“三明治”分子的诞生

“三明治”分子的诞生

有机金属化合物中有一个知名度很高的化合物——二茂铁［（C₅H₅）₂Fe］，于1951年几乎同时分别诞生于两个不同的实验室，两个研究小组各自独立地通过不同的途径合成出了这个著名的化合物。

凯利是用格氏试剂和FeCl₂进行合成。格氏试剂RMgX，其中R可以是烷基、烯基或苯基等，X是卤素Cl、Br或I，因为金属Mg原子和R基团中的C原子之间成键，故这也是一个有机金属化合物，是法国人格林尼亚发明的，通过它可以合成一系列有机化合物，因而格氏曾为格氏试剂而获1912年度的诺贝尔化学奖。合成二茂铁用的格氏试剂中的R基因是环戊二烯基

（C₅H₅）－2（C₅H₅）MgBr＋FeCl₂（C₅H₅）₂Fe＋MgCl₂＋MgBr₂

米勒是用环戊二烯和铁在300℃及常压下反应制得二茂铁的：

2C₅H₆＋Fe（C₅H₅）₂Fe＋H₂

因为Fe^2＋在空气中和Fe粉在300℃的温度条件下都极易被氧化，所以反应只能在氮气或氩气等保护性气体中进行。

二茂铁一经出世，敏感的化学家们当即洞悉这个新化合物将会开拓宽广的研究空间，从不同的角度，大家争相探索剖析：有人研究它的结构、成键理论、性能、开发应用；有人合成二茂铁的衍生物、二茂其他金属（Ti、Zr、Hf、Cr、Mn、Co、Ni、Ru、W、V）等，或以其他基团（苯、环辛四烯等）替代茂基（环戊二烯基），众多的与二茂铁结构类似的新化合物相继问世。对新化合物的研究又派生出许多的研究方向，因而在这一领域中营造了一派生机盎然的繁荣景象，且历久不衰。所以有人说，二茂铁是有机金属化学发展的里程碑，确也当之无愧。

研究二茂铁的结构最有成就的应属英国化学家威尔金森（1920—　）和德国化学家费歇尔（1918—　），他们通过不同的测试手段和计算，确定了二茂铁为一种新奇而有趣的夹心结构（图7—9）。两个平行的茂环中间夹着1个二价铁离子，恰似两片面包中间夹了一块香肠，所以得名“三明治”分子。基于确定二茂铁结构所作的杰出贡献，两位科学家共享了1973年度的诺贝尔化学奖。

二茂铁是个化学性质相当稳定的分子，这是它的化学键特征所决定的。因为二价铁离子是和2个茂基中的10个碳原子同时成键，Fe^2＋和2个茂基提供的所有电子正好充满了它们三者所能提供的全部成键轨道——“全充满”，也就是每个轨道上都填满了自旋相反的比翼双飞的一对电子，电子数与成键轨道数正好相匹配，如果多电子就可能给出电子作还原剂，少了电子就可获得电子作氧化剂，电子数不多不少其化学性质则相对稳定。

图7－9　二茂铁气相的分子结构

利用二茂铁的稳定性，它可用作火箭燃料的添加剂、汽油的抗震剂、橡胶和硅树脂的紫外线吸收剂，不过当今研究的热点是二茂铁及其衍生物和其它二茂系属的抗癌、抗菌活性。

当我们在肿瘤医院里看到有的人在脸上的某些部位有朱砂笔作出的标志的时候（癌症患者接受放射性治疗的部位的标记），我们会对他们投去无限同情的目光。多少年来，被癌症夺去了生命的人何止万千！如何征服癌症这个恶魔，长期以来化学界、医药学界等一直将其列为呕心沥血研究的难题。

因前面曾提到的抗癌药顺铂对肾的毒副作用较大，为此研究人员一直致力于寻找比顺铂更好的高活性、低毒性的抗癌药物，二茂铁及其衍生物和二茂钛、钒等都是近年来人们关注的范围。

二茂铁及其衍生物易溶于苯，具有亲油性，因此使得这些化合物能较顺利地通过细胞膜，与细胞内的多种酶、DNA、RNA起作用，从而为治疗某些疾病提供了可能性。还有一个使人感兴趣的原因，这类物质的毒性比顺铂低。因为铁是人体多种蛋白质中不可缺少的微量元素。有人用二茂铁的衍生物修饰顺铂合成了4个含二茂铁的二氨基丙二酸合铂（Ⅱ）配合物，它们的抗白血病（血癌）活性都相当高，肾毒却比顺铂低得多。还有一种叫做二茂铁钅翁（Weng）离子的盐，［（C₅H₅）₂Fe］^＋X^－，X^－可以是［Cl₃FeOFeCl₃］^2－等等，这些盐对得了肝癌已经腹水的小白鼠的治疗率达到67%和83%，使小白鼠平均寿命延长了65天和78天。

其他金属的茂类化合物也有广泛的抗癌活性，其中以二氨二茂钛效果最佳，它对肝腹水、肉瘤、黑色素瘤、肺癌、结肠癌等都有显著的疗效，而且与顺铂相比，对肾没有什么毒性，对肝的毒性表现在可以造成肝实质细胞的单个坏死，但这是暂时的，停药16～32天之后，肝脏可以恢复正常。

虽然这些药物还没用于临床，但由于它们具有明显的抑制癌细胞增殖的作用和没有对骨骼、肝和肾产生毒性，它们将有希望成为不同于顺铂的又一类新型抗癌药的候选者。

二茂铁的衍生物还有一定的杀菌作用，把它们和青霉素或先锋霉素（头孢菌素）结合在一起，既可以克服由于长期使用而产生的耐药性，又可以发挥二茂铁衍生物本身的抗菌活性，从而更加完善了药物的抗菌作用。此外，有些二茂铁的衍生物可以治疗缺铁性贫血症；有些具有抗炎作用，效果优于布洛芬。总之，二茂铁的多种衍生物在医药方面的潜能是十分值得重视的。