Введение

Тип карбена, демонстрирующий особую стабильность

Персистирующий карбен (также известный как стабильный карбен) – это органическая молекула, чья естественная резонансная структура содержит атом углерода с неполным октетом (карбен), но не проявляет той огромной нестабильности, которая обычно связана с подобными частицами. Наиболее известными примерами и самой большой подгруппой являются N-гетероциклические карбены (NHC) (иногда называемые карбенами Ардуэнго), в которых атомы азота окружают формальный карбен. Современный теоретический анализ показывает, что термин "персистирующий карбен" фактически является неверным. Персистирующие карбены на самом деле не имеют карбеновой электронной структуры в основном состоянии, а вместо этого представляют собой илиды, стабилизированные ароматическим резонансом или стерическими затруднениями. Возбуждение до карбеновой структуры объясняет карбеноподобную димеризацию, которой подвергаются некоторые персистирующие карбены в течение нескольких дней. Персистирующие карбены в целом, и карбены Ардуэнго в частности, являются популярными лигандами в органометаллической химии.

Первые свидетельства

В 1957 году Рональд Бреслоу предположил, что относительно стабильный нуклеофильный карбен, тиазол-2-илиден-производное витамина B1 (тиамина), является катализатором, участвующим в конденсации бензоина, приводящей к образованию фуроина из фурфурала. В этом цикле тиазолиевое кольцо витамина обменивает атом водорода (присоединенный к углероду 2 кольца) на фурфуральный остаток. В деутерированной воде протон C2 быстро обменивается на деутерон в статистическом равновесии. Предполагалось, что этот обмен происходит через стадию образования тиазол-2-илидена. В 2012 году было сообщено об изоляции так называемого промежуточного соединения Бреслоу. В 1960 году Ганс Вернер Ванзлик и его коллеги предположили, что карбены, полученные из дигидроимидазол-2-илидена, образуются при вакуумном пиролизе соответствующих 2-трихлорметилдигидроимидазольных соединений с выделением хлороформа. Они предположили, что карбен находится в равновесии со своим димером – производным тетрааминоэтилена, так называемым равновесием Ванзлика. Эта гипотеза была поставлена под сомнение Лемалем и его коллегами в 1964 году, которые представили доказательства, что димер не диссоциирует, а также Винбергом в 1965 году. Однако последующие эксперименты Денка, Херрманна и других подтвердили существование этого равновесия, хотя и в специфических условиях.

Стабилизация через смежные орбиталы

Молекулярные орбитали аллильной системы. В современном понимании, поверхностно незаполненная p-орбиталь на (мета)стабильном карбене на самом деле не является полностью пустой. Вместо этого, структуры Льюиса карбена находятся в резонансе с дативными связями к соседним неподеленным электронным парам или π-связям. Справа: 1,3,4,5-тетраметилимидазол-2-илиден, относительно незамещенный карбен. (3D)

Первые исследователи объясняли стабильность карбенов Ардуэнго объемными N-адамантильными заместителями, которые препятствуют димеризации карбена. Однако замена N-адамантильных групп на метильные группы также приводит к образованию 1,3,4,5-тетраметилимидазол-2-илидена (Me4ImC:), термодинамически стабильного незамещенного NHC. Алкилокси, алкиламино, алкилфосфино и даже хиральные заместители: его дополнительная стабильность, вероятно, обусловлена электроноакцепторным эффектом хлорных заместителей, которые уменьшают электронную плотность на атоме углерода, несущем неподеленную пару, посредством индукции по сигма-связям. Также были синтезированы молекулы, содержащие две и даже три группы имидазол-2-илидена. Карбены на основе имидазола термодинамически стабильны и обычно имеют характерные значения химического сдвига в спектрах 13C ЯМР в диапазоне 210–230 ppm для карбенового углерода. Как правило, рентгеноструктурный анализ этих молекул показывает углы N–C–N в диапазоне 101–102°.

Карбены Бертрана

В персистирующих карбенах Бертрана ненасыщенный углерод связан с фосфором и кремнием. Однако эти соединения, по-видимому, проявляют некоторые алкиновые свойства, и при публикации точная карбеновая природа этих красных масел вызывала споры. Имеет структуру, аналогичную боразину, с одним атомом бора, замененным метиленовой группой. В результате получается плоское шестиэлектронное соединение. [[Файл:Prasang карбен.png|center|thumb|800px|На втором этапе этой реакционной последовательности протон отщепляется LiTMP, в то время как две циклогексильные группы экранируют карбен.

Мезоионные карбены

Мезоионные карбены (MIC) похожи на N-гетероциклические карбены (NHC), за исключением того, что невозможно представить канонические резонансные структуры с изображенным карбеном без введения дополнительных зарядов. Мезоионные карбены также называют аномальными N-гетероциклическими карбенами (aNHC) или отдаленными N-гетероциклическими карбенами (rNHC). Некоторые свободные карбены могут быть выделены и стабильны при комнатной температуре, в то время как другие свободные карбены нестабильны и подвержены путям межмолекулярного разложения.

Базичность и нуклеофильность

Имидазол-2-илидены являются сильными основаниями, имеющими pKa ≈ 24 для сопряженной кислоты в диметилсульфоксиде (DMSO): примерно на 3 единицы pKa более основные, чем родственные ионы имидазолия.

Приложения

Катализатор Граббса второго поколения. N-гетероциклические карбены (NHC) широко используются в качестве вспомогательных лигандов в органометаллической химии. Одним из практических применений является рутениевый катализатор Граббса и палладиевые комплексы NHC для реакций кросс-сочетания. Металлические комплексы NHC, особенно комплексы Ag(I) с NHC, широко исследовались на предмет их биологической активности.

Методы приготовления

НХК часто являются сильными основаниями (значение pKa конъюгированной кислоты имидазол-2-илидена было измерено примерно равным 24) и реагируют с кислородом. Очевидно, эти реакции проводятся с использованием бескислородной техники, избегая соединений даже умеренной кислотности. Хотя соли имидазолия устойчивы к нуклеофильному присоединению, другие неароматические соли не обладают такой устойчивостью (например, соли формамидиния). В этих случаях следует избегать сильных, незамещенных нуклеофилов, независимо от того, образуются ли они in situ или присутствуют в качестве примесей в других реагентах (например, LiOH в BuLi). Для получения стабильных карбенов разработано несколько подходов, которые изложены ниже.

Фотохимическое разложение

Персистирующие карбены в триплетном состоянии были получены фотохимическим разложением производного диазометана с выделением газообразного азота при длине волны 300 нм в бензоле.

Очищение

Сублимация карбена. Стабильные карбены очень реакционноспособны, поэтому желательно минимизировать их обработку, используя методы, исключающие доступ воздуха. Однако, при условии использования тщательно высушенных, относительно некислых и не содержащих воздуха материалов, стабильные карбены достаточно устойчивы к обработке как таковой. В качестве примера, стабильный карбен, полученный из гидрида калия, можно отфильтровать через сухую прокладку из кельсита для удаления избыточного KH (и образовавшихся солей) из реакционной смеси. В относительно небольших масштабах суспензию, содержащую стабильный карбен в растворе, можно оставить для осаждения, а затем пропустить надосадочный раствор через фильтр-шприц с сухой мембраной. Стабильные карбены легко растворимы в неполярных растворителях, таких как гексан, и поэтому, как правило, рекристаллизация стабильных карбенов может быть затруднена из-за отсутствия подходящих некислых полярных растворителей. Сублимация в отсутствие воздуха, как показано на рисунке справа, может быть эффективным методом очистки, хотя предпочтительны температуры ниже 60 °C при высоком вакууме, поскольку эти карбены относительно летучи и также могут начать разлагаться при более высоких температурах. Фактически, сублимация в некоторых случаях может дать отдельные кристаллы, пригодные для рентгеноструктурного анализа. Однако, сильное комплексообразование с ионами металлов, такими как литий, в большинстве случаев препятствует сублимации.