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Carbonilos Metálicos


En el campo de la química organometálica, los carbonilos metálicos juegan un papel importante debido a sus propiedades únicas y sus amplias aplicaciones. Los carbonilos metálicos son compuestos que consisten en centros metálicos unidos a ligandos de monóxido de carbono. La fascinante habilidad del monóxido de carbono (CO) para coordinarse con metales da lugar a estos compuestos, lo que lleva a propiedades químicas fascinantes y diversidad estructural.

Estructura y enlace en carbonilos metálicos

La coordinación de los ligandos de CO a los centros metálicos ocurre principalmente a través de la donación sigma desde el orbital molecular lleno del monóxido de carbono al orbital metálico vacío, así como la retrodonación pi desde los orbitales d llenos del metal al orbital antibonding pi* vacío de CO. Esta naturaleza de doble enlace proporciona estabilidad y propiedades espectroscópicas únicas a los carbonilos metálicos.

M – C ≡ O

Aquí, M denota un átomo de metal mientras que CO denota el ligando de monóxido de carbono. El enlace metal-carbono es parcialmente covalente con una retrodonación pi significativa que debilita el enlace C≡O en comparación con el CO libre.

Regla de los dieciocho electrones

La regla de los 18 electrones o regla del "número atómico efectivo" es un concepto importante al considerar la estabilidad y formación de los carbonilos metálicos. Sugiere que los complejos de metales de transición estables a menudo tienen 18 electrones de valencia, logrados a través de la suma de los electrones d del metal y los electrones de los ligandos circundantes.

  • Por ejemplo,
    Fe(CO)5
    El hierro (Fe) tiene 8 electrones d. Cada uno de los cinco ligandos CO dona 2 electrones, dando un total de 10 electrones. Esto totaliza 18, lo cual satisface la regla.

Tipos de carbonilos metálicos

Los carbonilos metálicos pueden ser clasificados según su estado de oxidación y número de coordinación, apareciendo típicamente como complejos mononucleares, polinucleares y de metales mezclados.

Carbonilos metálicos mononucleares

M(CO)N

Estos contienen un átomo metálico. Un ejemplo clásico de un carbonilo metálico mononuclear es 

Ni(CO)4
, donde el níquel está en el estado de oxidación cero.

Ejemplos adicionales incluyen:

Cr(CO)6

Aquí, el cromo también está en el estado de oxidación cero, rodeado por seis grupos CO en geometría octaédrica.

Carbonilos metálicos polinucleares

MM(CO)N

Estos complejos contienen múltiples átomos metálicos en un solo compuesto. Un ejemplo notable es 

Fe2(CO)9
, en el cual los dos átomos de hierro comparten un ligando carbonilo puente.

Fe - Fe
    CO CO CO
    CO - CO

Carbonilos metálicos heteronucleares

Estos carbonilos son hechos de varios metales, que muestran diversas aplicaciones en catálisis y ciencia de materiales. Un ejemplo de esto es 

[FeNi(CO)4]
donde el hierro y el níquel están unidos a través de puentes de carbonilo.

Síntesis de carbonilos metálicos

Se utilizan varios métodos para sintetizar carbonilos metálicos, dependiendo a menudo del centro metálico deseado:

Retroalimentación directa

El enfoque más simple implica la reacción directa del metal con monóxido de carbono bajo condiciones adecuadas de temperatura y presión:

Ni + 4 CO → Ni(CO)4

La reacción procede sin problemas a temperatura y presión ambiente, demostrando una ruta de síntesis directa.

Reducción de sales de metal

Las sales de metal se reducen en presencia de monóxido de carbono. Por ejemplo:

VCl3 + 3 CO + Al → V(CO)6 + AlCl3

Sustitución de ligando

En algunas reacciones, el ligando en el complejo metálico es reemplazado por monóxido de carbono. Un ejemplo ilustrativo es:

MoCl6 + 6 CO → Mo(CO)6 + 6 Cl2

Propiedades de los carbonilos metálicos

Los carbonilos metálicos se definen por varias propiedades físicas y químicas importantes:

  • Volatilidad: Muchos carbonilos metálicos, como 
    Ni(CO)4
    , son volátiles y pueden ser usados en la purificación de metales por el proceso Mond.
  • Solubilidad: Generalmente solubles en disolventes orgánicos no polares.
  • Color: Varía ampliamente entre diferentes compuestos, a menudo exhibiendo colores vibrantes debido a las interacciones metal-ligando.
  • Toxicidad: Muchos carbonilos metálicos, como 
    Ni(CO)4
    , son tóxicos y requieren manejo cuidadoso.

Reacciones involucrando carbonilos metálicos

Los carbonilos metálicos participan en una amplia gama de reacciones debido a sus características estructurales y naturaleza rica en electrones:

Reacciones de sustitución

El intercambio de ligandos puede ocurrir cuando un grupo CO es reemplazado por otro ligando, como una fosfina:

Fe(CO)5 + PPh3 → Fe(CO)4(PPh3) + CO

Aditivos oxidativos

Los complejos de carbonilos metálicos pueden participar en la adición oxidativa, donde un sustrato se añade al centro metálico provocando un aumento en el conteo de electrones:

CO2(CO)8 + Cl2 → 2 CO(CO)4(Cl)2

Inserción de carbonilo

En este tipo de reacción, el ligando CO se inserta en un enlace metal-carbono o metal-hidrógeno:

LNMR + CO → LNMC(=O)-R

Aplicaciones en catálisis

Los complejos de carbonilos metálicos son extremadamente importantes en aplicaciones industriales y sintéticas, tales como:

Catálisis homogénea

Sirven como catalizadores en una variedad de transformaciones orgánicas, incluyendo hidroformilación y carbonilación:

R-CH=CH2 + CO + H2 --(Co2(CO)8)--> R-CH2-CH2-CHO

Reacciones de carbonilación

Este proceso involucra la adición de un grupo carbonilo a una molécula y se usa ampliamente en la producción de ácido acético y otras sustancias orgánicas:

CH3OH + CO → CH3COOH

Seguridad y manejo

Debido a su toxicidad inherente y volatilidad, los carbonilos metálicos requieren protocolos de seguridad estrictos:

  • Ventilación: Realizar reacciones en áreas bien ventiladas o campanas extractoras para evitar la inhalación.
  • Equipo de protección: Siempre use guantes y gafas protectoras al manejar carbonilos metálicos.
  • Almacenamiento: Almacenar en un recipiente herméticamente cerrado en un lugar fresco y seco.

Conclusión

Los carbonilos metálicos emergen como compuestos importantes y fascinantes en la química organometálica. Encarnan una relación simbiótica entre el monóxido de carbono y los metales, proporcionando una utilidad generalizada tanto en la investigación académica como en aplicaciones industriales. Los avances en la comprensión y manipulación de estos compuestos continúan expandiendo los límites de la química, convirtiéndolos en herramientas indispensables en la síntesis de moléculas complejas y procesos catalíticos.


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