¿Qué es el Carbeno?
Carbeno es un término genérico para una especie química de carbono que sólo tiene seis electrones de valencia, es electrónicamente neutro (sin carga) y tiene un enlace divalente en el centro del carbono.
Con seis electrones de valencia para un enlace divalente, tiene dos electrones activos en el centro. Los análogos de los elementos homólogos son el silileno y el germileno.
A menudo se contrapone al carbocatión, una especie química de tres coordenadas con seis electrones de valencia y carga positiva, y al carbanión, una especie química de tres coordenadas con ocho electrones de valencia y carga negativa. El carbeno estructural más simple es el metileno (Methylene) CH2. Esta sustancia puede generarse por descomposición del diazometano.
Usos del Carbeno
Hace una década, el carbeno se consideraba una especie química inestable, pero en los últimos años han aumentado los informes sobre el aislamiento de carbenos mediante estructuras moleculares, como la de donación de electrones por sustituyentes adyacentes y la fijación estereo conformacional por sustituyentes voluminosos. Sin embargo, como no son lo bastante estables para comercializarse como productos, se venden precursores que básicamente se preparan sobre la marcha.
Debido a su alta reactividad, se utiliza como intermedio sintético en la química orgánica sintética. Una reacción típica es la formación de anillos de ciclopropano por adición a dobles enlaces carbono-carbono. Las reacciones de inserción se producen para enlaces carbono-hidrógeno, nitrógeno-hidrógeno u oxígeno-hidrógeno.
También se ha descrito sintéticamente una serie de especies de carbenos N-heterocíclicos (NHC), que son carbenos cíclicos intercalados entre dos átomos de nitrógeno vecinos, que son estables y pueden manipularse mediante ingeniería estructural molecular. Esta especie de carbeno se utiliza ampliamente como ligando en complejos organometálicos debido a su fuerte capacidad de coordinación con metales. Algunos ejemplos concretos son los grupos mesitilo y 2,6-diisopropilfenilo sustituidos.
Propiedades del Carbeno
1. Propiedades Estructurales del Carbeno
El carbeno se divide en carbenos simples y triples en función del estado de espín de sus electrones de valencia.
Los carbenos simples se clasifican en las dos categorías siguientes según la forma de hibridación en el carbono. En la mayoría de los casos, la primera forma de hibridación sp2 es más estable.
- Forma de hibridación sp2: dos electrones en cada uno de los tres orbitales sp2, dejando un orbital p vacío
- Hibridación sp3: dos electrones en cada uno de los tres orbitales sp3, quedando un orbital sp3 vacío
Los carbenos triples también pueden ser del tipo sp2 hibridado y sp3 hibridado. En este último tipo, dos de los cuatro orbitales sp3 están ocupados por dos electrones cada uno, mientras que los dos orbitales sp3 restantes están ocupados por un electrón del mismo espín.
Cuál de estas estructuras es más estable depende de factores como la naturaleza eléctrica y estructural de los sustituyentes en el carbono. En cuanto a la reactividad general, el carbeno simple suele presentar reactividad electrofílica y el carbeno triple reactividad radical debido a los electrones no apareados.
2. Métodos de Preparación del Carbeno
Un método de formación de carbeno es la reacción de desorción de moléculas de nitrógeno a partir de compuestos diazoicos. A menudo, la reacción se desencadena por calor, luz o catálisis.
También se sabe que los diclorocarbenos se forman por la acción de una base fuerte sobre el cloroformo. El intermediario de esta reacción es el anión triclorometilo.
El imidazolideno, formado por la reacción de una sal de imidazolio con una base, es otra especie de carbeno bien conocida. Esta especie molecular, formada por la desorción de un protón del anillo de imidazol, está fuertemente estabilizada por los átomos de nitrógeno de ambos lados. Por este motivo, la especie sistemática imidazolidinilideno se utiliza como ligando en muchos catalizadores de metales de transición.
Tipos de Carbeno
Como ya se ha mencionado, el carbeno no es una especie molecular estable y, por tanto, no está disponible en el mercado. Si se quieren utilizar, hay que comprar y preparar precursores para su uso.
Los ejemplos típicos utilizados en química sintética incluyen:
- Carbeno obtenido por desorción de moléculas de N2 a partir de α-diazocetonas (utilizados en el reordenamiento de Wolf).
- Diclorocarbeno (obtenido a partir de cloroformo y una base fuerte mediante un anión triclorometilo).
- Carbeno N-heterocíclico (NHC) y sus complejos metálicos (obtenidos por reacción de sales de imidazolio con una base).