在元素周期表诞生150周年之际，对于学习化学的人来讲，回溯门捷列夫发现元素周期律，创立元素周期表的过程，更觉其不凡。元素周期表是化学家耕耘的园地，化学学习和研究都依于元素周期律的指导。在元素周期表118个元素中，有一个元素伴我36年，它就是26号元素——铁。提到铁，大家都非常熟悉，它在我们日常生活中随处可见。在众多含铁的化合物中，有一个非常独特，且其合成在化学发展史上具有里程碑作用，它就是——二茂铁。
1 二茂铁是重要的合成砌块，广泛应用于均相催化、有机合成和材料科学
二茂铁是一个令人着迷的分子(fascinating molecule)，其特征的夹心芳香结构赋予其广泛的应用。二茂铁被发现后，前20年研究主要集中在反应性、反应机理和成键理论方面，之后它的应用备受关注：在均相催化中特别是在立体选择性和不对称转化中作为催化剂，作为燃速催化剂，在电化学中作为电子转移试剂和基准物，甚至用作抗癌试剂等。经过68年的发展，二茂铁及其衍生物已形成了一个庞大的家族，其前沿领域不断拓宽，在有机过渡金属化学中占有重要地位。
图1
1.1 均相催化
在有机反应中，将二茂铁衍生物作为配体引入反应，增加催化剂在有机溶剂中的溶解性，从而实现均相催化反应，催化效果显著提升。Togni和Hayashi编著的二茂铁专著《Ferrocenes-Homogeneous Catalysis-Organic Synthesis-Materials Science》[8]，着重介绍了二茂铁在均相催化中的应用。二茂铁配合物具有刚性、空间位阻和旋转柔性等独特的性能，可以应用在Suzuki和Heck偶联反应、氰化、醛化、烷基化、甲硅烷基化、氢化和环加成等一系列反应中。
图2
图3
1.2 有机合成
图4
图5
图6
1.3 材料科学
将二茂铁应用在材料领域，除了氧化还原特性外，还可提升材料的机械强度、半导电性质，实现一些有趣的光物理和光电等特性。Stepnicka编著了《Ferrocenes: Ligands, Materials and Biomolecules》，该书为读者提供了相关背景概述，综述了二茂铁化合物的开发和应用的进展，强调二茂铁衍生物在制备新的有机金属配合物、功能材料、催化剂组分以及生物分子的氧化还原活性改性剂方面的应用[14]，具有重要的参考价值。
图7
图8
图9
图10
2 二茂铁与化学教学
2.1 二茂铁与化学理论课程
2.2 二茂铁与化学实验课程
二茂铁有以下特点：(1)它是一个比较稳定的非苯芳香族化合物。化学性质稳定、具有典型的芳香族性质，能在环上进行一系列的取代反应，如磺化、傅-克烷基化、傅-克酰基化等反应，生成一系列二茂铁衍生物；(2)二茂铁衍生物易溶解在各种有机溶剂中，便于层析纯化分离，这样反应后的主产物、副产物及没有反应的二茂铁原料都很容易通过柱层析、PLC板层析或者混合溶剂重结晶予以分开；(3)二茂铁易升华的特性也有助于其与其他二茂铁衍生物分离；(4)由于二茂铁衍生物都呈现橙色，容易通过薄层色谱跟踪反应与检测反应进程；(5)由于二茂铁具有很好的氧化还原可逆性，一方面二茂铁本身可以作为电化学的基准物、参照物，另一方面把其作为功能基团引入，使得到的二茂铁衍生物可以通过循环伏安法研究其电化学特性，探讨分子内取代基结构与性质之间的关系。
图11
南京大学开设了综合化学实验“乙炔二茂铁的合成表征和电化学性质测定”[33]，集合成、表征与性质测试为一体。反应原料经济，反应条件温和，重复性好。通过对一系列二茂铁衍生物的光谱和电化学性质研究，启发学生将所学的理论知识用于实践，加强学生灵活运用书本知识解决实际问题的能力。
赵宝东等[34]开发了一个涉及二茂铁及其衍生物芳茂铁盐制备的有机合成实验，通过该实验，学生可以了解二茂铁和氯苯配体芳茂铁盐的性质，同时可以进行多种有机合成中的基本操作训练，如薄层色谱的监测、柱层析提纯、红外和核磁共振氢谱鉴定结构等。该实验来源于科研，不仅能丰富合成化学的实验内容，还具有较好的实践教学效果，适合于化学专业学生的综合实验。
3 结语
综上，二茂铁特殊的结构与性质不仅开辟了过渡金属有机化学研究的新领域，也为化学教学增添了重要的内容。将科研实践与本科化学教学相结合，在教学过程中尽可能介绍基础研究进展，既丰富充实了教学内容，扩大了学生的知识视野，激发学生对化学的学习兴趣，又体现了教学的灵活性、创新性，获得了良好的教学效果，有利于化学创新人才的培养。
参考文献
DOI:10.1021/acs.organomet.9b00543 [本文引用: 2]
DOI:10.1021/acs.orglett.6b01192 [本文引用: 2]
DOI:10.1021/acs.orglett.9b01522 [本文引用: 2]
DOI:10.1038/s41467-019-12181-x [本文引用: 2]
DOI:10.1021/acs.joc.9b01503 [本文引用: 2]
DOI:10.1021/acs.langmuir.6b03917 [本文引用: 2]
DOI:10.1021/jacs.8b07777 [本文引用: 2]
DOI:10.1002/chem.201705176 [本文引用: 2]
