二茂鐵制備實驗報告.doc

華 南 師 范 大 學 實 驗 報 告學生姓名 吳健華 學 號 20102401046 專 業(yè) 化學(師范) 班 級 10化學五班 課程名稱 化學綜合實驗實驗類型： 驗證設計綜合 實驗時間 2014 年 3 月 27 日 指導老師 鄭盛潤老師 預習碼： 54074 實驗評分 二茂鐵的綠色合成一、前言1.1.實驗目的(1)了解一些易對環(huán)境造成污染的化合物的綠色合成方法，力求把對環(huán)境的影響降到最低限度，培養(yǎng)學生在從事科研與生產(chǎn)活動中綠色、環(huán)保理念。(2)掌握用微型合成裝置合成、提取二茂鐵的操作技術。(3)學會通過熔點的測定、紅外光譜等手段來分析鑒定二茂鐵。 1.2.背景知識二茂鐵又叫雙環(huán)戊二烯基鐵,學名二環(huán)戊二烯基鐵,是由兩個環(huán)戊二烯基陰離子和一個二價鐵陽離子組成的夾心型化合物。其分子式為(C5H5)2Fe,分子量為186,外觀為橙黃色針狀或粉末狀結(jié)晶,具有類似樟腦的氣味，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、苯等有機溶劑。其分子呈極性,具有高度熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和耐輻射性,溶于濃硫酸中,在沸騰的燒堿溶液和鹽酸中不溶解,不分解。在化學性質(zhì)上,二茂鐵與芳香族化合物相似,不容易發(fā)生加成反應,容易發(fā)生親電取代反應,可進行金屬化、酰基化、烷基化、磺化、甲?；约芭浜象w交換等反應,從而可制備一系列用途廣泛的衍生物。目前,二茂鐵的制備方法主要可分化學合成法和電解合成法兩大類?；瘜W合成法：化學合成法主要有環(huán)戊二烯鈉法、二乙胺法、相轉(zhuǎn)移催化法、二甲基亞砜法等。電解合成法：在直流電的作用下,用恒電流法或恒電壓法,以鐵板和鎳板作電極。隨著各種合成技術的出現(xiàn)，其衍生物也多達數(shù)百種,因此其用途越來也越來越廣。二茂鐵及其衍生物在生活的應用非常廣泛，概括的來講，主要有以下幾個方面：作燃料的添加劑，將二茂鐵加到燃料中可能起到助燃、消煙以及抗震的作用；作催化劑，二茂鐵可作為合成氨以及高分子過氧化物分解的催化劑；在生化和分析上的應用，二茂鐵可用于銀、釩、汞、鉛、金等元素的安培滴定法分析中；作塑料、橡膠等高分子聚合物的添加劑，將二茂鐵加到聚乙烯中可以改善聚乙烯電穩(wěn)定器涂層的效果；此外, 二茂鐵還可用于農(nóng)業(yè)、機械等。如二茂鐵作為鐵肥料, 能使作物較快生長, 并增加其鐵含量。二茂鐵的衍生物可作為殺蟲劑。二茂鐵可作潤滑油抗負荷添加劑, 耐磨材料的促進劑等?？傊F的用途極為廣泛, 開發(fā)二茂鐵產(chǎn)品, 對燃料、高分子、催化、生化等領域都有很重要的意義。二、實驗部分2.1.實驗原理二茂鐵的合成方法可分為電解合成法和化學合成法。電解合成法能連續(xù)操作，但產(chǎn)率低，操作復雜，污染大?；瘜W合成法的應用較多，國內(nèi)主要有醇鈉法、有機胺法，但存在試劑要求高、反應時間長和有污染等方法自身的缺點，不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。本實驗采用二甲基亞砜為溶劑，以環(huán)戊二烯、氯化亞鐵和氫氧化鉀為原料經(jīng)一步反應得到粗產(chǎn)物，然后用石油醚萃取混合液來提純二茂鐵?；瘜W方程式為：8KOH+2C5H6+FeCl24H2O=Fe(C5H5)2+2KCl+6KOHH2O該方法的優(yōu)點是簡化了環(huán)戊二烯脫質(zhì)子步驟。本法中，氫氧化鉀不僅用作脫質(zhì)子試劑，還可作為干燥劑脫去原料中的水。2.2.儀器與藥品(1)主要儀器：氮氣袋、磁力攪拌子、磁力加熱攪拌器、真空干燥箱、微型實驗裝置一套、顯微熔點測定儀。(2)主要試劑：N2鋼瓶、乙二醇二甲醚（C.P）、二甲基亞砜（DMSO，C.P）、氫氧化鉀（A.R）、環(huán)戊二烯二聚體（工業(yè)級）、FeCl24H2O（A.R）、HCl（A.R）2.3.實驗步驟(1)二茂鐵的制備連接安裝好實驗裝置，在一只25ml三頸燒瓶里放入磁子，一側(cè)與氮氣袋相連，另一側(cè)與裝有硅油的錐形瓶相連。先在燒瓶中加入10ml乙二醇二甲醚和4.5g研磨細的KOH粉末，在通入氮氣并緩慢攪拌的情況下緩慢加入1.3ml環(huán)戊二烯。繼續(xù)通入氮氣，并控制氮氣的通入量（在硅油中氮氣泡一個接一個勻速放出），以趕走燒瓶中的空氣。同時將1.5g四水合氯化亞鐵溶在8ml二甲基亞砜（DMSO）,并轉(zhuǎn)入分液漏斗中。將混合物猛烈攪拌10min后，打開分液漏斗，控制適當?shù)牡渭铀俣仁孤然瘉嗚F的DMSO溶液在45min左右加完。滴加完畢后，關閉分液漏斗，在氮氣保護下繼續(xù)攪拌反應30min。（2）二茂鐵的分離與提純將混合液倒入100ml燒杯內(nèi)，緩慢加入HCl，調(diào)節(jié)pH23，再加入20ml 水，繼續(xù)攪拌懸浮液15min，然后用玻璃砂漏斗抽濾產(chǎn)物，并用少量水洗滌產(chǎn)物34次，收集產(chǎn)物，放在坩堝中并置于真空干燥箱內(nèi)烘干，稱重并計算產(chǎn)率。（3）產(chǎn)物熔點的測定用熔點儀測定產(chǎn)物二茂鐵的熔點。三、實驗現(xiàn)象及分析討論3.1.實驗現(xiàn)象與結(jié)果在實驗中，經(jīng)分液漏斗加入環(huán)戊二烯、四水合氯化亞鐵和DMSO的混合溶液后，溶液從原來的無色逐漸變成黃綠色。在反應過程中逐漸加熱，KOH逐漸溶解，溶液由黃綠色慢慢變成橙黃色，在反應過程中，保持一直通入氮氣。但隨著反應進行，并沒有明顯的產(chǎn)品生成。反應結(jié)束，得到了橙黃色、粘稠狀液體，經(jīng)鹽酸的分離提純和抽濾后，濾紙上得到極微量的橙色顆粒狀二茂鐵固體。3.2.實驗分析討論在本次實驗中，雖然二茂鐵的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)比較穩(wěn)定，且不易與酸堿反應，但在實驗中難以制備得到產(chǎn)物?？赡軐е聦嶒灢怀晒Φ脑蛉缦拢海?）氯化亞鐵易被氧化，純度較低。氯化亞鐵為黃綠色固體，而在實驗中當將氯化亞鐵溶解于DMSO后，并經(jīng)過短時間的放置，溶液已經(jīng)從黃綠色變?yōu)槌赛S色，主要是Fe2+被氧化為三價的鐵離子Fe3+，降低二價鐵離子的含量，從而二茂鐵的產(chǎn)量降低。因此在實驗中，可采用采用純度更高的氯化亞鐵固體，或者在實驗過程中，保證氯化亞鐵不被氧化，可在將氯化亞鐵溶解DMSO時，同時加入足量鐵粉以抑制其氧化。（2）實驗儀器沒有徹底干燥。在本次實驗中，因亞鐵離子很容易水解，繼而更易會被氧化為鐵離子，因此實驗中需要保證在無水條件下進行，應該采用潔凈干燥的儀器進行實驗。（3）實驗過程中需要無氧條件。因此需要保證實驗裝置的氣密性并且在反應體系中通入氮氣來隔絕氧氣。在實驗反應前應仔細檢查儀器、裝置的氣密性是否良好，且先通入氮氣一段時間再進行實驗，以保證體系處于無氧環(huán)境中。（4）反應中需要控制滴加速率。在滴加環(huán)戊二烯、四水合氯化亞鐵以及DMSO的混合液時，若速度過快，會導致產(chǎn)率難以保證。過早將混合溶液加入容易導致反應物接觸不充分，反應轉(zhuǎn)化率低，從而難以保證產(chǎn)率，實驗容易失敗。在實驗中可通過控制分液漏斗中液體的滴加速度，緩慢，少量多次地加入，并注意攪拌，使得加入的反應物充分反應。四、結(jié)論本實驗以環(huán)戊二烯、氯化亞鐵、氫氧化鉀等原料合成二茂鐵，該方法具有操作簡便快速、節(jié)省經(jīng)費、減少污染、安全等優(yōu)點，符合綠色環(huán)保理念。但在實驗中最終未能制得產(chǎn)物，考慮到實驗操作過程，可能是由于氯化亞鐵產(chǎn)品純度不高，實驗過程中沒能完全隔絕水和空氣，導致制備得不到二茂鐵產(chǎn)物。因此在后續(xù)的實驗中應當重視實驗失敗原因，改進實驗方案、優(yōu)化實驗環(huán)境、