二茂鐵是一種具有芳香族性質的有機過渡金屬化合物，化學式為Fe(C5H5)2。它是一種橙黃色粉末，常溫下有樟腦氣味。二茂鐵具有高度的熱穩定性、化學穩定性和耐輻射性。它的熔點為172℃-174℃，沸點為249℃，100℃以上能升華。二茂鐵不溶于水，但易溶于苯、乙醚、汽油、柴油等有機溶劑。它與酸、堿、紫外線不發生作用，化學性質穩定，400℃以內不分解。二茂鐵的分子呈現極性。盡管二茂鐵自身的應用并不多，但通過已知的方法可以合成出種類繁多的衍生物，從而大大延伸了二茂鐵的應用范圍。二茂鐵在工業、農業、醫藥、航天、節能和環保等行業具有廣泛的應用。二茂鐵是最重要的金屬茂基配位化合物之一，也是最早被發現的夾心配合物，其中包含兩個環戊二烯陰離子以π電子與鐵原子成鍵。二茂鐵的發現以及其許多類似物（如金屬茂基配合物）的發現，被認為是金屬有機化學迅速發展的重要原因之一。
簡介
二茂鐵，又稱二環戊二烯合鐵、環戊二烯基鐵，是分子式為Fe(C5H5)2的有機金屬化合物。橙色晶型固體；有類似樟腦的氣味；熔點172.5～173℃，100℃以上升華，沸點249℃；有抗磁性，偶極矩為零；不溶于水、10%氫氧化鈉和熱的濃鹽酸，溶于硝酸、濃硫酸、苯、乙醚、石油醚和四氫呋喃。二茂鐵在空氣中穩定，具有強烈吸收紫外線的作用，對熱相當穩定，可耐470℃高溫加熱；在沸水、10%沸堿液和濃鹽酸沸液中既不溶解也不分解。二茂鐵是最重要的金屬茂基配位化合物，也是最早被發現的夾心配合物，包含兩個環戊二烯環與鐵原子成鍵。
二茂鐵的結構為一個鐵原子處在兩個平行的環戊二烯的環之間。在固體狀態下，兩個茂環相互錯開成全錯構型，溫度升高時則繞垂直軸相對轉動。二茂鐵的化學性質穩定，類似芳香族化合物。二茂鐵的環能進行親電取代反應，例如汞化、基化、基化等反應。它可被氧化為 [Cp2Fe]+，鐵原子氧化數的升高，使茂環(Cp)的電子流向金屬，阻礙了環的親電取代反應。二茂鐵能抗氫化，不與馬來酸酐發生反應。二茂鐵與正丁基鋰反應，可生成單鋰二茂鐵和雙鋰二茂鐵。茂環在二茂鐵分子中能相互影響，在一個環上的致鈍，使另一環也有不同程度的致鈍，其程度比在苯環要輕一些。
二茂鐵由鐵粉與環戊二烯在 300℃的氮氣氛中加熱，或以碘化鈉氯化亞鐵與環戊二烯合鈉在四氫喃中作用而制得。二茂鐵可用作火箭燃料添加劑、汽油的抗爆劑和橡膠及硅樹脂的熟化劑，也可做紫外線吸收劑。二茂鐵的乙烯基衍生物能發生烯鍵聚合，得到碳鏈BOBBIN的含金屬均聚物，可作航天飛船的散逸層涂料。
反應
親電反應
二茂鐵具有芳香族化合物的顯著特征，可與親電試劑反應生成二茂鐵的取代衍生物。大多數取代的類型是1-取代物、1,1'-二取代物及1,2-二取代物（帶“'”表示在A環上，不帶則表示在B環上）。例如二茂鐵與氯化鋁和 Me2NPCl2 在熱庚烷中反應生成二氯二茂鐵膦（Dichloroferrocenyl 磷化氫），當與苯基二氯化膦在類似條件下反應得到 P,P-二氯雙（二茂鐵）-P-苯基膦。與苯甲醚類似，二茂鐵與 五硫化二磷 反應生成 Dithiadiphosphetane disulfide。二茂鐵不可以直接硝化和鹵化，因為會先發生氧化反應。
二茂鐵可發生傅-克反應，譬如在磷酸作催化劑時，二茂鐵與乙酸酐或乙酰氯反應生成乙酰基二茂鐵。雖然一方面二茂鐵許多反應類似于芳香烴的相應反應，但另一方面有些反應明顯是鐵原子在起主要作用。
鋰化反應
用正丁基鋰可以很快奪取二茂鐵中的質子，產物為1,1'-二鋰代二茂鐵，是很強的親核試劑。它與二乙基二硫代氨基甲酸反應，生成的產物具有位阻，兩個環戊二烯基配體靠硒原子連接。該產物可通過加熱開環聚合反應（ROP）生成聚硒化二茂鐵（Poly(ferrocenyl 硒化物)），硅和磷的類似反應也可合成相應的聚合物（Poly(ferrocenylsilane) 和 Poly(ferrocenylphosphine)）。
還原反應
二茂鐵在酸性溶液很容易被氧化為藍色順磁性的二茂鐵鎓離子 [(η5-C5H5)2FeIII]+，其電勢以飽和甘汞電極為標準大約為0.5V。由于產物二茂鐵反應性不強且易于分離，該離子有時被用作氧化劑，以六磷酸鹽 [PF6]? 或氟硼酸鹽?[BF4]? 的形式存在。環上不同的取代基會使該電勢值產生變化：吸電子基（如羧基）使得電極電勢值上升；而給電子基（如甲基）則使得該值下降，氧化變得容易。全甲基取代二茂鐵被氧化后生成的鹽 [Fe(η5-C5Me5)2][tcne] （tcne=四乙烯）具有不尋常的磁性性質，為深綠色晶體，含有陽離子與陰離子交替出現的長鏈。
二茂釕和的類似陽離子 [MIII(η5-C5H5)2]+ 卻是不穩定的，容易進一步氧化為 [MIV(η-C5H5)2]2+ 陽離子或二聚成為 [(η5-C5H5)2MIII-MIII(η5-C5H5)2]2+。
性質與穩定性
物理性質
二茂鐵是對空氣穩定的橙黃色固體，在真空和加熱時迅速升華。和其他對稱且不含電荷的物質類似，二茂鐵可溶于大多數有機溶劑，如苯，但不溶于水。
二茂鐵在100°C時顯著升華。
化學性質
二茂鐵不適于催化加氫，也不作為雙烯體發生Diels-Alder反應，但它可發生傅-克酰基化及烷基化反應。
穩定性
1.避免與氧化劑接觸。
2.該試劑化學性質穩定，400C以內不分解，高于400C加熱分解釋放出辛辣的具刺激性的煙霧。對空氣和濕氣不敏感，不易與酸或堿反應，但對氧化劑較敏感。此外，應避免吸入或與皮膚接觸，長時間暴露于其中可引起肝部損傷。
歷史
二茂鐵的發現純屬偶然。1951年，杜肯大學的 Pauson 和 Kealy 用環戊二烯基溴化鎂處理三氯化鐵，試圖得到二烯氧化偶聯的產物富瓦烯（Fulvalene），但卻意外得到了一個很穩定的橙黃色固體。當時他們認為二茂鐵的結構并非夾心，并把其穩定性歸咎于芳香的環戊二烯基陰離子。與此同時，Miller、Tebboth 和 Tremaine 在將環戊二烯與氮氣混合氣通過一種還原鐵催化劑時也得到了該橙黃色固體。
伍德沃德和杰弗里·威爾金森，及恩斯特·菲舍爾分別獨自發現了二茂鐵的夾心結構，并且后者還在此基礎上開始合成二茂鎳和二茂鈷。NMR光譜和X射線晶體學的結果也證實了二茂鐵的夾心結構。二茂鐵的發現展開了環戊二烯基與過渡金屬的眾多π配位化合物的化學，也為金屬有機化學掀開了新的帷幕。
1973年慕尼黑大學的恩斯特·菲舍爾及帝國理工學院的杰弗里·威爾金森爵士被授予諾貝爾化學獎，以表彰他們在有機金屬化學領域的杰出貢獻。
電子結構
穆斯堡爾譜學數據顯示，二茂鐵中心鐵原子的氧化數為+2，每個茂環帶有一個單位負電荷。因此每個環含有6個π電子，符合休克爾規則中4n+2電子數的要求（n為自然數），每個環都有芳香性。每個環的6個電子*2，再加上亞鐵離子的6個d電子正好等于18，符合18電子規則，因此二茂鐵非常穩定。
二茂鐵中兩個茂環可以是重疊的（D5h），也可以是錯位的（D5d），它們之間的能壘僅有8-20kJ/摩爾。重疊構型可能是比較穩定的，但在晶體中分子間作用能在數量級上與能壘差不多大或略大些，所以各種各樣的構型都可存在。
理論數據
毒理學數據
1、急性毒性：大鼠經口LD5O：1320mg/kg；小鼠經口LD5O：832mg/kg
生態學數據
該物質對水有稍微的危害。
計算化學數據
1、疏水參數計算參考值（XlogP）：
2、氫鍵供體數量：0
3、氫鍵受體數量：2
4、可旋轉化學鍵數量：0
5、互變異構體數量：
6、拓撲分子極性表面積（TPSA）：0
7、重原子數量：11
8、表面電荷：0
9、復雜度：11.6
10、同位素原子數量：0
11、確定原子立構中心數量：0
12、不確定原子立構中心數量：0
13、確定化學鍵立構中心數量：0
14、不確定化學鍵立構中心數量：0
15、共價鍵單元數量：3
貯存方法
1.儲存于陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源、防靜電。防止陽光直射。保持容器密封。應與氧化劑分開存放，切忌混儲。配備相應品種和數量的消防器材。儲區應備有泄漏應急處理設備和合適的收容材料。
物化性質
桔黃色針狀結晶。熔點172.5-173℃，100℃以上升華，沸點249℃。溶于硝酸、濃硫酸、苯、乙醚、石油醚和四氫呋喃，在稀硝酸和濃硫酸中生成帶藍色熒光的栗色溶液。不溶于水、10%氫氧化鈉和熱的濃鹽酸，這些溶劑的沸液中，二茂鐵既不溶解也不分解，能隨蒸汽揮發，有類似樟腦的氣味，在空氣中穩定，具有強烈吸收紫外線的作用，對熱相當穩定，可耐470℃高溫加熱。
物理參數
蒸汽壓:0.03 mmHg ( 40 °C)
沸點:249 °C(lit.)
熔點:172-174 °C(lit.)
密度:(20°C) 2.69 g/cm3
紫外吸收:λmax 358 nm
質量指標
二茂鐵的質量分數 ≥98.0% 游離鐵 ≤200X10-6
熔點 172~174℃ 甲苯不溶物 ≤0.5%
衍生物
羰基鐵與環戊二烯在高壓釜中于135°C反應得到一種深紅紫色晶體的雙核配位化合物環戊二烯基基鐵 [Fe(η5-C5H5)(CO)2]2，它對空氣和水都是穩定的。結構測定表明該化合物中兩個成橋羰基及兩個鐵原子共平面，且存在 Fe-Fe 鍵。環戊二烯基羰基鐵很容易制備，并且在有機合成中有廣泛應用。
制備方法
由鐵粉與環戊二烯在300℃的氮氣氛中加熱，或以碘化鈉氯化亞鐵與環戊二烯合鈉在四氫呋喃中反應而得，也可采用電解合成法，采用環戊二烯、氯化亞鐵、二乙胺為原料合成二茂鐵可按下法操作。攪拌下，向四氫呋喃中分次投入無水三氯化鐵(FeCL3)，再加入鐵粉，在氮氣保護下加熱回流4.5h，得到氯化亞鐵溶液。減壓病蒸除溶劑四氫呋喃，得近干的殘留物。在冰浴冷卻下，加入環戊二烯和二乙胺的混合液，在室溫下猛烈攪拌6-8h，減壓蒸除多余的胺，殘留物用石油醚回流萃取。將萃取液趁熱過濾，蒸除溶劑后，即得二茂鐵粗品。用正戊烷或環己烷重結晶，或采用升華法提出純，即為精制品收率73-84%。
用途說明
二茂鐵可用作火箭燃料添加劑，汽油的抗爆劑和橡膠及硅樹脂的熟化劑，也可作紫外線吸收劑。二茂鐵的乙烯基衍生物能發生烯鍵聚合，得到碳鏈BOBBIN的含金屬均聚物，可作航天飛船的散逸層涂料。二茂鐵的消煙助燃作用發現較早，無訟是添加在固體燃料、液體燃料或氣體燃料中，都能發揮這種效應，尤其對于在燃燒時產生煙大的烴類，其效果更為顯著。其添加在汽油中有很好的抗震作用，但是由于氧化鐵沉積到火花塞上影響發火而受到限制，為此，也有人使用排鐵混合物以減少鐵的沉積現象。二茂鐵添加在煤油或柴油中，由于該發動機不用點火裝置，所以不良的影響較少，在燃燒中除了消煙助燃外，其還有促使一氧化碳較化為二氧化碳的作用。
另外，它在燃燒中可提高燃燒熱、增加功率而達到節能和減少空氣污染的效果，二茂鐵添加到鍋爐燃料油中，可減少煙的生成和噴嘴積碳。在柴油中添加0.1%，可消煙30-70%，節油10-14%,功率提高10%。二茂鐵用在固體火箭燃料中的使用報道更多，甚至還有摻在煤粉中作減速煙劑使用。在以有機高分子化合物聚合物廢料作燃料時，添加二茂鐵后可降煙數倍，還可作塑料的減煙添加劑。除上述用途以外，二茂鐵還有其他應用，作為鐵肥料，有益于植物吸收，增長率加作物的含鐵量，它的衍生物可作殺蟲劑。二茂鐵的工業和有機合成方面的用途也很多，例如，它的衍生物可作為橡膠或聚乙烯的抗氧化劑、聚脲的穩定劑、2-甲基丙烯痙甲基化催化劑、高分子過氧化物的分解催化劑，增加甲苯氯化中對位氯甲苯的產率，在其他方面又可作為潤滑油抗負荷添加劑、研磨材料的促進劑等。
二茂鐵衍生物具有疏水性(或親油性) , 能順利通過細胞膜, 與細胞內各種酶、脫氧核糖核酸、核糖核酸 等物質起作用, 因而有可能作為治療某些疾病的藥物; 二茂鐵衍生物具有芳香性, 易于發生取代反應, 具有一定厚度的夾心結構, 能阻止二茂鐵衍生物接近某些酶的活性部位, 具有較強選擇性; 二茂鐵衍生物穩定性好、毒性較低，基于這些特性, 二茂鐵衍生物具有抗腫瘤、殺菌、殺蟲脒、治貧血、抗炎藥、調節植物生長、抗潰瘍、酶抑制劑等生理活性, 其在生物學、醫學、微生物學等領域有廣泛的應用前景。
二茂鐵在化學、工業及醫藥等領域中有著非常廣泛和重要的用途，如：可用作燃油消煙劑或燃速調節劑、光敏劑、穩定劑、高分子材料改良劑等，且可用于合成D-β-氨基酸、二茂鐵芐青霉素等藥物中間體，還可用作補血劑治療缺鐵性貧血等。
危險說明
危險代碼: F,Xn
危險等級:11-22
安全等級:16-22-36-61
聯合國編號：UN1325
參考資料 >