Kohlenmonoxid

Ein Kohlenmonoxid ist eine chemische Verbindung , bestehend aus einer Kombination von Atomen von Kohlenstoff und Sauerstoff nur.

Die einfachsten und häufigsten Kohlenoxide sind Kohlenmonoxid CO und Kohlendioxid CO 2. Viele andere stabile, metastabile oder hypothetische Kohlenoxide sind bekannt, werden jedoch selten angetroffen, wie beispielsweise das Kohlenstoffsuboxid C 3 O 2oder Mellitsäureanhydrid C 12 O 9oder sogar sehr selten, wie Tricarbonmonoxid C 3 O.oder das abklingende Kohlenstofftetroxid CO 4.

Chemfm Kohlenmonoxid 2 2.svg Chemfm Kohlendioxid.svg Chemfm Kohlenstoffsuboxid.svg Chemfm mellitisches Anhydrid.svg Chemfm tricarbon monoxide.svg Chemfm Carbon Tetroxyde.svg
CO
Kohlenstoff -
Monoxid 		CO 2
Carbon
dioxide 		C 3 O 2

Kohlenstoff suboxide 		C 12 O 9

Mellitsäure anhydrid 		C 3 O.

tricarbon monoxid 		CO 4

Kohlenstoff Tetroxyd

Obwohl in Chemielehrbüchern oft nur die ersten drei und selten die vierten gezeigt werden, ist heute eine große Anzahl anderer Kohlenoxide bekannt, von denen die meisten seit den 1960er Jahren synthetisiert wurden . Einige dieser neuen Oxide sind bei Raumtemperatur stabil. Einige hingegen sind nur bei sehr niedrigen Temperaturen metastabil oder stabil und zersetzen sich beim Erhitzen in einfache Kohlenoxide. Viele sind von Natur aus instabil und können nur vorübergehend als Zwischenprodukte bei chemischen Reaktionen beobachtet werden oder sind so reaktiv, dass sie nur innerhalb einer Gasphase oder unter Bedingungen der Matrixisolierung existieren können.

Der Bestand an Kohlenoxiden scheint stetig zuzunehmen. Die Existenz von Graphenoxid und anderen stabilen polymeren Kohlenoxiden mit grenzenlosen Molekülstrukturen legt nahe, dass noch viele weitere entdeckt werden müssen.

Überblick

Das Kohlendioxid CO 2ist in der Natur sehr verbreitet, wo es insbesondere durch die Atmung von Lebewesen sowie durch die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen erzeugt wird. Es ist ein wesentliches Stadium in Form von Kohlenstoff während des Kohlenstoffkreislaufs auf der Erde und das Stadium, in dem er von Pflanzen aufgenommen wird. Es wurde nach und nach als eine anerkannte chemische Verbindung , die früher Sylvester spiritus ( „wilden Geist“) oder „feste Luft“ durch verschiedene Chemiker XVII - ten und XVIII - ten  Jahrhundert, und nach wie vor häufig Kohlendioxid .

Das Kohlenmonoxid CO kann auch während der Verbrennung entstehen und wurde von der Antike bis zum Schmelzen des Eisens seiner Mineralien verwendet (was nicht erkannt wurde) . Wie Kohlendioxid wurde es in Europa seit dem Mittelalter von verschiedenen Alchemisten und Chemikern beschrieben und untersucht . Seine chemische Zusammensetzung wurde durch entdeckt William Cruikshank in 1800 .

Das Kohlenstoffsuboxid C 3 O 2Wurde durch entdeckt Benjamin Collins Brodie in 1873 durch Hindurchleiten elektrischen Stromes durch Kohlendioxid.

Das vierte "klassische" Kohlenmonoxid, Mellitsäureanhydrid , C 12 O 9Wurde offenbar erhalten Justus von Liebig und Friedrich Wöhler in 1830 während ihres Studiums Mellitgelb (Honigstein), wurde aber erst aus 1913 von Hans Meyer und Karl Steiner.

Brodie entdeckte 1859 auch eine sechste Verbindung namens Graphitoxid , die aus Kohlenstoff und Sauerstoff in Verhältnissen von 2: 1 bis 3: 1 bestand. Die Art und Molekülstruktur dieser Substanz war jedoch bis vor kurzem unbekannt. 2000er Jahre, als sie in Graphenoxid umbenannt wurde und wurde ein Gegenstand der Forschung in der Nanotechnologie .

Bemerkenswerte Beispiele von instabilen oder metastabilen Oxide , die nur in extremen Situationen erkannt werden , sind die dicarbon monoxide Radikal : C = C = O, Kohlenstofftrioxid CO 3, Kohlenstoff - tetroxide CO 4und 1,2-Dioxetandion C 2 O 4. Einige dieser reaktiven Kohlenoxide wurden in den Molekülwolken des interstellaren Mediums durch Rotationsspektroskopie nachgewiesen .

Viele hypothetische Kohlenoxide wurden mit theoretischen Methoden untersucht, aber noch nicht nachgewiesen. Beispiele sind Oxalsäureanhydrid C 2 O 3oder O = (Cyclo-C 2 O.) = O, Ethendion C 2 O 2oder O = C = C = O, andere Polyketone , lineare oder cyclische Polymere von Kohlenmonoxid, (-CO-) nund solche von Kohlendioxid (-CO 2 -) n wie das Dimer 1,3-Dioxetandion C 2 O 4und die 1,3,5-trioxanetrione C 3 O 6 Trimer.

Chemfm Oxalsäureanhydrid.svg Chemfm 1 2 dioxetandede.svg Chemfm 1 3 Dioxetandione.svg Chemfm 1 3 5 trioxanetrione.svg Chemfm Ethylendione.svg
C 2 O 3

Oxal- anhydrid 		C 2 O 4
1,2-dioxetane-
dion 		C 2 O 4
1,3-dioxetane-
dion 		C 3 O 6
Trioxan-1,3,5-
trion 		C 2 O 2
Ethendion
 

Allgemeine Struktur

Üblicherweise werden Kohlenstoff ist vierwertigen , während Sauerstoff ist divalente, und in den meisten Kohlenstoffoxide wie in den meisten Kohlenstoffverbindungen, dann das Kohlenstoffatom kann gebunden an vier andere Atome, während das Atom Sauerstoff kann nur an zwei Atome gebunden sein. Während Kohlenstoff beliebig lange Ketten oder Netzwerke bilden kann, werden Ketten von drei oder mehr aufeinanderfolgenden Oxygenaten selten, wenn überhaupt, beobachtet. Und die elektrisch neutralen Kohlenoxide bekannt bestehen aus einem oder mehreren Kohlenstoffgerüsten, einschließlich Strukturen, zyklische und aromatische , verbunden und eingeschlossen durch Gruppen Oxo , -O- oder = O, und Peroxo , -OO-.

Nicht vierwertige, aber zweiwertige Kohlenstoffatome finden sich in einigen Oxiden wie Biradiralen , Kohlenmonoxid, CO oder: C = O, Dicarbonmonoxid , C 2 O.oder: C = C = O und Tricarbonmonoxid , C 3 O.oder: C = C = C = O, aber abgesehen von dem ersten sind diese Oxide im Allgemeinen zu reaktiv, um in der Menge getrennt zu werden. Der Verlust oder Gewinn von Elektronen erzeugen kann negativ geladen und einwertiger Sauerstoff, -O - , positiv geladene und dreiwertigen Sauerstoff, ≡O +, oder negativ geladen und dreiwertigen Kohlenstoffatomen, ≡C - . Diese beiden letzten Formen finden sich in Kohlenmonoxid, - C≡O +, während negativ geladene Sauerstoffatome in anionischen Oxokohlenwasserstoffen  (en) vorkommen .

Lineares Kohlendioxid

Eine der Familien von Kohlenoxiden hat die allgemeine Formel C n O 2oder O = (C =) n O, d. h. es ist eine lineare Kette von sp 2 -Kohlenstoffatomenan jedem Ende durch ein Sauerstoffatom abgedeckt. Die ersten Verbindungen sind:

Mitglieder dieser Familie wurden in Niederdruckgasphasen- oder Kryo- Matrix-Experimenten in Spuren nachgewiesen , insbesondere für n = 7 und für n = 17, n = 19 und n = 21.

Lineare Kohlenmonoxide

Lineare Kohlenmonoxide, C n O.bilden eine weitere Familie von Kohlenoxiden. Sein erstes Mitglied, Kohlenmonoxid, CO, scheint das einzige zu sein, das in seinem reinen Zustand und bei Raumtemperatur stabil ist. Die Photolyse von Kohlendioxid in einer kryogenen Matrix induziert den Verlust einer CO-Einheit, was zu nachweisbaren Mengen Monoxid mit n Paar als C 2 O führtC 4 O.und C 6 O.. Verbindungen bis zu n = 9 wurden auch durch elektrische Entladungen auf in Argon verdünntem Kohlenstoffsuboxid erhalten . Die ersten drei Verbindungen dieser Familie wurden im interstellaren Medium nachgewiesen .

Wenn n gerade ist, Molekül angenommen in einem sein cumulene- wie Triplett - Zustand , wobei alle mit verbundenen Atomen Doppelbindungen und ein leeres Orbital auf dem ersten Kohlenstoff als in: C = C = O ,: C = C = C = C = O und im Allgemeinen: (C =) 2 m = O. Wenn n ungerade ist, wird geschätzt, dass die Triplett- (Radikal-) Struktur mit einem Singulettzustand vom Acetylen- Typ in Resonanz ist , polar mit einer negativen Ladung am terminalen Kohlenstoff und einer positiven Ladung am Sauerstoff am anderen Ende wie in - C≡ CC ≡O + , - C≡CC≡CC≡O + und im Allgemeinen - (C≡C-) 2m C≡O + . Kohlenmonoxid folgt diesem Trend: Seine vorherrschende Form wird als - C≡O + angesehen .

Cyclische Polyketone vom Radialentyp

Eine andere Familie von Kohlenoxiden, die besondere Aufmerksamkeit verdient, ist die von cyclischen Kohlenoxiden vom Radialentyp der allgemeinen Formel C n O noder (CO) n. Sie können als angesehen werden cyclische Oligomere von Kohlenmonoxid oder als n-Tupel - Ketone der n-Kohlenstoffcycloalkanen . Kohlenmonoxid kann als erste Verbindung dieser Familie angesehen werden (n = 1). Theoretische Studien zeigen, dass Ethendion , C 2 O 2oder O = C = C = O und Cyclopropantrion , C 3 O 3kann nicht existieren. Die folgenden drei Verbindungen, C 4 O 4, C 5 O 5und C 6 O 6 sind theoretisch möglich, aber wahrscheinlich nicht sehr stabil und wurden bisher nur in winzigen Mengen synthetisiert.

Chemfm cyclopropanetrione.svg Chemfm cyclobutanetetrone.svg Chemfm cyclopentanepentone.svg Chemfm cyclohexanehexone.svg
(CO) 3
Cyclopropan
trion 		(CO) 4
cyclobutane-
tetron 		(CO) 5
Cyclopentan-
Pentone 		(CO) 6
Cyclohexan-
hexone

Auf der anderen Seite ist die Anionen sind diese Kohlenoxide relativ stabil und einige von ihnen sind seit der bekannt XIX - ten  Jahrhundert:

Chemische Formel IUPAC-Nomenklatur Apotheke) Jahr der Entdeckung
C 2 O 22– Ethindiolat Bücher & Weiss 1963
C 3 O 32– deltieren Eggerding & West 1976
C 4 O 42– quadrieren Cohen et al. 1959
C 5 O 52– Krokodat Gmelin 1825
C 6 O 62– Rhodizonat Heller 1837

Cyclisches Oxid C 6 O 6bildet auch die stabilen Anionen von Tetrahydroxybenzochinon (C 6 O 64– ) und Hexahydroxybenzol (C 6 O 66– ). Die Aromatizität dieser Anionen wurde mit theoretischen Methoden untersucht.

Neue Kohlenoxide

Seit den 1960er Jahren wurden viele neue stabile oder metastabile Kohlenoxide synthetisiert, wie z. B. (in chronologischer Reihenfolge):

Formel IUPAC-Nomenklatur Kommentar Entdeckung Strukturformel
(Bild)
Chemiker Jahr
C 10 O 8 1,4-Benzochinontetracarbonsäuredianhydrid Hammond 1963 Chemfm benzochinonetetracarbonsäureanhydrid.svg
C 6 O 6 Ethylentetracarbonsäuredianhydrid stabiles Isomer von Cyclohexanehexon . Sauer & al. 1967 Chemfm Ethylentetracarbonsäuredianhydrid.svg
C 12 O 12
oder
C 6(C 2 O 4) 3		 Hexahydroxybenzoltrisoxalat permanente Form des Solvats von Tetrahydrofuran . Verter & Dominic 1967 Chemfm hexaphenol trisoxalate.svg
C 10 O 10
oder
C 6 O 2(C 2 O 4) 2		 1,4-Tetrahydroxybenzochinonbisoxalat stabil wie Tetrahydrofuransolvat. Verter & al. 1968 Chemfm Tetrahydroxy 1 4 benzochinonbisoxalat.svg
C 8 O 8
oder
C 6 O 2(CO 3) 2		 1,4-Tetrahydroxybenzochinonbiscarbonat zersetzt , um 45- 53  ° C . Nallaiah 1984 Chemfm Tetrahydroxy 1 4 benzochinonbiscarbonat.svg
C 9 O 9
oder
C 6(CO 3) 3		 Hexahydroxybenzoltriscarbonat zersetzt , um 45- 53  ° C . Nallaiah 1984 Chemfm Hexaphenol Triscarbonate.svg
C 24 O 6 Tris (3,4-Diethynyl-3-cyclobuten-1,2-dion) ein cyclisches Trimer der Diradikal 3,4-Diethinyl-3-cyclobuten-1,2-dion ▪ C≡C- (C 4 O 2) -C≡C ▪ Rubin & al. 1990 Chemfm tris 3 4 dialkinyl 3 cyclobuten 1 2 dione.svg
C 32 O 8 Tetrakis (3,4-Diethynyl-3-cyclobuten-1,2-dion) ein Tetramer des 3,4-Diethynyl-3-cyclobuten-1,2-dion-Radikals Rubin & al. 1990 Chemfm tetrakis 3 4 dialkynyl 3 cyclobuten 1 2 dione.svg
C 4 O 6 Dioxantetraketon oder Dimer von Oxalsäureanhydrid stabil in Et 2 O.bis -30  ° C , aber zersetzt sich bei 0  ° C . Strazzolini & al. 1998 Chemfm Dioxantetraketon.svg
C 12 O 6 Hexaoxotricyclobutabenzol Hamura & al. 2006 Chemfm hexaoxotricyclobutabenzene.svg

Viele Verbindungen der Nähe dieser Oxide wurden theoretisch untersucht und einige sollen stabil, wie die sein , Carbonat- und Oxalat - Ester von tetrahydroxy-1,2-Benzochinon und rhodizonic , Krokon , Squarylsäure und deltic Säuren .

Polymere Kohlenoxide

Kohlenstoffsuboxid polymerisiert spontan bei Raumtemperatur zu einem Kohlenstoff-Sauerstoff- Polymer mit einem Atomverhältnis von 3: 2. Es wird angenommen, dass das Polymer eine lineare Kette von Lactonen mit 6 Atomen ist, die mit einem kontinuierlichen Kohlenstoffgerüst verschmolzen sind, das aus alternierenden Einfach- und Doppelbindungen besteht. Physikalische Messungen zeigen, dass die durchschnittliche Anzahl von Einheiten pro Molekül in Abhängigkeit von der Bildungstemperatur etwa 5 bis 6 beträgt.

Chemfm Poly Carbon Suboxid Ls.svg
1 		Chemfm Poly Carbon Suboxid 1sHs.svg
2 		Chemfm Polykohlenstoffsuboxid i 1sHs.svg
3 		Chemfm Poly Carbon Suboxid sR.svg
4
C 3 O 2 -Anschluss- und Gebäudeeinheitenpolymer. Es ist zu beachten, dass die Einheiten 1 und 4 und identisch 2 und 3 identisch sind (aus verschiedenen Winkeln in der Figur) und daher zwei chemische Einheiten ausreichen, um die Oligomere und Polymere von C 3 O 2 zu beschreiben.
Chemfm Polykohlenstoffsuboxid Lb 1bHb bR.svg Chemfm Polykohlenstoffsuboxid Lb 2bHb bR.svg Chemfm Polykohlenstoffsuboxid Lb 3bHb bR.svg Chemfm Polykohlenstoffsuboxid Lb 4bHb bR.svg
Oligomere von C 3 O 2 von 3 bis 6 Einheiten.

Durch Komprimieren von Kohlenmonoxid auf 5 GPa in einer Diamantambosszelle wird ein ziemlich ähnliches rötliches Polymer mit einem etwas höheren Sauerstoffgehalt erhalten. Es ist bei Umgebungstemperatur und -druck metastabil. Das CO würde in der Zelle überproportional sein und eine Mischung aus CO 2 erzeugenund C 3 O 2wobei letztere ein Polymer bilden, das dem durch spontane Polymerisation von C 3 O 2 erhaltenen ähnlich ist, oben beschrieben, jedoch mit einer unregelmäßigeren Struktur, die einen Teil des darin enthaltenen CO 2 einfängt.

Ein weiteres Kohlenstoff-Sauerstoff-Polymer mit einem C: O-Verhältnis von 2: 1 oder mehr ist das klassische Graphitoxid und seine einschichtige Version, Graphenoxid .

Anmerkungen und Referenzen

Anmerkungen

  1. Früher (und noch heute im medizinischen Bereich und in der journalistischen Sprache) bezog sich der Ausdruck "Kohlenmonoxid" speziell auf CO- Monoxid , CO 2 -Dioxid dann als "Kohlendioxid" qualifiziert.
  2. vgl. die Artikel der verschiedenen Verbindungen dieser Familie.

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