El metileno es el carbeno más simple. En química orgánica , un carbeno es una molécula que contiene un átomo de carbono neutro con una valencia de dos y dos electrones de valenc...
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El término "carbeno" también puede referirse al compuesto específico :CH₂ , también llamado metileno , el hidruro precursor del cual se derivan formalmente todos los demás compuestos carbeno. [ 1 ] [ 2 ]
Hay dos tipos de carbenos: singletes o tripletes , dependiendo de su estructura electrónica. [ 3 ] Las diferentes clases experimentan diferentes reacciones.
La mayoría de los carbenos son intermedios transitorios extremadamente reactivos, cuya naturaleza intermedia se infiere mediante experimentos mecanísticos. Un pequeño número (por ejemplo, dihalocarbenos, monosulfuro de carbono [ 4 ] ) puede aislarse (a veces solo a bajas temperaturas) y puede estabilizarse como ligandos metálicos , pero no puede almacenarse a granel. Unos pocos carbenos persistentes (incluidos el monóxido de carbono , los isocianuros y algunos carbenos N-heterocíclicos) son indefinidamente estables y tienen una amplia aplicación en la química organometálica moderna . [ 5 ]
Generación
Existen dos métodos comunes para la generación de carbenos: la α-eliminación y la extrusión de moléculas pequeñas.
α-Eliminación
En la eliminación α , dos sustituyentes se eliminan del mismo átomo de carbono. La eliminación α suele ocurrir cuando bases fuertes actúan sobre protones ácidos sin buenos grupos salientes vecinales . Por ejemplo, el fenillitio abstraerá HX de un haloformo (CHX₃ ) . [ 6 ] Estas reacciones también suelen emplear bases acuosas en condiciones de transferencia de fase (p. ej., NaOH acuoso concentrado, CHBr₃ y [ BnNMe₃ ] ⁺Br⁻ ) .
Los haluros de mercurio y organomercurio (excepto los fluoruros) pueden "almacenar" de forma estable una amplia variedad de carbenos como el aducto α-halomercurio hasta una termólisis suave. Por ejemplo, el " reactivo de Seyferth " libera CCl₂ al calentarse: [ 8 ]
C 6 H 5 HgCCl 3 → "CCl 2 " + C 6 H 5 HgCl
Sigue sin estar claro cuáles (si es que alguno) de estos reactivos metalados forman carbenos verdaderamente libres, en lugar de un complejo reactivo metal-carbeno . No obstante, las reacciones con estos metalocarbenos generalmente dan los mismos productos orgánicos que con otras fuentes de carbeno. [ 7 ]
Extrusión de moléculas pequeñas
Por separado, los carbenos pueden producirse mediante una reacción de extrusión con un gran cambio de energía libre. Las diazirinas y los epóxidos se fotolizan para formar carbenos con una tremenda liberación de tensión anular , en el caso de las primeras con nitrógeno gaseoso como subproducto. Los epóxidos suelen generar residuos carbonílicos reactivos , y los epóxidos asimétricos pueden formar potencialmente dos carbenos diferentes. Normalmente, se rompe el enlace C-O con menor orden de enlace fraccional (menos estructuras de resonancia de doble enlace). Por ejemplo, cuando un sustituyente es alquilo y el otro arilo , el carbono sustituido con arilo se libera generalmente como un fragmento de carbeno.
Las dos clases de carbenos son los carbenos singlete y triplete . Los carbenos triplete son dirradicales con dos electrones desapareados, que se forman típicamente a partir de reacciones que rompen dos enlaces σ (eliminación α y algunas reacciones de extrusión), y no rehibridan el átomo de carbeno. Los carbenos singlete tienen un único par de electrones no enlazantes , se forman típicamente a partir de descomposiciones de diazo y adoptan una estructura orbital sp² . [ 9 ] Los ángulos de enlace (determinados por EPR ) son de 125–140° para el metileno triplete y de 102° para el metileno singlete.
Los sustituyentes básicos de Lewis de nitrógeno, oxígeno, azufre o haluro unidos al carbono divalente pueden deslocalizar un par de electrones en un orbital p vacío para estabilizar el estado singlete. Este fenómeno, en el contexto de dos sustituyentes de nitrógeno en un sistema cíclico, explica la notable estabilidad de los carbenos persistentes . Como donadores de pares de electrones π, los grupos arilo hacen lo mismo, pero en menor medida, lo que da lugar a una brecha singlete-triplete estrecha, especialmente para los sustituyentes dadores de electrones. El fenilcarbeno y otros arilcarbenos simples siguen siendo tripletes en estado fundamental. [ 16 ] Sin embargo, los aril(carbometoxi)carbenos pueden ser tripletes o singletes en estado fundamental dependiendo de la sustitución, favoreciendo los sustituyentes dadores de electrones el estado fundamental singlete. [ 17 ]
Reactividad
En términos generales, los carbenos se comportan como ácidos de Lewis agresivos . Pueden atacar pares de electrones no enlazantes , pero su principal utilidad sintética radica en los ataques a enlaces π , que dan lugar a ciclopropanos, y a enlaces σ , que provocan la inserción de carbenos . Otras reacciones incluyen transposiciones y dimerizaciones. La reactividad de un carbeno en particular depende de los sustituyentes , incluidos los metales presentes.
Efectos singlete-triplete
Adición de carbenos a alquenos
Los carbenos singlete y triplete exhiben reactividad divergente. [ 18 ] [ 19 ]
Los carbenos triplete son dirradicales y participan en adiciones radicalarias por etapas . La adición de un carbeno triplete implica necesariamente (al menos un) intermedio con dos electrones desapareados.
Los diferentes mecanismos implican que las adiciones de carbeno singlete son estereoespecíficas , pero las de carbeno triplete son estereoselectivas . El metileno procedente de la fotólisis del diazometano reacciona con el cis- o el trans - 2-buteno para dar un único diastereómero de 1,2-dimetilciclopropano : cis a partir de cis y trans a partir de trans . Por lo tanto, el metileno es un carbeno singlete; si fuera triplete, el producto no dependería de la geometría del alqueno de partida. [ 20 ]
Ciclopropanación
Ciclopropanación de carbenos
Los carbenos se adicionan a los enlaces dobles para formar ciclopropanos [ 21 ] y, en presencia de un catalizador de cobre , a los alquinos para dar ciclopropenos . Las reacciones de adición suelen ser muy rápidas y exotérmicas , y la generación de carbenos limita la velocidad de reacción.
Las inserciones son otro tipo común de reacción de carbeno, [ 22 ] una forma de adición oxidativa . Las inserciones pueden ocurrir o no en un solo paso (ver más arriba). El resultado final es que el carbeno se interpone en un enlace existente, preferiblemente X–H (X no carbono), o bien C–H o (en su defecto) un enlace C–C. Los carbenos de alquilo se insertan de forma mucho más selectiva que el metileno, que no distingue entre enlaces CH primarios, secundarios y terciarios.
Reacción intramolecular de carbenoReacción intermolecular de carbeno
El reordenamiento 1,2 producido por la inserción intramolecular en un enlace adyacente al centro del carbeno es un inconveniente en algunos esquemas de reacción, ya que consume el carbeno para producir el mismo efecto que una reacción de eliminación tradicional . [ 23 ] Generalmente, las estructuras rígidas favorecen las inserciones intramoleculares . En estructuras flexibles, se prefiere la formación de anillos de cinco miembros a la de anillos de seis miembros. Cuando tales inserciones son posibles, no se observan inserciones intermoleculares . Tanto las inserciones inter- como intramoleculares admiten inducción asimétrica por parte de un catalizador metálico quiral.
Ataque electrofílico
Los carbenos pueden formar aductos con nucleófilos y son un precursor común de varios 1,3-dipolos . [ 23 ]
Dimerización de carbenos
Equilibrio de Wanzlick
Los carbenos y precursores de carbenoides pueden dimerizarse para formar alquenos . Esta suele ser, aunque no siempre, una reacción secundaria no deseada; la dimerización de carbenos metálicos se ha utilizado en la síntesis de polialquiniletenos y es la principal ruta industrial para la obtención de teflón (véase Aplicaciones industriales de los carbenos ). Los carbenos persistentes se equilibran con sus respectivos dímeros, en el equilibrio de Wanzlick .
Ligandos en química organometálica
En las especies organometálicas , los complejos metálicos con la fórmula L n MCRR' se describen a menudo como complejos de carbeno. [ 24 ] Sin embargo, estas especies no reaccionan como los carbenos libres y rara vez se generan a partir de precursores de carbeno, excepto en el caso de los carbenos persistentes. [ 25 ] Los complejos de carbeno de metales de transición se pueden clasificar según su reactividad, siendo las dos primeras clases las más claramente definidas:
Los carbenos de Fischer son aquellos en los que el carbeno está unido a un metal que posee un grupo atractor de electrones (generalmente un carbonilo). En estos casos, el carbono del carbenoide es ligeramente electrófilo.
Los carbenos de Schrock son aquellos en los que el carbeno está unido a un metal que posee un grupo dador de electrones. En estos casos, el carbono carbenoide es nucleofílico y se asemeja a un reactivo de Wittig (que no se considera derivado de carbeno).
Los radicales carbeno son aquellos en los que el carbeno está unido a un metal de capa abierta, y el carbono del carbeno posee carácter radicalario. Los radicales carbeno presentan características tanto de los carbenos de Fischer como de los de Schrock, pero suelen ser intermedios de reacción de larga duración.
Una aplicación a gran escala de los carbenos es la producción industrial de tetrafluoroetileno , precursor del teflón . El tetrafluoroetileno se genera a través de la intermediación del difluorocarbeno : [ 29 ]
El carbono atómico es un átomo de carbono simple con la fórmula química :C:, que en efecto es un carbeno doble. También se ha utilizado para crear "verdaderos carbenos" in situ.
Los carbenos foilados derivan su estabilidad de la proximidad de un doble enlace (es decir, su capacidad para formar sistemas conjugados).
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↑ Por el contrario, Grossman (2003 , p. 85) afirma: «Las reactividades de los carbenos y carbenoides son las mismas independientemente de cómo se generen». El análisis de Grossman no está respaldado por los textos modernos de química orgánica física y probablemente se refiere al rápido equilibrio entre los estados de los carbenos que se produce tras la mayoría de los métodos de generación de carbenos.
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↑ Para un tutorial conciso sobre las aplicaciones de los ligandos carbeno más allá de los diaminocarbenos, véase Munz, D (2018). "Empujando electrones: ¿qué ligando carbeno para qué aplicación?". Organometallics . 37 (3): 275– 289. doi : 10.1021/acs.organomet.7b00720 .
↑ Por el contrario, Grossman 2003 : "Los compuestos diazo se convierten en carbenos singlete al calentarlos suavemente y en carbenoides al tratarlos con una sal de Rh(II) o Cu(II), como Rh₂ ( OAc) ₄ o CuCl₂ . Los carbenoides derivados de metales de transición, que poseen un doble enlace metal––C, experimentan las reacciones típicas de los carbenos singlete. En este punto, se les puede considerar como carbenos singlete libres, aunque no lo sean."
↑ Para una revisión general centrada en las aplicaciones con diaminocarbenos, véase: Hopkinson, MN; Richter, C.; Schedler, M.; Glorius, F. (2014). "An overview of N-heterocyclic carbenes". Nature . 510 (7506): 485– 496. Bibcode : 2014Natur.510..485H . doi : 10.1038/nature13384 . PMID 24965649 . S2CID 672379 .
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