ferrotsen (Раздаточный материал (методички) по органической химии)

Как же устроен ферроцен? Чтобы в этом разобраться, рассмотрим иной способ его получения. На первой стадии циклопентадиен реагирует с металлическим натрием (рис. 3). Натрий отдает электрон молекуле циклопентадиена, превращаясь в катион Na⁺. Циклопентадиен, получив электрон, приобретает отрицательный заряд, т. е. становится анионом и также радикалом. Образуется анион-радикал С₅Н₆ , который обозначается одновременно минусом (отрицательный заряд) и точкой (неспаренный электрон). Возникший анион-радикал не стабилен и распадается на анион С₅H₅^– и радикал Н^•, который обычно называют атомарным водородом. Два атома водорода объединяются, образуя газообразный молекулярный водород Н₂.

Фактически произошло замещение водорода на натрий, как при реакции металла с кислотой. Итак, у нас в реакционной системе есть катион Na⁺ и циклопентадиенил-анион С₅H₅^–. Образуется соединение циклопентадиенилнатрий С₅H₅^– Na⁺. Связь натрия с циклом ионного типа, как в хлориде натрия. В итоге у циклопентадиенильного кольца имеется четыре р-электрона (от двух двойных связей) и еще два электрона у реагирующего атома углерода (один его собственный, другой отдан ему натрием). Все эти электроны объединяются в единое шестиэлектронное облако, простые и кратные связи усредняются подобно тому, как это происходит в бензоле (кольцевая линия внутри цикла).

Образовавшийся циклопентадиенилнатрий реагирует далее с галогенидом двухвалентного железа с образованием ферроцена:

Самое необычное в структуре ферроцена заключается в том, что атом металла взаимодействует не с одним конкретным атомом углерода, а со всей органической молекулой в целом, точнее с двумя органическими молекулами сразу. Это новый тип химических связей, что определяет особое значение ферроцена для развития современных представлений о строении молекул.

Таким образом, выполнено второе требование, которому должно соответствовать выдающееся соединение (см.: «Химия», 1999, № 40).

В упрощенном виде природа химической связи в ферроцене объясняется следующим образом. Каждое циклопентадиенильное кольцо имеет шестиэлектронное облако (см. рис. 3). Оно образовано взаимно перекрывающимися р-орбиталями. Орбиталь – это пространственная область возможного нахождения электрона или, проще говоря, электронное облако определенной формы: S-орбитали имеют сферическую форму, р-орбитали в виде объемных восьмерок. Атом железа имеет вакантные, т. е. незанятые орбитали. Электроны циклопентадиенильных колец «подаются» на вакантные орбитали металла. Образуется комплексное соединение, где в образовании связи с железом принимают участие все р-электроны циклопентадиенильных колец, образуя со свободными орбиталями иона металла координационные связи.

В результате вокруг атома металла возникает устойчивая 36-электронная оболочка инертного газа криптона. Проверим это расчетом.

Ион двухвалентного железа, введенного в реакцию, имеет на первом электронном уровне 2 электрона, втором – 8, третьем – 14. Поскольку это катион Fe²⁺, то на четвертом уровне электронов нет. Итак, у иона железа 2 + 8 + 14 = 24 электрона. Два циклопентадиенильных аниона, каждый из которых, как мы установили, имеет по 6 р-электронов, предоставляют атому железа еще 12 электронов: 24 + 12 = 36. Это и есть электронная оболочка инертного газа криптона.

Все атомы углерода в ферроцене структурно и химически эквивалентны. Кратные и простые связи усредняются и становятся одинаковыми. Длина каждой связи C–C равна 1,40–1,41 (для сравнения, в бензоле длина связи С–С составляет 1,39 ).

В формуле ферроцена валентных черточек между атомом железа и циклопентадиенильными кольцами обычно не проводят. Атом металла как бы «висит» в воздухе между двумя циклами. Терминология частично заимствована из координационной химии. Атом железа называют центральным атомом, циклопентадиенильные кольца – лигандами (итал. liga – связь).