무기화학실험 | Preparation of Ferrocene

 

 

 

TIP

 

 

1. The synthesis and electronic structure of ferrocene
2. (η₅-C₅H₅)2Fe[bis(pentahaptocyclopentadienyl) iron(II)]

 

 

 

샌드위치 화합물(Sandwich compound)

1) 2개의 유기 고리계(비편재화된 π 구조를 지닌 고리형 유기 리간드)가 금속 원자와 대칭적으로 결합되어 있는 전이 금속의 유도체

2) 전이 금속의 이온과 방향족 화합물의 사이에서 생기는 화합물

 

 

3) 방향 고리의 사이에 금속 이온이 끼여 있는 형태

4) 금속 이온의 d 오비탈과 방향 고리의 π 오비탈의 상호작용에 의해 결합이 생김

 

 

페로센(Ferrocene)

Ferrocene(C₁₀H₁₀Fe)은 안정한 노란색 유기금속 화합물이다. 1951년에 처음 발견되었을 때, Ferrocene에 대한 상당히 많은 양의 구조를 가지고 있었다. 초기에 cyclopentadienyl 고리에 철(Ⅱ)은 두 Fe-C 결합을 한다고 제안했으나. 곧 한 철 원자 주위에 두 개의 5각형 고리로 구성되어 있음을 알아냈다.

 

두 cyclopentadienylanion(C₅H₅^-), ferrous 이온, Fe²⁺로 구성되며 각 고리의 5개 탄소는 철 원자에 동일하게 결합하고 있다. cyclopentadienyl 이온은 총 6개의 전자를 포함하는 5개의 p 궤도함수 고리를 가지는 aromatic이기 때문에 부분적으로 안정하다.

 

 

Ferrocene은 친핵성 아로마틱 치환 반응을 한다. cyclopentadiene 탄소에 붙은 수소의 pKa= 15.5로 비교적 산성이다. 수산화 칼륨 같은 강한 염기는 cyclopentadienide 이온을 만들기 위해 cyclopentadienide과 반응할 것이다.

 

 

실험 방법

1. Cracking of dicyclopentadiene

1) Cyclopentadiene을 만들기 위해서는 dicyclopentadiene을 cracking을 통해서 순수한 cyclopentadiene을 만들어야 한다. cracking은 cyclopentadiene의 끓는점 정도의 온도를 유지해서 열을 가하는 작업인데 이 이유는 이 반응이 diels-alder 반응이고 이 반응은 가역반응이기 때문에 정반응을 유리하게 하기 위해서 계속해서 열을 가하는 것이다. 본 실험에서는 simple fractioinal distillation을 사용한다.

 

2) 2.5㎖의 mineral oil을 5㎖의 short necked flask에 가한다.

 

3) thermometer의 bulb를 oil에 닫게 하고 heater의 controller를 5에 맞춘다.

 

4) 플라스크의 온도가 250℃ 정도에서 평형을 유지한다.

 

5) heater의 controller를 3~4정도로 맞추고 dicyclopentadiene을 드롭 시킨다.

 

6) 2~3분 가량 지나면 1,3-cyclopentadiene이 receiving flask에서 응축되기 시작한다.

 

7) 지속적으로 dimer를 드롭시키고 5~10초에 한방울 정도로 충분히 느리게 드롭한다.

 

8) 충분한 양(3~4㎎)의 1,3-cyclopentadiene이 얻어질 때까지 드롭을 유지한다.

 

 

2. Synthesis of ferrocene

1) 신속하게 0.8g의 KOH를 막자사발에 간다(KOH는 강력한 base이기 때문에 주의해야함 글러브 박스 사용)

 

2) 신속히 갈은 KOH를 N₂ gas가 채워져 있고 magnetic stirring bar와 2㎖의 1,2-dimethoxyetane이 있는 둥근 플라스크에 옮긴다. 주시기를 이용해서 0.2㎖의 증류한 cyclopentadiene 플라스크에 천천히 가한다.

 

3) 플라스크를 격렬하게 stirring 한다. solution이 brown 색으로 변하는데 이는 potassium cyclopentadiene salt가 만들어 졌기 때문이다.

 

4) Potassium cyclopentadiene salt가 만들어지는 동안에 1.2㎖의 DMSO에 0.24g의 FeCl₂․4H₂O를 가한 solution을 만든다.

 

5) Pasteur pipet을 이용해서 FeCl₂ solution을 플라스크에 천천히 가한다.(약 10분 동안)

 

6) 약 15~20분간 stirring하면 반응이 종결된다. 생성물을 삼각플라스크에 옮긴다.

 

7) 눈금이 있는 cylinder에 4g의 얼음과 3.5㎖의 6M HCl의 mixture를 준비해서 이를 생성물이 있는 삼각플라스크에 가한다.

 

8) 남아있는 KOH가 완전히 중화될 수 있게 stirring한다 (pH 페이퍼로 확인 후 필요하다면 HCl을 더 가한다

 

9) Hirsch 깔대기를 이용해서 오렌지색 crystal을 필터하고 1㎖의 증류수로 2번 씻어낸다

 

10) Hirsch 깔대기 위에 있는 crystal을 공기중에 5분간 말린다.

 

11) 수득률을 측정하고 melting point를 결정한다.

 

 

 

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