二茂铁衍生物结构的特殊性质。刘玉婷课题组通过酰基二茂铁与壳聚糖缩合，把二茂铁引入到壳聚糖内而使其具有更加的优越性。而以二茂铁衍生物为聚合单体得到的二茂铁基聚合物也是研究者想探索的领域，自Manners小组[7-9]开创性的首先采用热引发的开环聚合（ROP）法合成出了具有高分子量的聚二茂铁硅烷以来，克服了长期以来缺少聚合单体的困难。学术界通过研究二茂铁基聚合物的合成方法和聚合机理，现在主要发展热引发ROP、阴离子引发ROP、阳离子引发ROP、过渡金属离子催化ROP和亲核试剂辅助ROP等5种方法。国内也进行了很多了合成研究，主要有王学杰等[10]合成了聚二茂铁二甲基硅烷（PFDMS）、聚二茂铁甲基苯基硅烷（PFMPS）、聚二茂铁甲基（3-二乙胺）苯氧基硅烷（PFMDEAS）、聚二茂铁甲基（4-甲酸丁酯基）苯氧基硅烷（PFMBOCS）和聚二茂铁甲基（4-二甲胺基）苯基硅烷（PFMDMAS），其中PFMBOCS、PFMDEAS、PFMDMAS是国内最新合成的聚合物，并把它们制成膜研究电化学性质。

2 二茂铁衍生物的电化学性质及应用

2.1 二茂铁衍生物的电化学性质

二茂铁衍生物能表现出特殊的电化学性质是因为含有二茂铁基的缘故，能在电化学方面有着那么广泛的应用，主要是因为二茂铁具有高度富电子体系，且存有一对易受环境影响的可逆氧化还原电子，表现出可逆氧化还原特点。与二茂铁组成共轭体系的二茂铁衍生物表现出很好的二阶非线性光学性能。二茂铁基团的氧化还原可逆特性有可能通过电化学可逆特性来控制其衍生物的光化学特性，实现氧化还原开关效应。这类氧化还原开关材料在电致变色，光电记忆和光通讯领域具较大的应用潜能[11]。

电子取代基会影响二茂铁及其衍生物的电化学性质，取代基吸电子能力越强，相应的二茂铁阴离子存在时间就越长，峰电流就越大。二茂铁基中的Fe(Ⅱ)被氧化的难易程度也取决于取代基的性质。但是，金属之间的相互作用比取代基对电化学性能的影响更大。刘万毅[12]等对烷基桥联双二茂铁酰基取代衍生物的电化学性质进行了研究，表明分子稳定构象对该类分子体系的茂铁基电化学行为具有决定性影响，而不是以桥头碳为中心的桥联茂铁烷基的推电子诱导效应，另外分子的空间构型对电化学性质也有一定的影响，在茂环上引入酰基取代基，使得分子结构发生变化，表现出典型的双组分氧化还原特征。已合成出的以二茂铁为单元合成的氧化还原大环化合物的循环伏安图表明只能进行一个氧化还原过程，与所含的二茂铁单元数有关。

2.2 二茂铁衍生物在电化学方面的应用

2.2.1 在电化学修饰电极方面的应用

（1）二茂铁衍生物修饰电极在生物传感器中的应用：由于二茂铁性质稳定不受环境中氧浓度的变化影响，在水中的溶解度小，电子传递速度快，氧化还原电位低，在第二代生物传感器中作为优良的电子媒介体被广泛的应用。可以利用相应的各种酶来测定葡萄糖、乳糖、半乳糖、谷氨酸、吲哚乙酸等[13]。Gass等[14]把1,1’-二甲基二茂铁和葡萄糖氧化酶通过吸附的方法固定在石墨电极表面制成二甲基二茂铁-葡萄糖氧化酶修饰电极，由于二茂铁衍生的优越性使这种传感器的响应速度快、检测灵敏度高。

（2）二茂铁衍生物修饰电极在离子分析中的应用：二茂铁衍生物选择性与阴离子作用后，电位发生变化从而实现对离子的分析测定的测定。程广军[15]等人详细研究了10-二茂铁-1-癸硫醇（HSC10Fc）在金基底上自组装单分子膜的电化学行为，发现其氧化峰位与阴离子浓度的对数呈线性关系。

另外，氧化还原型二茂铁大环化合物在络合时使氧化还原活性中心作出相应的电化学响应，也可以识别一些阳离子。Moutet[16]等通过对碱金属离子对二茂铁二胺衍生物的电化学行为的影响的研究，得到它可以选择性配合Li+。二茂铁烷基苯衍生物在Ca2+干扰下，能选择性识别Mg2+。

（3）二茂铁衍生物修饰电极在有机物分析中的应用：二茂铁衍生物修饰电极的膜中有氧化还原中心，能促进电子的转移速率。多巴胺在碳电极上反应迟缓，过电位高，用二茂铁衍生物修饰电极可以解决这个难题。杨庆华[17]等制备了甲酸二茂铁的Nafion化学修饰电极，修饰电极的稳定性与催化稳定性都较好，DA在2.0×10-5～1.5×10-3mol/L范围内，催化峰电流与DA浓度呈良好的线性关系，可以应用于分析 DA。最近，也有报道二茂铁及其衍生物修饰电极对儿酚的研究。Wang[18]等用二茂铁烷基胺衍生物制成无机/有机混合膜，在 0.1 mol/L KClO4中，可用于分析少量的儿茶酚。

（4）二茂铁衍生物修饰电极在无机物分析中的应用：随着修饰电极的发展，二茂铁修饰电极可以应用于无机物分析。与多酸超分子、电荷转移配合物形成的二茂铁修饰电极对过氧化氢具有电催化作用生成的峰电流与被测物浓度成比例，可以用于对它的分析测定。张修华[19]等研究了二茂铁 磷钼钨杂多酸超分子膜电极在2.0 mol/L H2SO4溶液中的电化学行为，发现它对过氧化氢具有良好的电催化作用，且电流随浓度的增加而增大。

2.2.2 二茂铁衍生物在电催化和电化学标记物中的应用

电催化是使电极、电解质界面上的电荷转移加速反应一种催化作用。二茂铁衍生物具有良好的电子效应和独特的刚性骨架，催化效果好。与二茂铁相连的杂原子的取代基可以和一些过渡金属离子形成的络合物具有催化活性。二茂铁羧酸可用于电催化鲁米诺化学发光免疫分析，用于电化学治理海底生物恶臭和生物污浊。因为二茂铁衍生物有催化作用，可以在有多巴胺的情况下测定抗血酸。

核酸的结构分析和测试是日益受到重视的基因工程中急于要解决的问题之一。为了要查明有问题的DNA，需要对其进行标记。传统标记法存在一些弊端，有人用DNA电化学传感器对有问题的DNA分子进行识别。徐春[20-21]等制备出了二茂铁标记DNA探针，并研究了其电化学的性质，二茂铁标记DNA探针的制备方法简便快速、标记的效率高、重现性好、寿命长，解决了传统标记法的问题。

2.2.3 二茂铁衍生物在电化学分子识别中的应用

二茂铁具有可塑性强的特殊骨架，因此以其作为结构单元设计合成的二茂铁大环化合物的研究十分活跃。Beer[22]等第1次研究了二茂铁大环多胺衍生物对Ni2+、Cu2+和Zn2+等过渡金属阳离子电化学识别的研究，为发展选择性传感器提供了可能。人们最近几年还研究一些带有氮、氧杂原子取代基的开链二茂铁也能类似的化学识别一些金属离子[23-25]。

3 展 望

以上是近几年二茂铁衍生物的合成研究以及在电化学方面的应用研究情况，虽然二茂铁的研究已经取得了很多有意义的进展，但是合成以二茂铁为骨架具有特殊性能的大环化合物，并深入研究其结构和电化学性能间的关系将是未来的发展趋势。二茂铁及其衍生物化学修饰电极在传感器领域中的应用仍需拓宽，比如研制系列药物传感器检测药物，稳定的微型化的电化学传感器仍是以后我们努力的方向。相比较外国对二茂铁衍生物的应用与研究，国内的研究的深度还不够有待进一步提高。

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