Oxocarbono

Un oxocarbono u óxido de carbono es un compuesto inorgánico que consiste únicamente de carbono y oxígeno.^[1]​^[2]​

Los más simples y más comunes de los oxocarbonos son el monóxido de carbono (CO) y el dióxido de carbono (CO₂). Se conocen muchos otros óxidos estables o metaestables del carbono, pero son raramente encontrados, tales como el dióxido de tricarbono (C₃O₂ o O=C=C=C=O) y el anhídrido melítico (C₁₂O₉).

	CO Monóxido de carbono		CO2 Dióxido de carbono		C3O2 Dióxido de tricarbono		C12O9 Anhídrido melítico

Mientras que los libros de texto ocasionalmente listan solo los primeros tres, y raramente el cuarto, un gran número de otros óxidos son conocidos hoy, la mayoría de ellos sintetizados desde los años 1960s. Algunos de estos nuevos óxidos son estables a temperatura ambiente; otros son metaestables únicamente a muy bajas temperaturas, pero se descomponen a oxocarbonos más simples cuando son calentados. Muchos son inherentemente inestables y pueden ser observados únicamente de manera momentánea como intermediarios en reacciones químicas o son tan reactivos que pueden existir solo en fase gaseosa o bajo condiciones de aislamiento de matriz.

El inventario de oxocarbonos parece estar en crecimiento sostenido. La existencia del óxido de grafito y otros óxidos de carbono poliméricos estables con estructuras moleculares ilimitadas^[3]​^[4]​ sugiere que pueden ser descubiertos muchos más.

Visión general

El dióxido de carbono (CO₂) se encuentra ampliamente en la naturaleza, y fue producido incidentalmente por humanos desde tiempos prehistóricos, mediante la combustión de sustancias que contienen carbono y fermentación de alimentos tales como la cerveza y el pan. Fue gradualmente reconocido como una sustancia química, llamado anteriormente spiritus sylvestre ("espíritu del bosque") o "aire fijo", por varios químicos en los siglos XVII y XVIII.

El monóxido de carbono puede encontrarse también como un producto de la combustión, y fue utilizado (aunque no reconocido) desde la antigüedad para el fundido (smelting) del hierro a partir de sus menas. Al igual que el dióxido, fue descrito y estudiado en Occidente por varios alquimistas y químicos desde la Edad Media. Su verdadera composición fue descubierta por William Cruikshank en 1800.

El dióxido de tricarbono o subóxido de carbono fue descubierto por Brodie en 1873, haciendo pasar una corriente eléctrica a través del dióxido de carbono.^[5]​

El cuarto óxido "clásico", el anhídrido mel (C₁₂O₉), fue obtenido aparentemente por Liebig y Wöhler en 1830 en su estudio de la melita, pero fue caracterizado solo hasta 1913, por Meyer y Steiner.^[6]​^[7]​^[8]​

Brodie también descubrió en 1859 un quinto compuesto llamado óxido de grafito, que consiste de carbono y oxígeno en relaciones que varían entre 2:1 y 3:1; pero la naturaleza y estructura molecular de la sustancia permaneció desconocida muchos años hasta que fue renombrado como óxido de grafeno y se volvió un tema de investigación en nanotecnología.^[3]​

Ejemplos notables de óxidos inestables o metaestables que fueron detectados solo en situaciones extremas son el radical monóxido de dicarbono (:C=C=O), el trióxido de carbono (CO₃),^[9]​ tetróxido de carbono (CO₄),^[10]​^[11]​ pentóxido de carbono (CO₅),^[12]​ hexóxido de carbono (CO₆)^[13]​ y 1,2-dioxetanodiona (C₂O₄).^[14]​^[15]​ Algunos de estos óxidos de carbono reactivos fueron detectados dentro de nubes moleculares en el medio interestelar mediante espectroscopia rotacional.^[16]​

Muchos oxocarbonos hipotéticos han sido estudiados por métodos teóricos pero no han sido detectados aún. Ejemplos incluyen al anhídrido oxálico (C₂O₃ o O=(C₂O)=O), la etenodiona (C₂O₂ o O=C=C=O)^[17]​ y otros polímeros lineales o cíclicos del monóxido de carbono (-CO-)_n (policetonas),^[18]​ y polímeros lineales o cíclicos del dióxido de carbono (-CO₂-)_n, tales como el dímero 1,3-dioxetanodiona (C₂O₄)^[19]​ y el trímero 1,3,5-trioxanotriona (C₃O₆).^[19]​^[20]​

	C2O3 Anhídrido oxálico		C2O4 1,2-Dioxetano- diona		C2O4 1,3-Dioxetano- diona		C3O6 1,3,5-Trioxano- triona		C2O2 Etenodiona

Estructura general

Normalmente el carbono es tetravalente mientras que el oxígeno es divalente, y en la mayoría de oxocarbonos (como en la mayoría de otros compuestos de carbono) cada átomo de carbono puede estar enlazado a otros cuatro átomos, mientras que el oxígeno puede ser enlazado a dos. Además, mientras que el carbono puede conectarse con otros carbonos para formar cadenas o redes arbitrariamente largas, las cadenas de tres o más oxígenos son raramente observadas. De esta forma, los oxocarbonos eléctricamente neutros conocidos consisten generalmente de uno o más esqueletos de carbono (incluyendo estructuras cíclicas y aromáticas) conectadas y terminadas por grupos óxido (-O-, =O) o peróxido (-O-O-).

Se encuentran átomos de carbono con enlaces sin llenar en algunos óxidos, tales como el diradical C₂O o :C=C=O, pero estos compuestos son generalmente muy reactivos para ser aislados en grandes cantidades.^[21]​ La pérdida o ganancia de electrones puede resultar en oxígeno negativo monovalente (-O^-), oxígeno positivo trivalente (≡O⁺), o carbono negativo trivalente (≡C^-). Los últimos dos se encuentran en el monóxido de carbono, ^-C≡O⁺.^[22]​ El oxígeno negativo ocurre en la mayoría de los aniones oxocarbono.

Dióxidos de carbono lineales

Una familia de óxidos de carbono tiene la fórmula general C_nO₂, o O=(C=)_nO, una cadena lineal de átomos de carbono limitada por átomos de oxígeno en ambos extremos. Los primeros miembros son:

• CO₂ o O=C=O, el conocido dióxido de carbono.
• C₂O₂ o O=C=C=O, la extremadamente inestable etenodiona.^[17]​
• C₃O₂ o O=C=C=C=O, el metaestable subóxido de carbono o dióxido de tricarbono.
• C₄O₂ o O=C=C=C=C=O, el dióxido de tetracarbono o 1,2,3-butatrieno-1,4-diona^[23]​
• C₅O₂ o O=C=C=C=C=C=O, el dióxido de pentacarbono,^[24]​ estable en disolución a temperatura ambiente y puro hasta −90 °C.^[25]​

Algunos miembros mayores de esta familia han sido detectados en cantidades de traza en fase gaseosa de baja presión y/o experimentos de matriz criogénica, específicamente para n = 7^[25]​^:p.97 y n = 17, 19, y 21.^[26]​^:p.95

Monóxidos de carbono lineales

Otra familia de oxocarbonos son los monóxidos de carbono lineales C_nO. El primer miembro, el ordinario monóxido de carbono CO, parece ser el único que es estable en estado puro a temperatura ambiente. La fotólisis de los dióxidos de carbono lineales en una matriz criogénica lleva a una pérdida de CO, resultando en cantidades detectables de monóxidos pares tales como C₂O, C₄O,^[21]​ y C₆O.^[25]​ Los miembros superiores a n=9 han sido obtenidos también mediante una descarga eléctrica en C₃O₂ gaseoso diluido en argón.^[27]​ Los primeros tres miembros han sido detectados en el espacio interestelar.^[27]​

Cuando n es par, se cree que las moléculas están en el estado triplete (tipo cumuleno), con los átomos conectados por dobles enlaces y un orbital semilleno 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 entra en resonancia con un estado singlete (tipo acetileno) polar con una carga negativa sobre el carbono final y una positiva en el oxígeno final, como en ^-C≡C-C≡O⁺, ^-C≡C-C≡C-C≡O⁺ y, en general, ^-(C≡C-)_n/2C≡O⁺.^[27]​ El mismo monóxido de carbono sigue este patrón: su forma predominante se cree que es ^-C≡O⁺.^[22]​

Policetonas cíclicas tipo radialeno

Otra familia de oxocarbonos de interés son los oxocarbonos cíclicos tipo radialeno C_nO_n o (CO)_n.^[28]​ Pueden ser considerados como polímeros cíclicos del monóxido de carbono, o n-múltiples cetonas de cicloalcanos de n-átomos de carbono. El mismo monóxido de carbono (CO) puede considerarse como el primer miembro de la serie. Estudios teóricos indican que la etenodiona (C₂O₂ o O=C=C=O) y la ciclopropanotriona C₃O₃ no existen.^[17]​^[18]​ Los siguientes tres miembros — C₄O₄, C₅O₅, y C₆O₆ — son teóricamente posibles, pero se espera que sean bastante inestables,^[18]​ y hasta ahora han sido sintetizados solo en cantidades de traza.^[29]​^[30]​

	(CO)2 Etenodiona		(CO)3 Ciclopropano- triona		(CO)4 Ciclobutano- tetrona		(CO)5 Ciclopentano- pentona		(CO)6 Ciclohexano hexona

Por otra parte, los aniones de estos oxocarbonos son bastante estables, y algunos de ellos han sido conocidos desde el siglo XIX.^[28]​ Estos son:

• C₂O₂^2-, etinodiolato (Weiss y Büchner, 1963),^[31]​
• C₃O₃^2-, deltato (Eggerding y West, 1976),^[32]​^[33]​
• C₄O₄^2-, escuarato (Cohen y otros, 1959),^[34]​
• C₅O₅^2-, croconato (Gmelin, 1825),^[35]​ y
• C₆O₆^2-, rodizonato (Heller, 1837).^[36]​^[37]​

El óxido cíclico C₆O₆ forma también los aniones estables de tetrahidroxi-1,4-benzoquinona (C₆O₆^4-) y bencenohexol (C₆O₆^6-),^[38]​ La aromaticidad de estos aniones ha sido estudiada utilizando métodos teóricos.^[39]​^[40]​

Nuevos óxidos

Muchos nuevos óxidos estables o metaestabes han sido sintetizados desde los años 1960s, tales como:

• C₁₀O₈, dianhídrido benzoquinonatetracarboxílico (Hammond, 1963).^[41]​
• C₆O₆, dianhídrido etilenotetracarboxílico, un isómero estable de la ciclohexanohexona (Sauer y otros, 1967).^[42]​
• C₁₂O₁₂ o C₆(C₂O₄)₃, trisoxalato de hexahidroxibenceno (Verter y Dominic, 1967); estable como un solvato de tetrahidrofurano.^[43]​
• C₁₀O₁₀ o C₆O₂(C₂O₄)₂, bisoxalato de tetrahidroxi-1,4-benzoquinona (Verter y otros, 1968); estable como un solvato de tetrahidrofurano.^[44]​
• C₈O₈ o C₆O₂(CO₃)₂, biscarbonato de tetrahidroxi-1,4-benzoquinona (Nallaiah, 1984); se descompone alrededor de 45–53 °C.^[45]​
• C₉O₉ o C₆(CO₃)₃, triscarbonato de hexahidroxibenzeno (Nallaiah, 1984); se descompone alrededor de 45–53 °C.^[45]​
• C₂₄O₆, un trímero cíclico del diradical 3,4-dialquinil-3-ciclobuteno-1,2-diona -C≡C-(C₄O₂)-C≡C- (Rubin y otros, 1990);^[46]​
• C₃₂O₈, un tetrámero de la 3,4-dialquinil-3-ciclobuteno-1,2-diona (Rubin y otros, 1990);^[46]​
• C₄O₆, dioxano tetracetona o anhídrido oxálico dimérico (Strazzolini y otros, 1998); estable en Et₂O a -30 °C, se descompone a 0 °C.^[47]​
• C₁₂O₆, hexaoxotriciclobutabenceno (Hamura y otros, 2006)^[48]​^[49]​

	C10O8 Dianhídrido benzoquinona- tetracarboxílico		C6O6 dianhídrido etileno- tetracarboxílico		C10O10 Bisoxalato de tetrahidroxi- 1,4-benzoquinona
	C8O8 Biscarbonato de tetrahidroxi- 1,4-benzoquinona		C4O6 Dioxano tetracetona		C12O12 Trisoxalato de Hexahidroxibenceno
	C9O9 Triscarbonato de Hexahidroxibenceno		C24O6 Tris(3,4-dialquinil- 3-ciclobuteno- 1,2-diona)		C32O8 Tetrakis(3,4-dialquinil- 3-ciclobuteno- 1,2-diona)
	C12O6 Hexaoxotriciclo- butabenceno

Muchos compuestos relacionados con estos óxidos han sido investigados teóricamente, y se espera que algunos sean estables, tales como otros ésteres carbonato y oxalato de la tetrahidroxi-1,2-benzoquinona y de los ácidos rodizónico, crocónico, escuárico, y déltico.^[18]​

Óxidos de carbono poliméricos

El subóxido de carbono se polimeriza espontáneamente a temperatura ambiente en un polímero de carbono-oxígeno, con una relación atómica entre ellos de 3:2 respectivamente. Se cree que el polímero es una cadena lineal de anillos de lactona de seis miembros fusionados, con un continuo esqueleto de carbono de enlaces sencillos y dobles alternados. Las medidas físicas indican que el número medio de unidades por molécula es alrededor de 5–6, dependiendo de la temperatura de formación.^[4]​^[50]​

	Unidades de terminación y repetición de C3O2 polimérico.^[4]​

	Oligómeros de C3O2 con 3 a 6 unidades.^[4]​

El monóxido de carbono comprimido a 5 GPa en una celda de yunque de diamante da un polímero algo similar a rojizo con un contenido ligeramente más alto de oxígeno, el cual es metaestable en condiciones ambientales. Se cree que el CO se dismuta en la celda para dar una mezcla de CO₂ y C₃O₂; este último forma un polímero similar al descrito anteriormente pero con una estructura más irregular, que atrapa algo del CO₂ en su matriz.^[51]​^[52]​

Otro polímero de carbono-oxígeno, con una relación de 5:1 respectivamente o mayor, es el clásico óxido de grafito^[3]​ y su versión de una sola hoja, el óxido de grafeno.

Referencias

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Enlaces externos

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