王曉麗
(內(nèi)蒙古師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)
二茂鐵(FcH)衍生物具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì),可作為催化劑、燃速調(diào)節(jié)劑、光敏劑、穩(wěn)定劑,并在生化、醫(yī)藥及航天工業(yè)方面有廣泛的應(yīng)用。三甲基氰硅烷(2)與醛酮進(jìn)行親核加成得到的氰醇三甲基硅烷基醚,是重要的有機(jī)合成中間體,可以合成氰醇、α,β-不飽和腈、β-氨基醇等,并且可用于保護(hù)羰基[1~3]。單取代二茂鐵基三甲基硅烷基氰醇醚的合成已有文獻(xiàn)[4]報(bào)道。
本文研究了雙?;F(3a~3h)與2的親核加成反應(yīng),合成了一系列新的雙取代二茂鐵基三甲基硅烷基氰醇醚(1a~1h, Scheme 1),其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR, IR和元素分析表征。并測(cè)定了1g的晶體結(jié)構(gòu)。
Bruker DRX-500型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo));NEXUS-670FT-IR傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片);Perkin Elmer-2400型元素分析儀;Bruker Smart 1000 CCD型X-射線衍射儀。
Scheme1
2[4]與3a~3h[5]按文獻(xiàn)方法合成;其余所用試劑均為分析純。
在三口瓶中加入3a~3h0.5 g(0.76 mmol~1.10 mmol)和二氯甲烷 10 mL~15 mL,攪拌下加入ZnI20.5 mmol~1.0 mmol,反應(yīng)20 min;加入2 4.4 mmol~12.0 mmol,避光于室溫(1e和1f的反應(yīng)溫度為50 ℃)反應(yīng)2 h~ 22 h(TLC跟蹤,苯為展開(kāi)劑)。經(jīng)中性Al2O3柱層析(洗脫劑:石油醚)純化得1a~1h,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和表征數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表 1和表2。
于室溫用石油醚/乙醚混合溶劑培養(yǎng)得到1g單晶(0.24 mm×0.14 mm×0.12 mm,淡黃色針狀晶體),于293(2) K用Mo Kα射線(λ=0.071 073 nm)輻射,使用石墨晶體單色器,掃描范圍ω-2θ, 1.81°<θ<26.39°,共收集到4 803個(gè)獨(dú)立衍射點(diǎn), 其中I>2σ(I)的可觀測(cè)衍射點(diǎn)3 367個(gè)。所得數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Lp因子及經(jīng)驗(yàn)吸收校正后,由直接法得到金屬原子坐標(biāo),其余非氫原子坐標(biāo)用Fourier 技術(shù)獲得,對(duì)全部原子坐標(biāo)及各向異性熱參數(shù)進(jìn)行全矩陣最小二乘法修正(SHELEXL-97)[6]。晶體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明,1g屬三斜晶系,P-1 空間群,晶胞參數(shù)a=0.712 9 nm,b=1.050 0 nm,c=1.144 9 nm,α=5.613(5)°,β=97.253(6)°,γ=97.441(6)°, 最終偏差因子R=0.059 0,wR=0.157 7。
在醛酮的三甲基硅氰化反應(yīng)中,醛酮的空間結(jié)構(gòu)是影響反應(yīng)的重要因素之一。在2與3的親核加成反應(yīng)中,3中R的體積越大,則-CN進(jìn)攻C=O的能力越弱,使反應(yīng)的速率降低,轉(zhuǎn)化率降低。對(duì)相同的取代基處于苯環(huán)不同位置的化合物,空間位阻順序?yàn)椋亨徫?1f)>間位(1e)>對(duì)位>(1d)。含鄰位取代基的化合物對(duì)反應(yīng)條件要求較高,需要升高反應(yīng)溫度,增大反應(yīng)的投料比及延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間。例如,1f受苯環(huán)鄰位取代基的影響,空間位阻增大,需要升高反應(yīng)溫度至50 ℃,增加3f用量至n(3f) ∶n(2)=15 ∶1,及延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,但產(chǎn)率仍較低。其原因?yàn)槭茑徛热〈目臻g阻礙,使-CN只能從另一側(cè)進(jìn)攻羰基碳原子,這種親核加成反應(yīng)方向的單一性使反應(yīng)速度減慢,而對(duì)于相對(duì)位阻小的對(duì)位取代反應(yīng)條件則要溫和的多。
表 1 合成1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental result of synthesizing 1
表 2 1的表征數(shù)據(jù)Table 2 Characteristic data of 1
1的IR分析結(jié)果表明,3 108 cm-1~3 081 cm-1出現(xiàn)中等強(qiáng)度的茂環(huán)C-H吸收峰;2 960 cm-1~2 850 cm-1出現(xiàn)烷基C-H吸收峰;2 241 cm-1~2 230 cm-1出現(xiàn)的弱吸收峰為C?N伸縮振動(dòng)吸收;1 250 cm-1, 840 cm-1, 750 cm-1附近出現(xiàn)的強(qiáng)吸收峰為硅烷基C-H吸收峰;1c~1g還在1 600 cm-1, 1 580 cm-1, 1 500 cm-1附件出現(xiàn)苯環(huán)的中等吸收峰吸收峰。1H NMR分析結(jié)果表明,3.99~5.01處的多重峰為茂環(huán)質(zhì)子峰,0.15處的單峰為Si(CH3)3質(zhì)子峰,1c~1g在7.71~7.28處都出現(xiàn)苯環(huán)質(zhì)子峰。在對(duì)位取代苯結(jié)構(gòu)中苯環(huán)上四個(gè)氫形成AA′BB′體系,呈左右對(duì)稱的四重峰,中間一對(duì)峰強(qiáng),外面一對(duì)峰弱。
1g的分子結(jié)構(gòu)和晶胞堆積圖分別見(jiàn)圖1和圖1,主要的鍵長(zhǎng)及鍵角參數(shù)見(jiàn)表3。從圖1可以看出,1g含有一個(gè)二茂鐵單元,二茂鐵中的兩個(gè)五元環(huán)部分是平面的,二面角為0 °,形成近似交錯(cuò)式結(jié)構(gòu),這與單取代二茂鐵基-三甲基硅烷基氰醇醚晶體的構(gòu)型不同[7]。Fe原子距兩個(gè)五元環(huán)碳原子的平均距離為0.204 2 nm。分子中二茂鐵基茂環(huán)上的C(1A)-Fe-C(1)等五組鍵角均為180 °,即C-Fe-C的三個(gè)原子在一條直線上,也就是說(shuō)分子是以Fe原子為對(duì)稱中心的對(duì)稱分子,所以分子無(wú)對(duì)映異構(gòu)體。分子中有兩個(gè)手性原子C(6)和C(6A), C(6)周圍六個(gè)鍵的鍵角范圍分別為107.5°~112.2°和接近等性sp3雜化,C(1)-C(6)-C(7)鍵角為107.5°,由于取代基體積較大,對(duì)該鍵的擠壓作用所致;C(6)-C(8)-O鍵角為11.2°,由于連在C(6)上的甲氧基苯環(huán)與連在O原子上的-SiMe3的排斥所致。中心C(6)原子以sp3雜化軌道成鍵,它周圍的碳原子以不同的雜化軌道成鍵,C(7)以sp雜化軌道成鍵,C(8)以sp2雜化軌道成鍵,C(1)以sp2雜化軌道成鍵,該分子中存在π鍵與σ鍵電子間相互作用產(chǎn)生的離域效應(yīng),即超共軛效應(yīng),使化合物中C-C鍵長(zhǎng)由于相鄰鍵中出現(xiàn)雙鍵和叁鍵而縮短,鍵能增加[8]。
圖 1 1的分子結(jié)構(gòu)Figure 1 Molecular structure of 1
圖 2 1的晶胞堆積圖Figure 2 Packing diagram of 1
BondLength/nmBondAngle/(°)BondAngle/(°)Si(1)-O(1)0.166 2(3)C(5)-Fe(2)-C(5)#1180.0(3)C(2)-C(3)-Fe(2)69.6(2)Si(1)-C(15)0.183 8(7)C(4)-Fe(2)-C(4)#1180.0(3)C(3)-C(4)-C(5)108.5(4)Si(1)-C(16)0.184 0(6)C(1)#1-Fe(2)-C(1)180.0(2)C(3)-C(4)-Fe(2)70.2(3)Si(1)-C(17)0.184 0(7)C(2)-Fe(2)-C(2)#1180.0(6)C(5)-C(4)-Fe(2)69.6(2)N(1)-C(7)0.117 2(6)C(3)-Fe(2)-C(3)#1180.0(4)C(4)-C(5)-C(1)108.3(4)O(1)-C(6)0.140 3(4)O(1)-Si(1)-C(15)107.1(3)C(4)-C(5)-Fe(2)70.2(3)O(2)-C(11)0.135 9(5)O(1)-Si(1)-C(17)104.9(3)C(1)-C(5)-Fe(2)69.8(2)O(2)-C(14)0.142 5(6)C(15)-Si(1)-C(17)110.8(5)O(1)-C(6)-C(7)109.6(4)C(1)-C(2)0.141 8(6)O(1)-Si(1)-C(16)113.5(2)O(1)-C(6)-C(1)108.4(3)C(1)-C(5)0.143 4(6)C(15)-Si(1)-C(16)107.9(4)C(7)-C(6)-C(1)107.5(3)C(1)-C(6)0.151 0(5)C(17)-Si(1)-C(16)112.4(4)O(1)-C(6)-C(8)112.2(3)C(2)-C(3)0.142 4(6)C(6)-O(1)-Si(1)131.7(3)C(7)-C(6)-C(8)110.0(3)C(3)-C(4)0.139 8(7)C(11)-O(2)-C(14)117.2(4)C(1)-C(6)-C(8)109.0(3)C(4)-C(5)0.140 1(7)C(2)-C(1)-C(5)107.2(4)N(1)-C(7)-C(6)178.7(5)C(6)-C(7)0.147 8(7)C(2)-C(1)-C(6)126.3(4)C(13)-C(8)-C(9)117.4(4)C(6)-C(8)0.152 9(5)C(5)-C(1)-C(6)126.4(4)C(13)-C(8)-C(6)123.3(4)C(8)-C(13)0.137 4(6)C(2)-C(1)-Fe(2)69.7(2)C(9)-C(8)-C(6)119.3(4)C(8)-C(9)0.137 9(6)C(5)-C(1)-Fe(2)69.0(2)C(10)-C(9)-C(8)121.6(4)C(9)-C(10)0.137 0(6)C(6)-C(1)-Fe(2)129.4(3)C(9)-C(10)-C(11)120.4(4)C(10)-C(11)0.138 6(6)C(1)-C(2)-C(3)107.6(4)O(2)-C(11)-C(12)125.5(4)C(11)-C(12)0.138 0(6)C(1)-C(2)-Fe(2)69.7(2)O(2)-C(11)-C(10)116.1(4)C(12)-C(13)0.137 5(6)C(3)-C(2)-Fe(2)69.7(2)C(12)-C(11)-C(10)118.5(4)C(4)-C(3)-C(2)108.5(4)C(13)-C(12)-C(11)120.1(4)C(4)-C(3)-Fe(2)69.8(3)C(8)-C(13)-C(12)122.0(4)
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