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Oxocarbono

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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

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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

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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

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Una familia de óxidos de carbono tiene la fórmula general CnO2, 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

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Otra familia de oxocarbonos son los monóxidos de carbono lineales CnO. 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

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Otra familia de oxocarbonos de interés son los oxocarbonos cíclicos tipo radialeno CnOn 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:

El óxido cíclico C6O6 forma también los aniones estables de tetrahidroxi-1,4-benzoquinona (C6O64-) y bencenohexol (C6O66-),[38]​ La aromaticidad de estos aniones ha sido estudiada utilizando métodos teóricos.[39]​[40]​

Nuevos óxidos

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

     
  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

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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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