El ferroceno es un compuesto organometálico con la fórmula Fe(C 5 H 5 ) 2 . La molécula es un complejo que consiste en dos anillos de ciclopentadienilo que encierran un átomo central de hierro . Es un sólido anaranjado con un olor parecido al del alcanfor que sublima por encima de la temperatura ambiente y es soluble en la mayoría de los solventes orgánicos. Es notable por su estabilidad: no se ve afectado por el aire, el agua y las bases fuertes, y puede calentarse a 400 °C sin descomponerse. En condiciones oxidantes puede reaccionar reversiblemente con ácidos fuertes para formar el catión ferrocenio Fe(C 5 H 5 )+2. [7] El ferroceno y el catión ferrocenio a veces se abrevian como Fc y Fc + respectivamente.
La primera síntesis de ferroceno de la que se tiene noticia fue en 1951. Su inusual estabilidad desconcertó a los químicos y requirió el desarrollo de una nueva teoría para explicar su formación y enlace. El descubrimiento del ferroceno y sus numerosos análogos , conocidos como metalocenos , despertó entusiasmo y condujo a un rápido crecimiento de la disciplina de la química organometálica . Geoffrey Wilkinson y Ernst Otto Fischer , quienes trabajaron en la elucidación de la estructura del ferroceno, compartieron posteriormente el Premio Nobel de Química de 1973 por su trabajo sobre compuestos organometálicos tipo sándwich. El ferroceno en sí no tiene aplicaciones a gran escala, pero ha encontrado usos más especializados en catálisis, como aditivo para combustibles y como herramienta en la educación universitaria.
El ferroceno fue descubierto por accidente dos veces. La primera síntesis conocida pudo haber sido realizada a fines de la década de 1940 por investigadores desconocidos de Union Carbide , quienes intentaron pasar vapor caliente de ciclopentadieno a través de una tubería de hierro. El vapor reaccionó con la pared de la tubería, creando un "lodo amarillo" que obstruyó la tubería. Años después, Eugene O. Brimm obtuvo y analizó una muestra del lodo que se había salvado, poco después de leer el artículo de Kealy y Pauson, y se descubrió que consistía en ferroceno. [7] [8]
La segunda vez fue alrededor de 1950, cuando Samuel A. Miller, John A. Tebboth y John F. Tremaine, investigadores de British Oxygen , intentaban sintetizar aminas a partir de hidrocarburos y nitrógeno en una modificación del proceso Haber . Cuando intentaron hacer reaccionar ciclopentadieno con nitrógeno a 300 °C, a presión atmosférica, se sintieron decepcionados al ver que el hidrocarburo reaccionaba con alguna fuente de hierro, produciendo ferroceno. Si bien ellos también observaron su notable estabilidad, dejaron de lado la observación y no la publicaron hasta después de que Pauson informara sus hallazgos. [7] [9] [10] Posteriormente, Miller et al. proporcionaron a Kealy y Pauson una muestra , quienes confirmaron que los productos eran el mismo compuesto. [8]
En 1951, Peter L. Pauson y Thomas J. Kealy de la Universidad Duquesne intentaron preparar fulvaleno ( (C 5 H 4 ) 2 ) mediante dimerización oxidativa de ciclopentadieno ( C 5 H 6 ). Para ello, hicieron reaccionar el compuesto de Grignard bromuro de ciclopentadienilmagnesio en éter dietílico con cloruro férrico como oxidante. [7] Sin embargo, en lugar del fulvaleno esperado, obtuvieron un polvo naranja claro de "notable estabilidad", con la fórmula C 10 H 10 Fe . [8] [11]
Pauson y Kealy conjeturaron que el compuesto tenía dos grupos ciclopentadienilo, cada uno con un enlace covalente simple desde el átomo de carbono saturado al átomo de hierro. [7] Sin embargo, esa estructura era inconsistente con los modelos de enlace existentes en ese momento y no explicaba la estabilidad inesperada del compuesto, y los químicos lucharon por encontrar la estructura correcta. [10] [12]
La estructura fue deducida y reportada independientemente por tres grupos en 1952. [13] Robert Burns Woodward y Geoffrey Wilkinson la dedujeron al observar que el ferroceno experimentaba reacciones típicas de compuestos aromáticos como el benceno . [14] Ernst Otto Fischer y Wolfgang Pfab notaron que el compuesto era diamagnético y centrosimétrico, sintetizando también niqueloceno y cobaltoceno y confirmando que tenían la misma estructura. [15] Fischer describió la estructura como Doppelkegelstruktur ("estructura de doble cono"), aunque el término "sándwich" fue preferido por los químicos británicos y estadounidenses. [16] Philip Frank Eiland y Raymond Pepinsky confirmaron la estructura a través de cristalografía de rayos X y más tarde por RMN . [10] [17] [18] [19]
La estructura en "sándwich" del ferroceno era sorprendentemente novedosa y requería una nueva teoría para explicarla. Aplicación de la teoría de orbitales moleculares con el supuesto de un centro Fe 2+ entre dos aniones de ciclopentadienuro C 5 H−5dio como resultado el exitoso modelo Dewar–Chatt–Duncanson , que permitió predecir correctamente la geometría de la molécula y además explicó su notable estabilidad. [20] [21]
El descubrimiento del ferroceno fue considerado tan significativo que Wilkinson y Fischer compartieron el Premio Nobel de Química de 1973 "por su trabajo pionero, realizado independientemente, sobre la química de los compuestos organometálicos, llamados compuestos sándwich ". [22]
La espectroscopia de Mössbauer indica que al centro de hierro del ferroceno se le debe asignar el estado de oxidación +2. A cada anillo de ciclopentadienilo (Cp) se le debe asignar una única carga negativa. Por lo tanto, el ferroceno podría describirse como bis( ciclopentadienuro ) de hierro(II), Fe 2+ [C 5 H−5] 2 .
Cada anillo tiene seis electrones π, lo que los hace aromáticos según la regla de Hückel . Estos electrones π se comparten con el metal a través de un enlace covalente. Dado que Fe2 + tiene seis electrones d , el complejo alcanza una configuración de 18 electrones , lo que explica su estabilidad. En la notación moderna, este modelo estructural tipo sándwich de la molécula de ferroceno se denota como Fe ( η5 - C5H5 ) 2 , donde η denota hapticidad , el número de átomos a través de los cuales se une cada anillo.
Las distancias de enlace carbono-carbono alrededor de cada anillo de cinco miembros son todas de 1,40 Å, y todas las distancias de enlace Fe-C son de 2,04 Å. Desde temperatura ambiente hasta 164 K, la cristalografía de rayos X produce el grupo espacial monoclínico; los anillos de ciclopentadienuro tienen una conformación escalonada, lo que resulta en una molécula centrosimétrica, con un grupo de simetría D 5d . [17] Sin embargo, por debajo de 110 K, el ferroceno cristaliza en una red cristalina ortorrómbica en la que los anillos Cp están ordenados y eclipsados, de modo que la molécula tiene un grupo de simetría D 5h . [23] En la fase gaseosa, la difracción de electrones [24] y los estudios computacionales [25] muestran que los anillos Cp están eclipsados. Si bien el ferroceno no tiene un momento dipolar permanente a temperatura ambiente, entre 172,8 y 163,5 K la molécula exhibe una "modulación inconmensurable", rompiendo la simetría D 5 y adquiriendo un dipolo eléctrico. [26]
Los anillos de Cp giran con una barrera baja alrededor del eje Cp (centroide) –Fe–Cp (centroide) , como se observa en las mediciones de derivados sustituidos de ferroceno utilizando espectroscopia de resonancia magnética nuclear de 1 H y 13 C. Por ejemplo, el metilferroceno (CH 3 C 5 H 4 FeC 5 H 5 ) exhibe un singlete para el anillo C 5 H 5 . [27]
En solución y a temperatura ambiente, se determinó que el ferroceno D 5h eclipsado dominaba sobre el confórmero D 5d escalonado , como lo sugirieron tanto la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier como los cálculos DFT . [28]
Las primeras síntesis de ferroceno de las que se tiene conocimiento fueron casi simultáneas. Pauson y Kealy sintetizaron ferroceno utilizando cloruro de hierro(III) y bromuro de ciclopentadienilmagnesio. [11] Una reacción redox produce cloruro de hierro(II). La formación de fulvaleno, el resultado previsto, no se produce. [8]
Otra síntesis temprana de ferroceno fue la de Miller et al. [ 9] , quienes trataron el hierro metálico con ciclopentadieno gaseoso a temperatura elevada. [29] También se informó sobre un enfoque que utiliza pentacarbonilo de hierro . [30]
Los métodos preparativos más eficientes son generalmente una modificación de la secuencia de transmetalación original utilizando ciclopentadienuro de sodio disponible comercialmente [31] o ciclopentadieno recién craqueado desprotonado con hidróxido de potasio [32] y reaccionado con cloruro de hierro (II) anhidro en solventes etéreos.
Se conocen modificaciones modernas del enfoque original de Grignard de Pauson y Kealy:
Incluso algunas bases de amina (como la dietilamina ) se pueden utilizar para la desprotonación, aunque la reacción avanza más lentamente que cuando se utilizan bases más fuertes: [31]
La transmetalación directa también se puede utilizar para preparar ferroceno a partir de otros metalocenos, como el manganoceno : [33]
El ferroceno es un sólido naranja estable al aire con un olor similar al del alcanfor. Como es de esperarse para una especie simétrica y sin carga, el ferroceno es soluble en solventes orgánicos normales, como el benceno, pero es insoluble en agua. Es estable a temperaturas de hasta 400 °C. [34]
El ferroceno sublima fácilmente , especialmente al calentarlo al vacío. Su presión de vapor es de aproximadamente 1 Pa a 25 °C, 10 Pa a 50 °C, 100 Pa a 80 °C, 1000 Pa a 116 °C y 10 000 Pa (casi 0,1 atm ) a 162 °C. [35] [36]
El ferroceno experimenta muchas reacciones características de los compuestos aromáticos, lo que permite la preparación de derivados sustituidos. Un experimento común entre estudiantes universitarios es la reacción de Friedel-Crafts del ferroceno con anhídrido acético (o cloruro de acetilo ) en presencia de ácido fosfórico como catalizador. En condiciones para una reacción de Mannich , el ferroceno produce N,N-dimetilaminometilferroceno .
El propio ferroceno puede utilizarse como cadena principal de un ligando, por ejemplo, el 1,1'-bis(difenilfosfino)ferroceno (dppf). El propio ferroceno puede oxidarse al catión ferrocenio (Fc + ); el par ferroceno/ferrocenio se utiliza a menudo como referencia en electroquímica. [12]
Es una sustancia aromática y sufre reacciones de sustitución en lugar de reacciones de adición en los ligandos de ciclopentadienilo. Por ejemplo, la acilación de Friedel-Crafts del ferroceno con anhídrido acético produce acetilferroceno [37], al igual que la acilación del benceno produce acetofenona en condiciones similares.
La protonación del ferroceno permite el aislamiento de [Cp 2 FeH]PF 6 . [38]
En presencia de cloruro de aluminio , Me2NPCl2 y ferroceno reaccionan para dar ferrocenildiclorofosfina, [ 39] mientras que el tratamiento con fenildiclorofosfina en condiciones similares forma P , P -diferrocenil- P -fenilfosfina. [40]
El ferroceno reacciona con P 4 S 10 y forma un disulfuro de diferrocenil-ditiadifosfetano. [41]
El ferroceno reacciona con el butillitio para formar 1,1′-dilitioferroceno , que es un nucleófilo versátil . En combinación con el butillitio, el terc -butillitio produce monolitioferroceno. [42]
El ferroceno sufre una oxidación de un electrón a alrededor de 0,4 V frente a un electrodo de calomelanos saturado (SCE), convirtiéndose en ferrocenio . Esta oxidación reversible se ha utilizado como estándar en electroquímica como Fc + /Fc = 0,64 V frente al electrodo de hidrógeno estándar , [43] sin embargo, se han informado otros valores. [44] El tetrafluoroborato de ferrocenio es un reactivo común. [45] El comportamiento de oxidación-reducción notablemente reversible se ha utilizado ampliamente para controlar los procesos de transferencia de electrones en sistemas electroquímicos [46] [47] y fotoquímicos [48] [49] .
Los sustituyentes en los ligandos de ciclopentadienilo alteran el potencial redox de la manera esperada: los grupos que atraen electrones, como un ácido carboxílico, cambian el potencial en la dirección anódica ( es decir, se vuelven más positivos), mientras que los grupos que liberan electrones, como los grupos metilo , cambian el potencial en la dirección catódica (más negativo). Por lo tanto, el decametilferroceno se oxida mucho más fácilmente que el ferroceno e incluso puede oxidarse al dicatión correspondiente. [50] El ferroceno se utiliza a menudo como un estándar interno para calibrar los potenciales redox en electroquímica no acuosa .
Los ferrocenos disustituidos pueden existir como isómeros 1,2, 1,3 o 1,1′, ninguno de los cuales es interconvertible. Los ferrocenos que están disustituidos asimétricamente en un anillo son quirales, por ejemplo [CpFe(EtC 5 H 3 Me)]. Esta quiralidad planar surge a pesar de que ningún átomo es un centro estereogénico . Se ha demostrado que el ferroceno sustituido que se muestra a la derecha (un derivado de 4-(dimetilamino)piridina) es eficaz cuando se utiliza para la resolución cinética de alcoholes secundarios racémicos . [51] Se han desarrollado varios enfoques para funcionalizar asimétricamente el ferroceno en 1,1′. [52]
El ferroceno y sus numerosos derivados no tienen aplicaciones a gran escala, pero tienen muchos usos específicos que explotan su estructura inusual ( andamios de ligandos , candidatos farmacéuticos ), robustez ( formulaciones antidetonantes , precursores de materiales) y redox (reactivos y estándares redox).
Las fosfinas ferrocenílicas quirales se emplean como ligandos para reacciones catalizadas por metales de transición. Algunas de ellas han encontrado aplicaciones industriales en la síntesis de productos farmacéuticos y agroquímicos. Por ejemplo, la difosfina 1,1′-bis(difenilfosfino)ferroceno (dppf) es un ligando valioso para las reacciones de acoplamiento de paladio y el ligando Josiphos es útil para la catálisis de hidrogenación. [53] Su nombre se debe al técnico que fabricó la primera, Josi Puleo. [54] [55]
El ferroceno y sus derivados son agentes antidetonantes utilizados en el combustible para motores de gasolina . Son más seguros que el tetraetilo de plomo utilizado anteriormente . [56] Se pueden agregar soluciones de aditivos de gasolina que contienen ferroceno a la gasolina sin plomo para permitir su uso en automóviles antiguos diseñados para funcionar con gasolina con plomo. [57] Los depósitos que contienen hierro formados a partir del ferroceno pueden formar un revestimiento conductor en las superficies de las bujías . Los copolímeros de poliglicol de ferroceno, preparados al efectuar una reacción de policondensación entre un derivado de ferroceno y un alcohol dihidroxi sustituido, son prometedores como componente de los propulsores de cohetes. Estos copolímeros proporcionan a los propulsores de cohetes estabilidad térmica, actuando como un aglutinante de propulsores y controlando la velocidad de combustión del propulsor. [58]
Se ha comprobado que el ferroceno es eficaz para reducir el humo y el trióxido de azufre que se producen al quemar carbón. La adición por cualquier medio práctico, impregnando el carbón o añadiendo ferroceno a la cámara de combustión, puede reducir significativamente la cantidad de estos subproductos indeseables, incluso con una pequeña cantidad del compuesto metálico ciclopentadienílico. [59]
Los derivados del ferroceno han sido investigados como fármacos, [60] con un compuesto ferrocerona aprobado para su uso en la URSS en la década de 1970 como suplemento de hierro , aunque ya no se comercializa en la actualidad. [61] Solo un fármaco ha entrado en ensayos clínicos en los últimos años, la ferroquina (7-cloro-N-(2-((dimetilamino)metil)ferrocenil)quinolin-4-amina), un antipalúdico , [62] [63] [64] que ha alcanzado los ensayos de fase IIb. [65] Se han investigado sistemas de administración de fármacos basados en polímeros que contienen ferroceno. [66]
La actividad anticancerígena de los derivados del ferroceno se investigó por primera vez a finales de los años 1970, cuando se probaron derivados que contenían grupos amina o amida contra la leucemia linfocítica . [67] Algunas sales de ferrocenio exhiben actividad anticancerígena, pero ningún compuesto ha sido evaluado en la clínica. [68] Los derivados del ferroceno tienen una fuerte actividad inhibidora contra la línea celular de cáncer de pulmón humano A549, la línea celular de cáncer colorrectal HCT116 y la línea celular de cáncer de mama MCF-7. [69] Se informó sobre un fármaco experimental que es una versión ferrocenil del tamoxifeno . [70] La idea es que el tamoxifeno se una a los sitios de unión del estrógeno , lo que resulta en citotoxicidad. [70] [71]
Los ferrocifenos son utilizados en aplicaciones contra el cáncer por una empresa de biotecnología francesa, Feroscan, fundada por el profesor Gerard Jaouen.
El ferroceno y los derivados relacionados se utilizan como potentes catalizadores de velocidad de combustión en el propulsor compuesto de perclorato de amonio . [72]
Los análogos del ferroceno pueden prepararse con variantes del ciclopentadienilo, por ejemplo, bis- indeniliron y bis-fluoreniliron. [55]
Los átomos de carbono pueden ser reemplazados por heteroátomos como lo ilustran Fe( η 5 -C 5 Me 5 )( η 5 -P 5 ) y Fe( η 5 -C 5 H 5 )( η 5 -C 4 H 4 N) ("azaferroceno"). El azaferroceno surge de la descarbonilación de Fe( η 5 -C 5 H 5 )(CO) 2 ( η 1 -pirrol) en ciclohexano . [73] Este compuesto al hervir a reflujo en benceno se convierte en ferroceno. [74]
Debido a la facilidad de sustitución, se han preparado muchos derivados de ferroceno estructuralmente inusuales. Por ejemplo, el ligando penta(ferrocenil)ciclopentadienilo, [75] presenta un anión ciclopentadienilo derivatizado con cinco sustituyentes de ferroceno.
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En el hexaferrocenilbenceno , C 6 [( η 5 -C 5 H 4 )Fe( η 5 -C 5 H 5 )] 6 , las seis posiciones en una molécula de benceno tienen sustituyentes ferrocenilo ( R ). [76] El análisis de difracción de rayos X de este compuesto confirma que los ligandos de ciclopentadienilo no son coplanares con el núcleo de benceno sino que tienen ángulos diedros alternos de +30° y −80°. Debido al hacinamiento estérico, los ferrocenilos están ligeramente doblados con ángulos de 177° y tienen enlaces C-Fe alargados. Los átomos de carbono cuaternarios del ciclopentadienilo también están piramidales . Además, el núcleo de benceno tiene una conformación de silla con ángulos diedros de 14° y muestra una alternancia de longitud de enlace entre 142,7 pm y 141,1 pm, ambas indicaciones de hacinamiento estérico de los sustituyentes.
Se ha informado sobre la síntesis de hexaferrocenilbenceno mediante el acoplamiento de Negishi de hexayodobenceno y diferrocenilzinc, utilizando tris(dibencilidenoacetona)dipaladio(0) como catalizador , en tetrahidrofurano : [76]
El rendimiento es solo del 4%, lo que constituye una evidencia adicional consistente con un hacinamiento estérico sustancial alrededor del núcleo de areno.
El ferroceno, un precursor de las nanopartículas de hierro, se puede utilizar como catalizador para la producción de nanotubos de carbono. [78] El vinilferroceno se puede fabricar mediante una reacción de Wittig del aldehído , una sal de fosfonio e hidróxido de sodio . [79] El vinilferroceno se puede convertir en un polímero (polivinilferroceno, PVFc), una versión ferrocenílica del poliestireno (los grupos fenilo se sustituyen por grupos ferrocenilo). Otro poliferroceno que se puede formar es el poli(ferrocencarboxilato de 2-(metacriloiloxi)etilo), PFcMA. Además de utilizar cadenas principales de polímeros orgánicos, estas unidades de ferroceno colgantes se han unido a cadenas principales inorgánicas como polisiloxanos , polifosfacenos y polifosfinoboranos, (–PH(R)–BH 2 –) n , y los materiales resultantes exhiben propiedades físicas y electrónicas inusuales relacionadas con el par redox ferroceno/ferrocinio. [77] Tanto el PVFc como el PFcMA se han unido a obleas de sílice y se ha medido la humectabilidad cuando las cadenas de polímero no están cargadas y cuando las fracciones de ferroceno se oxidan para producir grupos cargados positivamente. El ángulo de contacto con el agua en las obleas recubiertas de PFcMA fue 70° menor después de la oxidación, mientras que en el caso del PVFc la disminución fue de 30° y el cambio de humectabilidad es reversible. En el caso del PFcMA, el efecto de alargar las cadenas y, por lo tanto, introducir más grupos de ferroceno es una reducción significativamente mayor del ángulo de contacto tras la oxidación. [77] [80]
