Ponad pół wieku temu, Wanzlick poinformował o prawdopodobnie pierwszych próbach syntezy N-heterocyklicznych karbenów1,2,3. Jednak zamiast wyizolować wolne karbeny, udało mu się jedynie scharakteryzować ich dimery. Ta obserwacja skłoniła go do zasugerowania równowagi między dimerem olefin a odpowiednimi wolnymi karbenami, która jest obecnie powszechnie określana jako "równowaga Wanzlicka" (Rysunek 1, I.)4,5,6. Później argumentowano, że dimeryzacja wolnych karbenów i oczywiście w równym stopniu reakcja odwrotna (tj. dysocjacja powiązanych dimerów olefin), jest katalizowana przez protony7,8,9,10,11,12. Minęło kolejne 30 lat, zanim pierwszy "butelkowany" karben, który nie dimeryzował w temperaturze pokojowej, został zgłoszony przez Bertrand13,14. Zwłaszcza N-heterocykliczne karbeny (NHC; imidazolin-2-ylideny) stały się przedmiotem intensywnych badań po tym, jak Arduengo poinformowało o stabilnym krystalicznym NHC, 1,3-diadamantylo-imidazolin-2-ylidene15. Zaskakująca stabilność tego karbenu została po raz pierwszy zracjonalizowana przez połączenie efektów sterycznych spowodowanych masywnymi podstawnikami z adamantylu, a także efektów elektronicznych związanych z aromatycznym N-heterocyklem. Jednak później wykazano w eleganckim badaniu Murphy'ego, że nawet "monomeryczny" 1,3-dimetylo-imidazolin-2-yliden16 (tj. wolny karben pochodzący z soli N,N-dimetyloimidazoliowych) z bardzo małymi podstawnikami metylowymi jest bardziej stabilny niż jego dimer17. Lavallo i Bertrand wykazali wręcz przeciwnie, że również usunięcie jednego stabilizującego atomu azotu, o czym informuje izolacja cyklicznego (alkilo)(amino)karbenu (CAAC), może być zrównoważone przez wprowadzenie masywnego podstawnika 2,6-diizopropylofenylowego (Dipp)18.
NHC i CAAC okazały się niezwykle owocne dla chemii koordynacyjnej elementów bloku d i p, katalizy metali przejściowych lub organokatalizy (Aby zapoznać się z tematami i książkami na temat NHC, zobacz19,20,21,22,23, aby zapoznać się z opiniami na temat CAAC, zobacz24,25,26,27,28, aby zapoznać się z syntezą CAACs, zobacz18,29,30,31). Imponująca historia sukcesu cyklicznych ligandów karbenowych wynika głównie z dwóch powodów32. Po pierwsze, zarówno właściwości elektroniczne, jak i steryczne można łatwo dostroić, aby dopasować je do wymagań konkretnego zastosowania. Po drugie, izolacja stabilnych wolnych karbenów stanowi wygodną metodę syntezy kompleksów metali poprzez proste połączenie z prekursorem metalu. W związku z tym ważne jest, aby zrozumieć czynniki, które kontrolują, czy wolny karben jest stabilny w temperaturze pokojowej lub niższej, czy też dimeryzuje się, tworząc olefinę. Należy zauważyć, że pochodne olefiny bogate w elektrony zwykle33 nie tworzą kompleksów po potraktowaniu prekursorem metalu, co przynajmniej częściowo wynika z ich wysoce redukującego charakteru.
Nie tylko darmowe karbeny są obecnie kluczowymi graczami w chemii syntetycznej. W rzeczywistości ich bogate w elektrony dimery olefin34,35,36 (np. tetraazafulwaleny w przypadku NHCs37 lub tetrathiafulwalenes TTF38,39,40 w przypadku 1,3-ditiol-2-ylidenów; Rysunek 1, II.), znalazły szerokie zastosowanie nie tylko jako reduktory41,42,43, ale jeszcze bardziej w elektronice organicznej.
TTF jest w rzeczywistości nazywany "cegłą i zaprawą" elektroniki organicznej44. Wynika to w dużej mierze ze szczególnych właściwości elektronicznych olefin bogatych w elektrony – w szczególności wiele z nich wykazuje trzy stabilne stany redoks po utlenieniu, w tym rodnik organiczny o otwartej powłoce (Aby zapoznać się z opiniami na temat rodników organicznych pochodzących z karbenu, zobacz:45,46,47, aby zapoznać się z najnowszymi wkładami w dziedzinie rodników organicznych stabilizowanych karbenem, zobacz:48,49,50,51,52,53,54). W związku z tym TTF pozwala na wytwarzanie materiałów przewodzących/półprzewodnikowych zgodnie z wymaganiami dla materiałów magnetycznych, organicznych tranzystorów polowych (OFET), organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED) oraz przełączników lub czujników molekularnych55,56,57,58,59.
Tutaj prezentujemy wygodne protokoły izolacji dwóch stabilnych karbenów o ogromnym wpływie na chemię koordynacyjną i katalizę jednorodną (Rysunek 2), a mianowicie cykliczny (alkilo)(amino) karben 1 18, oraz dimetyloimidazolin-2-ylidene NHC 2 15. Omówimy, dlaczego oba karbeny są stabilne w temperaturze pokojowej i nie ulegają dimeryzacji. Następnie omówimy katalizę protonową związaną z równowagą Wanzlicka i powstawaniem mieszanego heterodimeru CAAC-NHC 360,61,62. Ekscytujące właściwości elektroniczne takich triaza-alkenów są związane z imponującą stabilnością pokrewnego rodnika organicznego 4 63.
Metodologiczny nacisk kładziony jest na technikę Schlenka wykorzystującą kaniule filtrujące wyposażone w filtr z mikrowłókna szklanego do oddzielania supernatantu od osadu w warunkach obojętnych. Komora rękawicowa wypełniona diazotem służy do ważenia materiału wyjściowego i przechowywania związków wrażliwych na powietrze.