Carbeno persistente

En 1957, Ronald Breslow propuso que un carbeno nucleofílico relativamente estable derivado de la vitamina B1 ₍ tiamina) era el catalizador involucrado en la condensación de benzoína que produce furoína a partir de furfural . ^{[ 2 ] [ 3 ]} En este ciclo, el anillo de tiazolio de la vitamina intercambia un átomo de hidrógeno (unido al carbono 2 del anillo) por un residuo de furfural. En agua deuterada , se encontró que el protón C2- se intercambiaba rápidamente por un deuterón en un equilibrio estadístico : ^{[ 4 ]}

Se propuso que este intercambio se llevara a cabo a través de un tiazol-2-ilideno como intermediario. En 2012 se informó del aislamiento del llamado intermedio de Breslow . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

En 1960, Hans-Werner Wanzlick y colaboradores conjeturaron que los carbenos derivados del dihidroimidazol-2-ilideno se producían por pirólisis al vacío de los correspondientes compuestos de 2-triclorometil dihidroimidazol con pérdida de cloroformo . ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Conjeturaron que el carbeno existía en equilibrio con su dímero , un derivado de tetraaminoetileno , el llamado equilibrio de Wanzlick . Esta conjetura fue cuestionada por Lemal y colaboradores en 1964, quienes presentaron evidencia de que el dímero no se disociaba; ^{[ 10 ]} y por Winberg en 1965. ^{[ 11 ]} Sin embargo, experimentos posteriores de Denk, Herrmann y otros han confirmado este equilibrio, aunque en circunstancias específicas. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

En 1970, el grupo de Wanzlick generó carbenos de imidazol-2-ilideno mediante la desprotonación de una sal de imidazolio . ^{[ 14 ]} Wanzlick, al igual que Roald Hoffmann , ^{[ 9 ] [ 15 ]} propuso que estos carbenos basados ​​en imidazol deberían ser más estables que sus análogos 4,5-dihidro, debido a la aromaticidad de tipo Hückel . Sin embargo, Wanzlick no aisló los imidazol-2-ilidenos, sino sus compuestos de coordinación con mercurio e isotiocianato : ^{[ 14 ]}

En 1988, Guy Bertrand y otros aislaron un fosfinocarbeno. Estas especies pueden representarse como un λ ³ -fosfinocarbeno o un λ ⁵ -fosfaacetileno : ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Estos compuestos se denominaron "carbenos push-pull" en referencia a las afinidades electrónicas contrastantes de los átomos de fósforo y silicio, y exhibieron reactividad tanto carbénica como alquínica ; su estructura electrónica era (¡y seguiría siendo!) poco clara. En 2000, Bertrand obtendría carbenos adicionales del tipo fosfanilo, incluido el (fosfanil)(trifluorometil)carbeno, estable en solución a -30  °C. ^{[ 18 ]}

En 1991, Arduengo y colaboradores obtuvieron el primer diaminocarbeno cristalino por desprotonación de un catión imidazolio: ^{[ 19 ]}

Este carbeno, que anuncia una gran familia de carbenos con el núcleo imidazol-2-ilideno, es indefinidamente estable a temperatura ambiente en ausencia de oxígeno y humedad, y se funde a 240–241  °C sin descomponerse.

El primer carbeno de Arduengo estable al aire, un miembro clorado de la familia imidazol-2-ilideno, se obtuvo en 1997. ^{[ 20 ]}

En la concepción moderna, el orbital p superficialmente desocupado en un carbeno estable no está, de hecho, completamente vacío. En cambio, las estructuras de Lewis del carbeno están en resonancia con enlaces dativos hacia orbitales de enlace π o pares solitarios adyacentes . ^{[ 21 ]}

Que los carbenos persistentes tengan carácter ilídico no es obvio, y de hecho fue inicialmente refutado. La estructura de rayos X del N , N′ - diadamantil-imidazol-2-ilideno reveló longitudes de enlace N–C más largas en el anillo del carbeno que en el compuesto de imidazolio original, lo que sugiere un carácter de doble enlace muy bajo en estos enlaces. ^{[ 22 ]} Por lo tanto, los primeros investigadores atribuyeron la estabilidad de los carbenos de Arduengo a los voluminosos sustituyentes N - adamantilo , que impiden la reacción con otras moléculas.

Sin embargo, la sustitución de los grupos N -adamantilo por grupos metilo también produce 1,3,4,5-tetrametilimidazol-2-ilideno (Me ₄ ImC:), un NHC termodinámicamente estable y no impedido ( 3D ): ^{[ 23 ]}

En 1995, el grupo de Arduengo obtuvo un derivado de carbeno de dihidroimidazol-2-ilideno , demostrando que la estabilidad no provenía de la aromaticidad del esqueleto de imidazol conjugado . ^{[ 24 ]} Al año siguiente, el primer carbeno persistente acíclico demostró que la estabilidad no requería siquiera ciclicidad. ^{[ 25 ]}

Los derivados no impedidos de los carbenos hidrogenados ^{[ 26 ] [ 27 ]} y acíclicos ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} se dimerizan con el tiempo, pero resultaron clave para resolver la estructura electrónica. Los carbenos acíclicos son flexibles y los enlaces al átomo carbénico admiten rotación. Pero la rotación del enlace en el compuesto parecía estar impedida , lo que sugiere que efectivamente tenían un carácter de doble enlace . ^{[ 25 ]}

Las investigaciones posteriores se han centrado en ampliar la gama de heteroátomos que estabilizan el iluro.

La mayoría de los carbenos persistentes se estabilizan mediante dos centros de nitrógeno flanqueantes. Entre los casos atípicos se incluyen un aminotiocarbeno y un aminooxicarbeno ( 3D )... ^{[ 30 ] [ 31 ]}

...y bis(diisopropilamino)ciclopropenilideno estable a temperatura ambiente, en el que las aminas están conectadas mediante vinilología . ^{[ 32 ]} En 2000, Bertrand obtuvo un (amino)(aril)carbeno moderadamente estable con solo un heteroátomo adyacente al átomo carbénico. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

Se conoce una amplia variedad de iluros de bisazometina , tanto cíclicos ^{[ 24 ] [ 26 ] [ 37 ]} como acílicos: ^{[ 25 ] [ 28 ] [ 29 ]}

Los carbenos más útiles de este tipo son los aromáticos , ya que de lo contrario el equilibrio de Wanzlick favorece la dimerización. ^{[ 26 ] [ 28 ]}

Por lo general, se derivan de anillos de imidazol o triazol . Sin embargo, un carbeno N -heterocíclico estable se deriva de la borazina : ^{[ 38 ]}

Imidazol-2-ilidenos

Se conocen imidazol-2-ilidenos con sustituyentes alquilo , arilo , ^{[ 23 ]} alquiloxi, alquilamino, alquilfosfino e incluso quirales en los átomos de nitrógeno. ^{[ 39 ]}

El 1,3-dimesitil-4,5-dicloroimidazol-2-ilideno, el primer carbeno estable al aire, lleva dos átomos de cloro en la "cadena principal" ( 3D ): ^{[ 20 ]}

Es probable que los átomos de cloro reduzcan la densidad electrónica en el carbono carbénico/ilídico mediante inducción a través del sistema σ.

Debido a que los imidazolidenos son estables frente a la dimerización, las moléculas pueden contener múltiples grupos imidazol-2-ilideno: ^{[ 40 ] [ 41 ]}

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Triazol-5-ilidenos

En principio, los triazol-5-ilidenos se presentan en dos familias isoméricas: los 1,2,3-triazol -5-ilidenos y los 1,2,4-triazol -5-ilidenos:

Se han descrito pocos carbenos de este tipo, pero existe una molécula de trifenilo disponible comercialmente:

El átomo que no es nitrógeno adyacente al carbeno puede ser carbono (los carbenos monoamino cíclicos ), oxígeno, ^{[ 31 ]} azufre, ^{[ 30 ] [ 31 ]} o fósforo : ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Dado que el oxígeno y el azufre son divalentes , la protección estérica del centro carbénico es particularmente limitada.

Un supuesto carbeno de isotiazol ( 2b ) ^{[ 42 ]} no es estable, sino que se reorganiza en una β - tiolactama: ^{[ 43 ] [ 44 ]}

Otra familia de carbenos se basa en un núcleo de ciclopropenilideno , un anillo de tres carbonos con un doble enlace entre los dos átomos adyacentes al carbénico. Esta familia se ejemplifica con el bis(diisopropilamino)ciclopropenilideno . ^{[ 32 ]}

En los carbenos persistentes de Bertrand, el carbono insaturado está unido a un fósforo y a un silicio . ^{[ 45 ]} Sin embargo, estos compuestos exhiben algunas propiedades alquínicas y podrían ser, en cambio, un fosfaalquino hipervalente . La naturaleza exacta de estos aceites rojos seguía sin estar clara en 2006.. ^{[ 17 ]}

Los carbenos persistentes tienden a existir en estado singlete , dimerizándose cuando se fuerzan a estados triplete. Sin embargo, Hideo Tomioka y colaboradores utilizaron la deslocalización electrónica para producir un carbeno triplete comparativamente estable ( bis(9-antril)carbeno ) en 2001. Tiene una vida media inusualmente larga de 19 minutos. ^{[ 46 ] [ 47 ]} Los carbenos triplete sustituidos con metales (Pb, Pd, Pt) (metalacarbenos) solo son estables en frío.[10][11]

En 2006, el mismo grupo informó sobre un carbeno triplete con una vida media de 40 minutos. Este carbeno se prepara mediante la descomposición fotoquímica de un precursor de diazometano con luz de 300 nm en benceno, con expulsión de gas nitrógeno . ^{[ 48 ]} 

La exposición al oxígeno (un dirradical triplete) convierte este carbeno en la benzofenona correspondiente . Se forma un compuesto de difenilmetano cuando es atrapado por el ciclohexa-1,4-dieno .

Al igual que otros carbenos, esta especie contiene sustituyentes voluminosos, concretamente bromo y grupos trifluorometilo en los anillos fenilo, que protegen el carbeno e impiden o ralentizan la dimerización a un 1,1,2,2-tetra(fenil)alqueno. Según simulaciones por ordenador , la distancia del átomo de carbono divalente a sus vecinos es de 138 picómetros , con un ángulo de enlace de 158,8°. Los planos de los grupos fenilo son casi perpendiculares entre sí (el ángulo diedro es de 85,7°).

Los carbenos mesoiónicos (CMI) son similares a los carbenos N- heterocíclicos (NHC), con la diferencia de que las estructuras de resonancia canónicas con el carbeno representado no pueden dibujarse sin añadir cargas adicionales. Los carbenos mesoiónicos también se conocen como carbenos N -heterocíclicos anómalos (aNHC) o carbenos N -heterocíclicos remotos (rNHC).

Los imidazol-2-ilidenos son bases fuertes, con un pKa conjugado ≈ 24 _en  dimetilsulfóxido  ( DMSO ): ^{[ 52 ]}

Se han examinado los valores de pKa conjugados para varias familias de NHC en solución acuosa. Los valores de pKa _de los iones _triazolio se encuentran en el rango de 16,5 a 17,8, ^{[ 53 ]} aproximadamente 3 unidades _de pKa más ácidos que los iones imidazolio relacionados. ^{[ 54 ]} Por el contrario, los diaminocarbenos desprotonarán el disolvente DMSO, y el anión resultante reaccionará con la sal amidinio resultante:

Es probable que las moléculas también sean razonablemente nucleofílicas . La reacción de imidazol-2-ilidenos con 1-bromohexano produjo un 90% del aducto 2-sustituido, con solo un 10% del alqueno correspondiente .

Los carbenos estables derivados del tiazol son la base de la acción de la tiamina en los sistemas biológicos y de su descendiente biomimético , la reacción de Stetter . ^{[ 55 ]}

En un tiempo, se pensó que los carbenos estables se dimerizaban reversiblemente a través del llamado equilibrio de Wanzlick . ^{[ 27 ]} La reacción no catalizada suele ser lenta, ^{[ 56 ]} presumiblemente en parte porque la dimerización directa y planar ( A ) requiere primero cruzar la alta barrera singlete - triplete . En la vía preferida ( B ), el orbital p vacío del carbono ataca un par de electrones no enlazantes del carbeno cercano : ^{[ 57 ]}

Los protones, que crean sales de formamidinio , catalizan la reacción, ^{[ 27 ]} al igual que otros ácidos de Lewis . ^{[ 57 ]}

Sin embargo, los imidazol-2-ilidenos y triazol-5-ilidenos son termodinámicamente estables y no se dimerizan ni siquiera en condiciones relativamente rigurosas. Se han almacenado en solución en ausencia de agua y aire durante años. Esto se debe probablemente a la naturaleza aromática de estos carbenos, que se pierde al dimerizarse. ^{[ 26 ] [ 28 ]}

Chen y Taton demostraron que un enlace suficientemente corto (es decir, propileno, pero no butileno) podía forzar la dimerización de carbenos aromáticos estables: ^{[ 58 ]}

Si se trata de un dicarbeno, los pares de electrones no enlazantes del carbeno se verían obligados a acercarse. Para evitar la repulsión electrostática entre estos pares, los orbitales se hibridan formando enlaces.

Los imidazol-2-ilidenos, los triazol-5-ilidenos (y, en menor medida, los diaminocarbenos) se coordinan con una gran variedad de elementos: desde elementos de los grupos principales , metales de transición y actínidos , hasta metales alcalinos y lantánidos . La tabla periódica de los elementos ofrece una idea de los complejos que se han preparado.

Leyenda

  Complejo de carbeno con elemento conocido

  No se conoce ningún complejo de carbeno con elemento

En muchos casos, los complejos se han identificado mediante cristalografía de rayos X de monocristal . ^{[ 37 ] [ 59 ] [ 60 ]} Los carbenos estables son aproximadamente isolobales con las organofosfinas . El par de electrones no enlazantes del carbeno es un buen donador σ, y los heteroátomos estabilizadores adyacentes enriquecen el sistema π con electrones que inhiben el enlace π inverso . Enders ^{[ 61 ]} y Hermann ^{[ 59 ] [ 62 ] [ 63 ]} han demostrado una equivalencia aproximada de ligando entre carbenos estables y organofosfinas en varios ciclos catalíticos : los carbenos no activan tanto el metal cercano, pero los complejos resultantes son mucho más robustos. Grubbs informó haber reemplazado un ligando de fosfina (PCy₃ ₎ por un imidazol-2-ilideno en el catalizador de metátesis de olefinas _RuCl₂ (PCy₃ ₎ ₂CHPh _, y observó un aumento en la metátesis de cierre de anillo, además de exhibir "una notable estabilidad al aire y al agua". ^{[ 64 ]}

Se han preparado moléculas que contienen dos y tres fragmentos de carbeno como potenciales ligandos de carbeno bidentados y tridentados . ^{[ 40 ] [ 41 ]}

Una de las propiedades físicas más útiles es el desplazamiento químico diagnóstico del átomo de carbono carbénico en el espectro de RMN de ^{13C . Típicamente, este pico se encuentra en el rango entre 200 y 300 ppm, donde aparecen pocos otros picos en el espectro} de RMN de ^13C . Por ejemplo, el bis(isopropil)imidazolidinilideno presenta un pico en 238 ppm: 

Los carbenos basados ​​en imidazol generalmente tienen valores de desplazamiento químico de RMN de 13C diagnósticos entre ²¹⁰  y 230  ppm para el carbono carbénico: ^{[ 69 ]}

Los carbenos basados ​​en triazol presentan desplazamientos químicos entre 210 y 220  ppm, mientras que los diaminocarbenos no aromáticos presentan desplazamientos entre 230 y 270  ppm (véase el diagrama ). Los carbenos monoamino acíclicos presentan desplazamientos entre 250 y 300  ppm para el carbono carbénico, más hacia campos bajos que cualquier otro carbeno de la tabla periódica.

Tras la coordinación con centros metálicos, la resonancia del carbeno de ^13C suele desplazarse hacia campos altos, dependiendo de la acidez de Lewis del fragmento complejo. Basándose en esta observación, Huynh et al. desarrollaron una nueva metodología para determinar la fuerza donadora del ligando mediante análisis de RMN de ^{13C de complejos} de trans- paladio(II)-carbeno. El uso de un ligando de carbeno N-heterocíclico marcado con ^13C también permite el estudio de complejos mixtos de carbeno-fosfina, que experimentan isomerización trans - cis debido al efecto trans . ^{[ 70 ]}

La desprotonación de sales precursoras de carbenos con bases fuertes produce de forma fiable casi todos los carbenos estables:

Los imidazol-2-ilidenos y dihidroimidazol-2-ilidenos, como IMes , se han preparado mediante la desprotonación de las respectivas sales de imidazolio e imidazolinio . Los carbenos acíclicos ^{[ 25 ] [ 28 ]} y los carbenos basados ​​en tetrahidropirimidinilo ^{[ 37 ]} se prepararon mediante desprotonación utilizando bases homogéneas fuertes.

Sin embargo, la reacción depende de la elección correcta de la base. Si bien los precursores de sales de imidazolio son estables a la adición nucleofílica , otras sales no aromáticas (es decir, sales de formamidinio ) no lo son. ^{[ 75 ]} En estos casos, se evitan los nucleófilos fuertes y no impedidos, ya sean generados in situ o presentes como impurezas en otros reactivos (como el LiOH en el BuLi).

Los alquil-litios son bases poco fiables para la reacción, ^{[ 19 ]} porque son demasiado nucleofílicos y a menudo actúan como reductores hidruros :

En principio, el hidruro de sodio o potasio ^{[ 24 ] [ 30 ]} sería la base ideal para desprotonar estas sales precursoras, pero en la práctica la sal se disuelve demasiado lentamente para una reacción efectiva. El DMSO o el t -BuOH catalizan la reacción a través de las bases solubles de terc-butóxido o anión dimsil , ^{[ 19 ] [ 23 ]} pero esos compuestos son demasiado nucleofílicos para los carbenos no aromáticos. Se ha informado de la desprotonación con hidruro de sodio o potasio en una mezcla de amoníaco líquido / THF a −40 °C ^{[ 39 ]} para carbenos basados ​​en imidazol, y Arduengo y colaboradores ^{[ 30 ]} lograron preparar un dihidroimidazol-2-ilideno usando NaH. Sin embargo, este método no se ha aplicado a la preparación de diaminocarbenos. 

En algunos casos, se puede emplear directamente el terc-butóxido de potasio . ^{[ 23 ]}

Las amidas de litio como la diisopropilamida (LDA) y la tetrametilpiperidida (LiTMP) ^{[ 25 ] [ 28 ]} generalmente funcionan bien para la desprotonación de todo tipo de sales, siempre que no haya demasiada impureza de LiOH . Las hexametildisilazidas metálicas ^{[ 37 ]} desprotonan casi todas las sales limpiamente, excepto las sales de formamidinio no impedidas, donde esta base puede actuar como nucleófilo para dar un aducto de triaminometano.

Para carbenos estables a temperaturas elevadas, un enfoque poco común consiste en desulfurizar tioureas en THF con potasio fundido : ^{[ 26 ] [ 76 ]}

Un factor que contribuye al éxito de la reacción es que el subproducto de sulfuro de potasio es insoluble en el disolvente.

También se ha informado de un único ejemplo de desoxigenación de una urea con un carbeno derivado del fluoreno para dar tetrametildiaminocarbeno y fluorenona: ^{[ 77 ]}

El bis(trimetilsilil)mercurio (CH₃ ₎ ₃Si _- Hg-Si(CH₃ ₎ ₃ _reacciona con sales de cloroiminio y cloroamidinio para dar un carbeno libre de metal y mercurio elemental . ^{[ 78 ]} Por ejemplo:

(CH ₃ ) ₃ Si−Hg−Si(CH ₃ ) ₃ + R ₂ N=C(Cl)− NR ⁺ ₂ Cl ⁻ → R ₂ N−C−NR ₂ + Hg _(l) + 2(CH ₃ ) ₃ SiCl

La pirólisis al vacío, con la eliminación de subproductos volátiles neutros, es decir, metanol o cloroformo, se ha utilizado para preparar carbenos basados ​​en dihidroimidazol y triazol. Históricamente, Wanzlick ^{[ 8 ]} utilizó la eliminación de cloroformo mediante pirólisis al vacío de los aductos A en sus primeros intentos de preparar dihidroimidazol-2-ilidenos, pero este método no se utiliza ampliamente. El laboratorio de Enders ha utilizado la pirólisis al vacío del aducto B para generar un triazol-5-ilideno: ^{[ 49 ]}

Un carbeno estable preparado a partir de hidruro de potasio puede filtrarse a través de una almohadilla de celita seca para eliminar el exceso de KH (y las sales resultantes) de la reacción. A escala relativamente pequeña, se puede dejar reposar una suspensión que contenga un carbeno estable en solución y hacer pasar la solución sobrenadante a través de un filtro de jeringa de membrana seca .

La recristalización de carbenos estables es difícil, porque los carbenos estables son fácilmente solubles en disolventes no polares, y los disolventes polares no son lo suficientemente ácidos.

La sublimación en ausencia de aire purifica eficazmente, incluso obteniendo monocristales aptos para análisis por rayos X. Sin embargo, la fuerte complejación con iones metálicos como el litio suele impedir la sublimación. Además, el proceso debe realizarse en alto vacío, ya que los carbenos persistentes se descomponen por encima de los 60  °C.