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oxocarbono

En química , un oxocarbono u óxido de carbono es un compuesto químico formado únicamente por carbono y oxígeno . [1] [2] Los oxocarbonos más simples y comunes son el monóxido de carbono (CO) y el dióxido de carbono ( CO 2 ). Se conocen muchos otros óxidos de carbono estables (prácticamente, si no termodinámicamente) o metaestables , pero rara vez se encuentran, como el subóxido de carbono ( C 3 O 2 u O=C=C=C=O ) y el anhídrido melítico ( C 12 O 9 ).

Hoy en día se conocen muchos otros óxidos, la mayoría de ellos sintetizados desde la década de 1960. Algunos de estos nuevos óxidos son estables a temperatura ambiente. Algunos son metaestables o estables sólo a temperaturas muy bajas, pero se descomponen en oxocarbonos más simples cuando se calientan. Muchos son inherentemente inestables y sólo pueden observarse momentáneamente como intermediarios en reacciones químicas o son tan reactivos que existen sólo en fase gaseosa o sólo han sido detectados mediante aislamiento de matriz .

Existen óxido de grafeno y otros óxidos de carbono poliméricos estables con estructuras moleculares ilimitadas. [3] [4]

Descripción general

El dióxido de carbono (CO 2 ) se encuentra ampliamente en la naturaleza y fue producido incidentalmente por los humanos desde tiempos prehistóricos, mediante la respiración, la combustión de sustancias que contienen carbono y la fermentación de alimentos como la cerveza y el pan . Poco a poco fue reconocido como una sustancia química, antiguamente llamada Spiritus Sylvestris ("espíritu del bosque") o "aire fijo", por varios químicos de los siglos XVII y XVIII.

El monóxido de carbono también puede ocurrir en la combustión y se usó (aunque no se reconoce) desde la antigüedad para fundir hierro a partir de sus minerales . Al igual que el dióxido, fue descrito y estudiado en Occidente por diversos alquimistas y químicos desde la Edad Media. Su verdadera composición fue descubierta por William Cruikshank en 1800.

El subóxido de carbono fue descubierto por Benjamin Brodie en 1873, haciendo pasar corriente eléctrica a través de dióxido de carbono. [5]

El cuarto óxido "clásico", el anhídrido melítico (C 12 O 9 ), aparentemente fue obtenido por Liebig y Wöhler en 1830 en su estudio de la melita ("piedra de miel") , pero no fue caracterizado hasta 1913 por Meyer y Steiner. [6] [7] [8]

Brodie también descubrió en 1859 un quinto compuesto llamado óxido de grafito , formado por carbono y oxígeno en proporciones que varían entre 2:1 y 3:1; pero la naturaleza y estructura molecular de esta sustancia permaneció desconocida hasta hace unos años, cuando pasó a llamarse óxido de grafeno y se convirtió en tema de investigación en nanotecnología . [3]

Ejemplos notables de óxidos inestables o metaestables que se detectaron sólo en situaciones extremas son el radical monóxido de dicarbono (:C=C=O), el trióxido de carbono (CO 3 ), [9] el tetróxido de carbono ( CO
4), [10] [11] pentóxido de carbono ( CO
5), [12] hexóxido de carbono ( CO
6) [13] y 1,2-dioxetanodiona (C 2 O 4 ). [14] [15] Algunos de estos óxidos de carbono reactivos se detectaron dentro de nubes moleculares en el medio interestelar mediante espectroscopia rotacional . [dieciséis]

Se han estudiado muchos oxocarbonos hipotéticos mediante métodos teóricos, pero aún no se han detectado. Los ejemplos incluyen anhídrido oxálico (C 2 O 3 u O=(C 2 O)=O), etilendiona (C 2 O 2 u O=C=C=O) [17] y otros polímeros lineales o cíclicos de monóxido de carbono ( -CO-) n ( policetonas ), [18] y polímeros lineales o cíclicos de dióxido de carbono (-CO 2 -) n , como el dímero 1,3-dioxetanodiona (C 2 O 4 ). [19]

Estructura general

Normalmente, el carbono es tetravalente , mientras que el oxígeno es divalente , y en la mayoría de los oxocarbonos (como en la mayoría de los demás compuestos de carbono) cada átomo de carbono puede estar unido a otros cuatro átomos, mientras que el oxígeno puede estar unido a como máximo dos. Además, si bien el carbono puede conectarse con otros carbonos para formar cadenas o redes arbitrariamente grandes, rara vez se observan cadenas de tres o más oxígenos. Así, los oxocarbonos eléctricamente neutros conocidos generalmente constan de uno o más esqueletos de carbono (incluidas estructuras cíclicas y aromáticas ) conectados y terminados por grupos óxido (-O-, =O) o peróxido (-OO-).

Los átomos de carbono con enlaces insatisfechos se encuentran en algunos óxidos, como el diradical C 2 O o :C=C=O; pero estos compuestos son generalmente demasiado reactivos para aislarlos en masa. [20] La pérdida o ganancia de electrones puede resultar en oxígeno monovalente negativo (- O−
), oxígeno trivalente positivo (≡ O+
), o carbono negativo trivalente (≡ C−
). Los dos últimos se encuentran en el monóxido de carbono, − C≡O + . [21] El oxígeno negativo se produce en la mayoría de los aniones oxocarbonados .

Dióxidos de carbono lineales

Una familia de óxidos de carbono tiene la fórmula general C n O 2 , u O=(C=) n O, es decir, una cadena lineal de átomos de carbono, cubierta por átomos de oxígeno en ambos extremos. Los primeros miembros son

Algunos miembros superiores de esta familia se han detectado en cantidades traza en experimentos de fase gaseosa a baja presión y/o de matriz criogénica, específicamente para n = 7 [24] : p.97  y n = 17, 19 y 21. [25] : pág.95 

Monóxidos de carbono lineales

Otra familia de oxocarbonos son los monóxidos de carbono lineales C n O. El primer miembro, el monóxido de carbono ordinario CO, parece ser el único que es prácticamente estable en estado puro a temperatura ambiente (aunque no es termodinámicamente estable a temperatura estándar y presión , ver reacción de Boudouard ). La fotólisis de los dióxidos de carbono lineales en una matriz criogénica conduce a la pérdida de CO, lo que resulta en cantidades detectables de monóxidos pares como C 2 O, C 4 O, [20] y C 6 O. [24] Los miembros hasta n =9 también se han obtenido mediante descarga eléctrica sobre C 3 O 2 gaseoso diluido en argón. [26] Los primeros tres miembros han sido detectados en el espacio interestelar. [26]

Cuando n es par, se cree que las moléculas están en estado triplete ( tipo cumuleno ), con los átomos conectados por dobles enlaces y un orbital vacío en el primer carbono, como en :C=C=O, :C=C =C=C=O, y, en general, :(C=) n =O. Cuando n es impar, se cree que la estructura triplete resuena con un estado polar singlete ( tipo acetileno ) con una carga negativa en el extremo del carbono y una positiva en el extremo del oxígeno, como en − C≡C−C≡O + , − C≡C−C≡C−C≡O + , y, en general, − (C≡C−) ( n −1)/2 C≡O + . [26] El monóxido de carbono en sí sigue este patrón: se cree que su forma predominante es − C≡O + . [21]

Policetonas cíclicas de tipo radialeno

Otra familia de oxocarbonos que ha atraído especial atención son los oxocarbonos de tipo radialeno cíclico C n O n o (CO) n . [27] Pueden considerarse polímeros cíclicos de monóxido de carbono, o cetonas de n cicloalcanos de n carbono . El propio monóxido de carbono (CO) puede considerarse como el primer miembro. Los estudios teóricos indican que la etilendiona (C 2 O 2 u O=C=C=O) y la ciclopropanetriona C 3 O 3 no existen. [17] [18] Los siguientes tres miembros ( C 4 O 4 , C 5 O 5 y C 6 O 6 ) son teóricamente posibles, pero se espera que sean bastante inestables, [18] y hasta ahora solo se han sintetizado en trazas. [28] [29]

Por otro lado, los aniones de estos oxocarbonos son bastante estables, y algunos de ellos se conocen desde el siglo XIX. [27] Ellos son

El óxido cíclico C 6 O 6 también forma los aniones estables de tetrahidroxi-1,4-benzoquinona (C 6 O 6 4− ) y bencenohexol (C 6 O 6 6− ), [37] Se ha estudiado la aromaticidad de estos aniones. utilizando métodos teóricos. [38] [39]

Nuevos óxidos

Desde la década de 1960 se han sintetizado muchos óxidos estables o metaestables nuevos, como:

Se han investigado teóricamente muchos parientes de estos óxidos y se espera que algunos sean estables, como otros ésteres de carbonato y oxalato de tetrahidroxi-1,2-benzoquinona y de los ácidos rodizónico, crocónico, escuárico y deltico. [18]

Óxidos de carbono poliméricos

El subóxido de carbono se polimeriza espontáneamente a temperatura ambiente en un polímero de carbono-oxígeno , con una proporción atómica de carbono:oxígeno de 3:2. Se cree que el polímero es una cadena lineal de anillos de lactona fusionados de seis miembros , con una columna vertebral de carbono continua de enlaces simples y dobles alternos. Las mediciones físicas indican que el número medio de unidades por molécula es de aproximadamente 5 a 6, dependiendo de la temperatura de formación. [4] [49]

El monóxido de carbono comprimido a 5 GPa en una celda de yunque de diamante produce un polímero rojizo algo similar con un contenido de oxígeno ligeramente mayor, que es metaestable en condiciones ambientales. Se cree que el CO se desproporciona en la célula con respecto a una mezcla de CO 2 y C 3 O 2 ; este último forma un polímero similar al descrito anteriormente (pero con una estructura más irregular), que atrapa parte del CO 2 en su matriz. [50] [51]

Otro polímero de carbono-oxígeno, con una relación C:O de 5:1 o superior, es el clásico óxido de grafito [3] y su versión de hoja única, el óxido de grafeno .

Óxidos de fullereno y ozonuros

Se conocen más de 20 óxidos y ozónuros de fullereno : [52]

y otros.

Ver también

Referencias

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