二茂铁的结构为一个铁原子处在两个平行的环戊二烯的环之间。在固体状态下,两个茂环相互错开成全错构型,温度升高时则绕垂直轴相对转动。二茂铁的化学性质稳定,类似芳香族化合物。二茂铁的环能进行亲电取代反应,例如汞化、烷基化、酰基化等反应。
二茂铁的分子结构和能发生的反应赋予了它及其衍生物广泛的应用领域,二茂铁衍生物具有疏水性(或亲油性) ,能顺利通过细胞膜,与细胞内各种酶、DNA、RNA等物质起作用,因而有可能作为治疗某些疾病的药物;具有芳香性,易于发生取代反应,具有一定厚度的夹心结构,能阻止二茂铁衍生物接近某些酶的活性部位,具有较强选择性;稳定性好、毒性较低, 基于这些特性,具有抗肿瘤、杀菌、杀虫、治贫血、抗炎、调节植物生长、抗溃疡、酶抑制剂等生理活性。