Кіріспе
Органикалық молекула, құрамында екі бос валентті электроны бар бейтарап көміртек атомынан тұратын химиялық класс. Органикалық химияда карбен – валенттілігі екі және екі жұпталмаған валентті электроны бар бейтарап көміртек атомынан тұратын молекула. Жалпы формуласы: R₂C: немесе R:C:, мұндағы R – топтарды немесе сутек атомдарын білдіреді. "Карбен" термині сонымен қатар метилен деп аталатын :CH₂ қосылысын да білдіруі мүмкін, ол – басқа барлық карбен қосылыстарының формальды түрде туындаған бастапқы гидриді. Карбендердің екі түрі бар: электрондық құрылымына қарай синглеттер және триплеттер. Әртүрлі класс карбендер әртүрлі реакцияларға қатысады. Көптеген карбендер өте реактивті және аз ғана уақытқа ие. Шамалы саны (дигалокарбендер, көміртек оксиді және көміртек моносульфиді) оқшауланып, металл лигандалары ретінде тұрақтандырылуы мүмкін, бірақ оларды көп мөлшерде сақтау мүмкін емес. Сирек кездесетін ерекшелік – қазіргі заманғы органометалл химиясында кеңінен қолданылатын тұрақты карбендер.
the chemical class
In organic chemistry, a carbene is a molecule containing a neutral carbon atom with a valence of two and two unshared valence electrons. The general formula is |R\s:C\sR' or |R\dC: where the R represents substituents or hydrogen atoms. The term "carbene" may also refer to the specific compound |:CH2, also called methylene, the parent hydride from which all other carbene compounds are formally derived. There are two types of carbenes: singlets or triplets, depending upon their electronic structure. The different classes undergo different reactions. Most carbenes are extremely reactive and short lived. A small number (the dihalocarbenes, carbon monoxide, and carbon monosulfide) can be isolated, and can stabilize as metal ligands, but otherwise cannot be stored in bulk. A rare exception are the persistent carbenes, which have extensive application in modern organometallic chemistry.
Құрылымдар мен жабыстыру
Карбендердің екі класы – синглет және триплет карбендер. Триплет карбендер – екі жұптаспаған электроны бар дирадикалдар, әдетте екі σ байланысын үзу арқылы жүзеге асырылатын реакциялардан (α-жою және кейбір экструзия реакциялары) пайда болады және карбен атомын қайта гибридтемейді. Синглет карбендер бір ғана жалғыз электрон жұбына ие, әдетте диазо қосылыстардың ыдырауынан пайда болады және sp2 орбитальдік құрылымды қабылдайды. Триплет метилен үшін байланыс бұрыштары 125–140°, ал синглет метилен үшін 102° (EPR арқылы анықталған). Көптеген карбендердің негізгі күйі сызықтық емес триплеттік күй болып табылады. Жасырағы көмірсутектер үшін триплет карбендер әдетте синглет карбендерге қарағанда 8 ккал/моль (33 кДж/моль) тұрақтырақ болады, бұл азот инверсиясына шамалас. Тұрақтандырудың бір бөлігі Хундтың көптік максималдылығының ережесіне байланысты. Дегенмен, триплет карбендерді бөлме температурасында тұрақтандыру стратегиялары күрделі. 9-Флуоренилиденнің синглет және триплет күйлерінің шамамен 1,1 ккал/моль (4,6 кДж/моль) энергия айырмашылығымен тез тепе-теңдік құрайтын қоспасы екені көрсетілді, бірақ сақиналарға кеңінен электрондық делокализация диарил карбендерінен алынған қорытындыларды қиындатады. Модельдеулер электропозитивті гетероатомдардың триплет карбендерді термодинамикалық тұрақтандыруға қабілетті екенін көрсетеді, мысалы, силил және силилокси карбендерде, әсіресе карбендерде. Льюис негізді азот, оттегі, күкірт немесе галогендердің дивалентті көміртекке байланысқан субституенттері электрон жұбын бос p орбиталына жылжыту арқылы синглеттік күйді тұрақтандыруға болады. Бұл құбылыс тұрақты карбендердің ерекше тұрақтылығының негізін құрайды.
Реактивтілік
Карбендер өте агрессивті Льюис қышқылдары сияқты әрекет етеді. Олар жалғыз электрон жұптарына шабуыл жасай алады, бірақ олардың негізгі синтетикалық маңызы циклопропандар түзілетін π байланыстарына шабуыл жасаудан және карбенді енгізуге алып келетін σ байланыстарына шабуыл жасаудан туындайды. Басқа реакцияларға изомеризациялар және димеризациялар жатады. Нақты карбеннің реакциялық қабілеті оның тобына, соның ішінде кез келген металдардың болуына байланысты.
Бірлік-үштік әсерлер
Синглетті және триплетті карбендер әртүрлі реактивтілік көрсетеді. Триплетті карбендер дирадикалдар болып табылады және сатылап радикал қосылыстарына қатысады. Триплетті карбеннің қосылуы міндетті түрде екі жұпталмаған электроны бар (кемінде бір) аралық затты қамтиды. Синглетті карбендер электрофилдер, нуклеофилдер немесе амбифилдер ретінде реакцияға түсе алады. Олардың реакциялары көбінесе консертті және жиі хелетроптық болады. Синглетті карбендер әдетте электрофильді болады, егер оларда толыққан p орбиталы болмаса, онда олар Льюис негіздері ретінде әрекет ете алады. Бамфорд-Стивенс реакциясы aпротонды еріткіштерде карбендерді, ал протонды еріткіштерде карбений иондарын береді. Әртүрлі механизмдер singlet карбен қосылыстары стереоспецификалық, ал triplet карбен қосылыстары стереоселективті екенін көрсетеді. Диазометан фотолизінен алынған метилен цис- немесе транс-2-бутенмен реакцияласып, 1,2-диметилциклопропанның бір диастереоизомерін береді: цис изомері цис-2-бутеннен, ал транс изомері транс-2-бутеннен түзіледі. Осылайша, метилен – singlet карбен; егер ол triplet болса, түзілген өнім бастапқы алкеннің геометриясына тәуелді болмас еді.
Циклопропанация
Карбендер қос байланыстарға циклопропандарды түзету үшін қосылады, ал мыс катализаторының қатысуымен алкиндерге циклопропендерді беру үшін қосылады. Қосылу реакциялары көбінесе өте жылдам және экзотермиялық болады, ал карбеннің түзілуі реакция жылдамдығын шектейді. Симмонс-Смит циклопропанациясында йодметилцинк йодид әдетте кез келген аллилді гидроксил тобымен комплекстеседі, сондықтан қосылу гидроксил тобына синхронды болады.
CH енгізу
Инсерциялар – карбен реакциясының тағы бір жиі кездесетін түрі, окистендіруші қосылудың бір түрі. Орындалу бір қадамда болуы мүмкін немесе болмайды (жоғарыда қараңыз). Нәтижесінде карбен қолданыстағы байланысқа, әсіресе X–H (X – көміртек емес), содан кейін C–H немесе (егер бұл мүмкін болмаса) C–C байланысына еніп орналасады. Алкил карбендер метиленге қарағанда әлдеқайда таңдамалы болып келеді, ол біріншілік, екіншілік және үшіншілік C–H байланыстарын ажыратпайды. Карбен орталығына жақын байланысқа ішкі молекулалық инсерция арқылы туындайтын 1,2-қайта құрылымдану кейбір реакция схемаларында қиындық тудырады, себебі ол карбенді тұтынып, дәстүрлі жою реакциясының әсерін тудырады. Жалпы, қатаң құрылымдар ішкі молекулалық инсерцияларды жақсы көреді. Иілгіш құрылымдарда бес мүшелі циклдің түзілуі алты мүшелі циклдің түзілуіне артықшылық беріледі. Егер мұндай инсерциялар мүмкін болса, молекулааралық инсерциялар байқалмайды. Сыртқы және ішкі молекулалық инсерциялар хиральды металл катализаторынан асимметриялық индукцияны қабылдай алады.
Электрофильдік шабуыл
Карбендер нуклеофилдермен қосылыстар түзеді және түрлі 1,3-дипольдердің кең таралған алдын-дайындамасы болып табылады.
Карбенді димеризациялау
Карбендер және карбеноид алдын-қосылыстары алкендерге димеризацияланады. Бұл көбінесе, бірақ әрқашан емес, қажетсіз қосымша реакция болып табылады; металл карбендердің димеризациясы полиалкинилэтендерді синтездеуде қолданылады және тефлон өндірісінің негізгі өнеркәсіптік жолы болып табылады (қараңыз). Тұрақты карбендер тиісті димерлерімен тепе-теңдікте болады, бұл Ванцлик тепе-теңдігі деп аталады.
Органометалл химиясындағы лигандтар
Органометалл түрлерінде LnMCRR' формуласы бар металл кешендері көбінесе карбен кешендері ретінде сипатталады. Дегенмен, мұндай түрлер еркін карбендер сияқты реакцияға түспейді және тұрақты карбендерден басқа, карбен прекурсорларынан сирек түзіледі. Көшісім металдарының карбен кешендерін олардың реактивтілігіне қарай жіктеуге болады, ал ең бірінші екі класс ең нақты анықталған: Фишер карбендері, онда карбен электронды қабылдағыш топты (әдетте карбонил) ұстаған металға байланысады. Мұндай жағдайларда карбеноид көміртегі шамалы электрофилді болады. Шрок карбендері, онда карбен электронды донорлық топты ұстаған металға байланысады. Мұндай жағдайларда карбеноид көміртегі нуклеофилді болады және Виттиг реагентіне ұқсайды (бірақ олар карбен туындылары деп есептелмейді). Карбен радикалдары, онда карбен ашық қабықшалы металға байланысқан, карбен көміртегі радикалдық сипатқа ие. Карбен радикалдары Фишер және Шрок карбендерінің ерекшеліктерін білдіреді, бірақ әдетте ұзақ өмір сүретін реакциялық аралық заттар болып табылады. N-гетероциклді (NHC), Ардуенго немесе Ванцлик карбендері – C депротонды имидазолий немесе дигидроимидазолий тұздары. Олар органометалл химиясында көмекші лигандтар ретінде жиі қолданылады. Мұндай карбендер әдетте фосфиндерге ұқсас күшті σ-донорлық бақылаушы лигандтар болып табылады.
Fischer carbenes, in which the carbene is bonded to a metal that bears an electron withdrawing group (usually a carbonyl). In such cases the carbenoid carbon is mildly electrophilic. Schrock carbenes, in which the carbene is bonded to a metal that bears an electron donating group. In such cases the carbenoid carbon is nucleophilic and resembles a Wittig reagent (which are not considered carbene derivatives). Carbene radicals, in which the carbene is bonded to an open shell metal with the carbene carbon possessing a radical character. Carbene radicals have features of both Fischer and Schrock carbenes, but are typically long lived reaction intermediates. N Heterocyclic (NHC), Arduengo or Wanzlick carbenes are C deprotonated imidazolium or dihydroimidazolium salts. They often are deployed as ancillary ligands in organometallic chemistry. Such carbenes are usually very strong σ donor spectator ligands, similar to phosphines.