Что такое карбен?

Что такое карбен?

Базовая структура карбенов

Карбены — это общий термин для видов углерода, которые имеют только шесть валентных электронов, электронно нейтральны (незаряжены) и имеют двухвалентную связь в углеродном центре.

Шесть валентных электронов для двухвалентной связи означают, что она имеет два активных электрона в центре. Аналоги гомологичных элементов включают силилен и гермилен.

Его часто противопоставляют карбокатиону, трехкоординированному химическому виду с шестью валентными электронами и положительным зарядом, и карбаниону, трехкоординированному химическому виду с восемью валентными электронами и отрицательным зарядом. Простейшая структура карбенов — метилен (метилен) CH2. Это вещество может быть получено путем разложения диазометана.

Применение карбенов

Десять лет назад карбены считались нестабильными химическими веществами, но в последние годы появляется все больше сообщений о том, что карбены выделяются с помощью изобретательных молекулярных структур, таких как электронодонорство соседними заместителями и стереоконформационная фиксация объемными заместителями. Однако, поскольку они недостаточно стабильны, чтобы продаваться как продукты, продаются прекурсоры, которые в основном готовятся на лету.

Благодаря своей высокой реакционной способности они используются в качестве синтетических промежуточных продуктов в органической синтетической химии. Типичной реакцией является присоединение к двойной связи углерод-углерод с образованием циклопропанового кольца. Реакции вставки происходят для связей углерод-водород, азот-водород или кислород-водород.

Многие N-гетероциклические карбены (NHC), которые представляют собой циклические виды карбена, зажатые между двумя соседними атомами азота, были синтезированы и, как сообщается, стабильны благодаря использованию молекулярных структурных инноваций. Эти карбены широко используются в качестве лигандов для металлоорганических комплексов из-за их сильной способности к координации металлов. Примерами являются те, которые замещены мезитильными или 2,6-диизопропилфенильными группами.

Свойства карбенов

1. Структурные свойства карбенов

Карбены классифицируются на синглетные и триплетные карбены в соответствии со спиновым состоянием их валентных электронов.

Синглетные карбены классифицируются на следующие две категории в соответствии с формой гибридизации на углероде. В большинстве случаев первая форма гибридизации sp2 более стабильна.

• sp2-гибридизованные: 2 электрона на каждой из 3 sp2-орбиталей, оставляя одну пустую p-орбиталь
• sp3-гибридизованные:2 электрона на каждой из 3 sp3-орбиталей с одной пустой sp3-орбиталью

Существует два типа триплетных карбенов: sp2-гибридизованные и sp3-гибридизованные. В последнем типе две из четырех sp3-орбиталей заполнены двумя электронами каждая, а оставшиеся две sp3-орбитали заняты одним электроном того же спина.

Какая из этих структур более стабильна, зависит от таких факторов, как электрическая и структурная природа заместителей на углероде. В целом, синглетные карбены часто проявляют электрофильную реактивность, в то время как триплетные карбены проявляют радикальную реактивность из-за неспаренных электронов.

2. Получение карбенов

Одним из методов образования карбенов является реакция десорбции молекул азота из диазосоединений. В большинстве случаев реакция запускается под действием тепла, света или катализатора.

Известно также, что дихлоркарбены образуются под действием сильного основания на хлороформ. Промежуточным продуктом в этой реакции является трихлорметильный анион.

Имидазолиден, образованный реакцией соли имидазолия с основанием, является еще одним хорошо известным видом карбенов. Этот молекулярный вид, образованный десорбцией протона из имидазольного кольца, сильно стабилизирован атомами азота с обеих сторон. По этой причине систематический вид имидазолидинилидена используется в качестве лиганда во многих катализаторах на основе переходных металлов.

Типы карбенов

Карбены, как упоминалось выше, не являются стабильными молекулярными видами и поэтому по существу не являются коммерчески доступными. Если кто-то хочет их использовать, он должен приобрести прекурсоры и подготовить их к использованию.

Типичные примеры, используемые в синтетической химии, включают следующее:

• Карбеновые виды, полученные путем десорбции молекул N2 из α-диазокетонов (используются в перегруппировке Вульфа)
• Дихлоркарбены (полученные из хлороформа и сильного основания через трихлорметильный анион)
• N-гетероциклические карбены (NHC) и их металлокомплексы (полученные путем реакции солей имидазолия с основанием)