Amerykańscy chemicy otrzymali N-heterocykliczny karben, który okazał się stabilny w roztworze wodnym. Nie protonował z wodą i nie reagował z nukleofilami ze względu na duże podstawniki karboranowe. Badanie opublikowano w czasopiśmie Science Advances.
Karbeny to substancje organiczne zawierające w swojej strukturze dwuwartościowy atom węgla. Ten atom węgla ma zwykle niesparowaną parę elektronów i wolny orbital, przez co karbeny są bardzo reaktywne w stosunku do nukleofili i elektrofilów. N-heterocykliczne karbeny są bardziej stabilne od innych ze względu na efekty elektronowe dwóch atomów azotu znajdujących się w pobliżu centrum karbenowego. Ale nawet one szybko rozkładają się w powietrzu.
Chemicy pod przewodnictwem Vincenta Lavallo z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside niedawno wykazali, że N-heterocykliczne karbeny mogą być stabilne nie tylko w powietrzu, ale nawet w roztworze wodnym.
Aby uzyskać taki karben, naukowcy wprowadzili do cząsteczki prekursorowej karbenu N-heterocyklicznego dwa duże podstawniki klastrowe (karboran), w których dziewięć atomów boru i jeden atom węgla były ze sobą połączone. Jednocześnie każdy atom boru utworzył wiązanie z innymi atomami boru, a jedyny atom węgla w klastrze przyłączył się do fragmentu karbenu. Ponadto, w celu zwiększenia stabilności przyszłego karbenu, chemicy chlorowali te podstawniki. Teraz każdy atom boru był związany z atomem chloru.
Chemicy zmieszali powstały chlorowany prekursor z heksametylodisilazydkiem litu, silną zasadą. W tym przypadku powstał karben N-heterocykliczny. Naukowcy scharakteryzowali go za pomocą spektroskopii NMR i rentgenowskiej analizy strukturalnej. Podczas pracy zauważono, że jeśli pozostawimy luźno zamkniętą ampułkę NMR z roztworem karbenu w powietrzu, jej widmo NMR nie ulega zmianie — innymi słowy, karben nie ulega rozkładowi. Następnie do roztworu karbenu w tetrahydrofuranie dodali wodę destylowaną. Ku zaskoczeniu naukowców, nawet po dodaniu wody, widmo NMR nie uległo żadnej zmianie. Odkryli więc, że uzyskany karben jest stabilny w roztworze wodnym.
Naukowcy wykazali ponadto, że ich karben jest nie tylko stabilny w wodzie, ale można go również uzyskać w roztworze wodnym. Zmieszali prekursor karbenu i wodorotlenek litu w mieszaninie wody i tetrahydrofuranu — w rezultacie otrzymali czysty karben bez oznak rozkładu.
W ten sposób chemikom po raz pierwszy udało się uzyskać karben stabilny w wodzie. Co więcej, nie reagował nie tylko z wodą, ale również z kompleksami różnych metali przejściowych, heterokumulenem oraz pierwiastkowym selenem. Autorzy artykułu zakładają, że niska reaktywność otrzymanego karbenu związana jest z obecnością akceptora i dużych podstawników karboranowych, które „chronią” karben przed innymi cząsteczkami.
Wcześniej omawialiśmy, jak chemikom udało się uzyskać po raz pierwszy krystaliczną postać nitrenu, która była stabilna w temperaturze pokojowej.