펜타카보닐 철
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1. 개요
펜타카보닐 철(Fe(CO)5)은 일산화 탄소가 철과 결합한 금속 카보닐 화합물이다. 상온에서 휘발성이 있는 액체로, 삼각쌍뿔 구조를 가지며, 일산화 탄소 치환, 산화, 환원, 다이엔과의 반응 등 다양한 화학 반응을 보인다. 펜타카보닐 철은 철 분말과 일산화 탄소의 반응으로 합성되며, 산업적으로는 몬드 공정과 유사한 방식으로 생산된다. 주요 용도로는 카보닐 철 생산, 연료 첨가제, 자기 코어 제조 등이 있으며, 독성이 강하고 휘발성이 높아 흡입 시 폐 손상을 유발할 수 있어 취급에 주의해야 한다.
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2. 성질
펜타카보닐 철(Iron pentacarbonyl)은 균질 금속 카보닐이며, 일산화 탄소가 철과 복합한 유일한 리간드이다. 다른 예로는 정팔면체 Cr(CO)6 및 정사면체 Ni(CO)4가 있다. 대부분의 금속 카보닐은 18개의 원자가 전자를 가지고 있으며, Fe(CO)5는 8개의 원자가 전자와 CO 리간드에 의해 제공되는 5쌍의 전자로 이 패턴을 맞춘다. 대칭 구조와 전하 중립성을 반영하여 Fe(CO)5는 휘발성이며, 가장 자주 발생하는 액체 금속 복합체 중 하나이다.
펜타카보닐 철(Fe(CO)5)은 미세한 철 입자와 일산화 탄소의 반응으로 생성된다.[5] 1891년 몬드와 카를 랑거는 이 화합물을 "옅은 노란색의 다소 끈적한 액체"로 묘사했다.[5][18] 이들은 산화물이 없는 철 분말을 실온에서 일산화 탄소로 처리하여 펜타카보닐 철 샘플을 만들었다.[5]
Fe(CO)5는 5개의 CO 리간드로 둘러싸인 Fe 원자를 가진 삼각쌍뿔 구조를 채택한다. 즉, 3개는 적도 위치에 있고 2개는 축 방향으로 묶여 있다. Fe-C-O 연결은 각각 선형이다. 그리고 이 착물에서는 철이 dsp3 혼성오비탈을 가진다.
Fe(CO)5는 베리 기구를 통해 축 방향과 적도 CO 그룹 간의 상대적으로 낮은 교환 속도를 보인다.[3] 이는 IR 스펙트럼에서 2034 및 2014 cm−1(기체 상태)에서 두 개의 강렬한 νCO 밴드로 특징지어진다.[4] NMR 타임스케일에서의 베리 의사 회전에 의해 축 방향과 적도위의 CO가 빠르게 교환되기 때문에 전형적인 요동 분자이다. 비등가 CO 위치의 빠른 교환 때문에, 13C NMR 스펙트럼은 단 하나의 신호를 나타낸다.
3. 합성
산업적 합성은 몬드 공정과 유사하게 진행되지만, 더 가혹한 조건이 필요하다. 철 스펀지를 시작 재료로 사용하며, 5~30MPa의 일산화 탄소와 150–200°C의 고온 조건이 필요하다.[27] 몬드 공정과 마찬가지로, 황은 촉매 역할을 한다. 생성된 조철 펜타카르보닐은 증류를 통해 정제된다. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry에 따르면, 펜타카보닐 철을 제조하는 공장은 독일의 BASF와 앨라배마의 GAF가 있으며, 각각 연간 9000톤과 1500-2000톤을 생산한다.[27]
실험실 규모에서는 아이오딘화물 중간체를 사용하여 합성을 단순화할 수 있다.[6]
펜타카보닐 철의 광분해를 통해 오렌지색 고체인 Fe2(CO)9을 얻을 수 있다.[18] 펜타카보닐 철을 가열하면 소량이 녹색 고체 금속 클러스터인 Fe3(CO)12로 변환되지만, 단순한 열분해는 실용적인 합성법이 아니다.
4. 반응
4. 1. 일산화탄소(CO) 치환 반응
펜타카보닐 철(Fe(CO)₅)은 루이스 염기(L)에 의해 CO 리간드가 치환되어 Fe(CO)₅₋ₓLₓ 유도체를 생성한다.[9][19] 일반적인 루이스 염기에는 아이소사이오나이드, 삼차 포스핀, 아르신, 알켄 등이 있다.[9][19] 이러한 리간드는 보통 1개 또는 2개의 CO 리간드를 치환하지만, PF3 및 아이소사이오나이드와 같은 특정 수용체 리간드는 4개 또는 5개까지 치환할 수 있다.
이러한 반응은 촉매 또는 빛에 의해 유도될 수 있다.[9][19] 예를 들어 비스(트라이페닐포스핀)아이언 트라이카보닐 (Fe(CO)₃(P(C₆H₅)₃)₂) 합성이 있다.[10][20] 광화학적 경로 외에도 NaOH 또는 NaBH₄에 의해 치환이 유도될 수 있다. 촉매는 CO 리간드를 공격하여 다른 CO 리간드를 치환에 대해 불안정하게 만든다. Fe(CO)₄L의 친전자성은 Fe(CO)₅보다 낮으므로 친핵성 촉매가 분리되어 다른 Fe(CO)₅ 분자를 공격한다.
자외선 조사 시 Fe(CO)₅는 빛을 흡수하여 금속에서 CO로의 전하 이동 띠를 여기시키고, CO 광분해를 유도하여 양자 수율이 높은 일중항 및 삼중항 배위 불포화 중간체 Fe(CO)₄를 생성한다. 기상에서 장시간 조사를 하면 원자 Fe가 형성될 때까지 추가적인 CO 탈리가 진행될 수 있다. 트래핑 기질이 없는 경우 Fe₂(CO)₉이 생성된다.[8]
4. 2. 산화 및 환원 반응
펜타카보닐 철(Fe(CO)5)은 할로젠과 반응하여 할로젠화물(Fe(CO)₄X₂)을 생성한다. 예를 들어 아이오딘(I₂)과 반응하면 아이언 테트라카보닐 다이아이오다이드(Fe(CO)₄I₂)가 생성된다.[11] 이 할로젠화물을 가열하면 일산화 탄소(CO)를 잃고 염화철(III)과 같은 단순한 철 할로겐화물을 생성한다.
Fe(CO)5 + I2 → Fe(CO)₄I2 + CO
금속 나트륨(Na)으로 환원시키면 콜먼 시약이라고도 불리는 다이소듐 테트라카보닐페레이트(Na₂Fe(CO)₄)가 생성된다.[21] 이중 음이온인 테트라카보닐철(-II)산염(Fe(CO)₄²⁻)은 테트라카보닐니켈(Ni(CO)₄)과 등전자성이지만, 친핵성이 더 높다.[21]
4. 3. 산-염기 반응
펜타카보닐 철(Fe(CO)5)은 쉽게 양성자화되지 않지만, 수산화물에 의해 공격받는다. 수용성 염기로 처리하면 [HFe(CO)₄]⁻이 금속 카르복실레이트 중간체를 거쳐 생성된다. 이 단일 음이온을 산화하면 도데카카보닐삼철(Fe3(CO)12)가 생성된다. [HFe(CO)₄]⁻ 용액을 산성화하면 최초로 보고된 금속 수소화물인 테트라카보닐이수소철(H₂Fe(CO)₄)이 생성된다.
4. 4. 다이엔(Diene)과의 반응
다이엔은 펜타카보닐 철과 반응하여 (다이엔)Fe(CO)₃ 착물을 생성한다. 이 반응에서 두 개의 CO 리간드는 두 개의 올레핀으로 대체된다.[12][22] 많은 다이엔이 이 반응을 거치며, 특히 노르보나다이엔과 1,3-뷰타다이엔이 그러하다.[12][22]
역사적으로 중요한 유도체 중 하나는 사이클로뷰타다이엔 철 트라이카보닐(Fe(CO)₃(C₄H₄))이며, 여기서 C₄H₄는 불안정한 사이클로뷰타다이엔이다.[12][22] 사이클로헥사다이엔 착물 또한 주목할 만하며, 모체 유기 1,4-다이엔은 비르치 환원을 통해 얻을 수 있다. 1,4-다이엔은 착물을 형성하면 1,3-다이엔으로 이성질화된다.[13][23]
펜타카보닐 철은 다이사이클로펜타다이엔과 반응하여 사이클로펜타다이에닐 철 다이카보닐 이합체([Fe(C₅H₅)(CO)₂]₂)를 형성한다. 이 화합물은 "Fp 이합체"라고 불리며, 페로센과 펜타카보닐 철의 혼성체로 간주될 수 있지만, 반응성 측면에서는 둘 다와 유사하지 않다.[12][22]
4. 5. 광분해 반응
5. 산업적 생산 및 이용
펜타카보닐 철의 산업 생산은 몬드 공정과 유사하게 금속을 일산화탄소와 반응시켜 휘발성 기체를 생성하는 방식으로 이루어지지만, 반응 속도가 더 느리다. 따라서 철 스펀지를 출발 물질로 사용하고, 5–30 MPa의 일산화 탄소와 150–200°C의 더 가혹한 반응 조건이 필요하다. 몬드 공정과 마찬가지로 황이 촉매 역할을 한다. 생성된 조 펜타카보닐철은 증류를 통해 정제된다.[7][27]
''울만 공업화학 백과사전''에 따르면, 펜타카보닐 철을 제조하는 주요 공장은 독일의 BASF와 앨라배마주의 American Carbonyl 두 곳이며, 각각 연간 9,000톤과 1,500–2,000톤을 생산한다.[7][27] 생산된 펜타카보닐 철의 대부분은 카보닐철 생산에 사용되며, 일부는 산화철 생산에 사용된다.[2]
과거 유럽에서는 IG 파르벤에서 생산된 펜타카보닐 철이 "모토린"과 "모노폴린"이라는 상품명으로 가솔린의 노크 방지제로 사용되기도 했으나,[14] 현재는 페로센과 메틸시클로펜타디에닐 망가니즈 트리카보닐 등의 대체 연료 첨가제가 사용된다.
펜타카보닐 철은 고주파 코일의 자기 코어 (예: 라디오 및 텔레비전) 및 일부 전파 흡수 물질 (예: 철구 페인트)의 활성 성분 제조에 사용되는 카보닐 철 생산에 사용된다. 또한 다양한 철 기반 나노입자의 합성을 위한 화학적 전구체로도 사용된다.
펜타카보닐 철은 산소 기반 화염에서 강력한 화염 속도 억제제로 작용하지만,[15][24] 독성 때문에 난연제로는 널리 사용되지 않는다.
6. 안전성 및 독성
펜타카보닐 철(Fe(CO)5)은 독성이 강하고 휘발성이 높아 흡입 시 폐 손상(폐 자극, 독성 폐렴, 폐부종)을 유발할 수 있다. 인화성이 있어 주의해야 한다.
미국 국립 산업안전보건연구원(NIOSH)은 펜타카보닐 철에 대한 권고 노출 기준을 8시간 평균 0.1 ppm, 단기 노출 기준 0.2 ppm으로 설정했다. 대한민국에서는 유해화학물질관리법에 따라 펜타카보닐철을 유해물질로 지정하여 관리하고 있다.
7. 기타
참조
[1]
문서
"0345"
[2]
백과사전
Pentacarbonyliron
https://hal.archives[...]
J. Wiley & Sons
2004
[3]
학술지
Exchange of axial and equatorial carbonyl groups in pentacoordinate metal carbonyls in the solid state. The variable temperature magic angle spinning carbon-13 NMR spectroscopy of iron pentacarbonyl, [Ph3PNPPh3][HFe(CO)4], and [NEt4][HFe(CO)4]
[4]
간행물
Platinum-ruthenium carbonyl cluster complexes
[5]
학술지
On iron carbonyls
https://zenodo.org/r[...]
[6]
서적
Handbook of Preparative Inorganic Chemistry
https://books.google[...]
Academic Press
[7]
간행물
Iron Compounds
[8]
학술지
Photochemistry of Metal Carbonyls
[9]
서적
Inorganic Syntheses
[10]
서적
Inorganic Syntheses
1996
[11]
간행물
Nucleophilic Acylation with Disodium Tetracarbonylferrate: Methyl 7-Oxoheptanoate and Methyl 7-oxooctonoate
[12]
간행물
Cyclobutadieneiron Tricarbonyl
[13]
간행물
Tricarbonyl[(2,3,4,5-''η'')-2,4-Cyclohexadien-1-one]iron and Tricarbonyl[(1,2,3,4,5-''η'')-2-Methoxy-2,4-Cyclohexadien-1-yl]Iron(1+) Hexafluorophosphate(1−) from Anisole
[14]
컨퍼런스
Charles F. Kettering and the 1921 discovery of tetraethyl lead
https://environmenta[...]
environmentalhistory.org
1994
[15]
학술지
Influence of additives on the velocity of laminar flames
[16]
웹사이트
Iron pentacarbonyl (as Fe)
https://www.cdc.gov/[...]
Centers for Disease Control and Prevention
2011-04-04
[17]
간행물
Pentacarbonyliron
J. Wiley & Sons, New York
[18]
학술지
On iron carbonyls
[19]
학술지
Bis(phosphine) derivatives of iron pentacarbonyl and tetracarbonyl(tri-tert-butylphosphine)iron(0)
[20]
학술지
Tricarbonylbis(phosphine)iron(0) complexes
[21]
간행물
Nucleophilic Acylation with Disodium Tetracarbonylferrate: Methyl 7-Oxoheptanoate and Methyl 7-oxooctonoate
[22]
간행물
Cyclobutadieneiron Tricarbonyl
[23]
간행물
Tricarbonyl[(2,3,4,5-eta)-2,4-Cyclohexadien-1-one]ison and Tricarbonyl[(1,2,3,4,5-eta)-2-Methoxy-2,4-Cyclohexadien-1-yl]Iron(1+) Hexafluorophosphate(1-) from Anisole
[24]
학술지
Influence of additives on the velocity of laminar flames
[25]
문서
"0345"
[26]
백과사전
J. Wiley & Sons
[27]
간행물
Iron Compounds
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