В химии оксоуглеродный анион — это отрицательный ион, состоящий исключительно из атомов углерода и кислорода , и, следовательно, имеющий общую формулу C
хОн −
удля некоторых целых чисел x , y и n .
Наиболее распространенными оксоуглеродными анионами являются карбонат , CO2−3, и оксалат , C 2 O2−4. Однако в этом классе имеется большое количество стабильных анионов, включая несколько, которые используются в научных исследованиях или промышленности. Также имеется много нестабильных анионов, таких как CO−2и CO 4− , которые существуют кратковременно во время некоторых химических реакций; и многие гипотетические виды, такие как CO4−4, которые были предметом теоретических исследований, но до сих пор не наблюдались.
Стабильные анионы оксоуглерода образуют соли с большим разнообразием катионов . Нестабильные анионы могут сохраняться в очень разреженном газообразном состоянии, например, в межзвездных облаках . Большинство анионов оксоуглерода имеют соответствующие фрагменты в органической химии , соединения которых обычно являются сложными эфирами . Так, например, фрагмент оксалата [−O−(C=O) 2 −O−] встречается в диметилоксалате эфира H 3 C−O−(C=O) 2 −O−CH 3 .
Карбонатный ион имеет тригональную плоскую структуру, точечную группу D 3h . Три связи CO имеют одинаковую длину 136 пм, а 3 угла OCO составляют 120°. Атом углерода имеет 4 пары валентных электронов, что показывает, что молекула подчиняется правилу октета . Это один из факторов, который способствует высокой стабильности иона, что встречается в таких породах, как известняк . Электронная структура описывается двумя основными теориями, которые используются для того, чтобы показать, как 4 электронные пары распределены в молекуле, которая имеет только 3 связи CO.
Согласно теории валентных связей электронная структура карбонат-иона представляет собой резонансный гибрид трех канонических форм.
В каждой канонической форме есть две одинарные связи одна двойная связь. Три канонические формы вносят одинаковый вклад в резонансный гибрид, поэтому три связи CO имеют одинаковую длину.
В теории молекулярных орбиталей ось 3-го порядка обозначается как ось z молекулы. Три σ-связи образуются путем перекрытия орбиталей s, p x и p y на атоме углерода с орбиталью p каждого атома кислорода. Кроме того, делокализованная π-связь образуется путем перекрытия орбитали p z на атоме углерода с орбиталью p z на каждом атоме кислорода, которая перпендикулярна плоскости молекулы.
Обратите внимание, что те же самые схемы связывания могут быть применены к нитрат-иону , NO 3 − , который изоэлектронен с карбонат-ионом.
Аналогично, двукратная симметричная структура карбоксилатной группы, CO–
2, может быть описан как резонансный гибрид двух канонических форм в теории валентных связей или с двумя σ-связями и делокализованной π-связью в теории молекулярных орбиталей.
Оксоуглеродный анион C
хОн −
уможно рассматривать как результат удаления всех протонов из соответствующей кислоты C x H n O y . Карбонат CO2−
3, например, можно рассматривать как анион угольной кислоты H 2 CO 3 . Иногда «кислота» на самом деле является спиртом или другими видами; это случай, например, ацетилендиолата C
2О2−
2что дало бы ацетилендиол C 2 H 2 O 2 . Однако анион часто более стабилен, чем кислота (как в случае с карбонатом); [1] а иногда кислота неизвестна или ожидается, что она будет крайне нестабильной (как в случае с метантетракарбоксилатом C(COO − ) 4 ).
Каждый оксоуглеродный анион C
хОн −
уможет быть сопоставлен в принципе с электрически нейтральным (или окисленным ) вариантом C x O y , оксоуглеродом ( оксидом углерода) с тем же составом и структурой, за исключением отрицательного заряда. Однако, как правило, эти нейтральные оксоуглероды менее стабильны, чем соответствующие анионы. Так, например, стабильный карбонатный анион соответствует крайне нестабильному нейтральному триоксиду углерода CO 3 ; [2] оксалат C
2О2−
4соответствуют еще менее стабильному 1,2-диоксетандиону C 2 O 4 ; [3] и стабильному кроконат- аниону C
5О2−
5соответствует нейтральному циклопентанпентону C 5 O 5 , который был обнаружен только в следовых количествах. [4]
Наоборот, некоторые анионы оксоуглерода могут быть восстановлены с образованием других анионов с той же структурной формулой, но с большим отрицательным зарядом. Таким образом, родизонат С
6О2−
6может быть восстановлен до аниона тетрагидроксибензохинона (THBQ) C
6О4−
6а затем к бензолгексолату С
6О6−
6. [5]
Оксоуглеродный анион C
хОн −
уможет также быть связан с ангидридом соответствующей кислоты. Последний будет другим оксоуглеродом с формулой C x O y − n ⁄ 2 ; а именно, кислота минус n ⁄ 2 молекул воды H 2 O. Стандартный пример — связь между карбонатом CO2−
3и углекислый газ CO 2 . Соответствие не всегда четко определено, поскольку может быть несколько способов выполнения этой формальной дегидратации, включая соединение двух или более анионов для получения олигомера или полимера . В отличие от нейтрализации, эта формальная дегидратация иногда дает довольно стабильные оксоуглероды, такие как меллитовый ангидрид C 12 O 9 из меллитата C
12О6−
12через меллитовую кислоту C 12 H 6 O 12 [6] [7] [8]
Для каждого оксоуглеродного аниона C
хОн −
ув принципе существует n −1 частично гидрогенизированных анионов с формулами H
кС
хО( н − к )−
у, где k варьируется от 1 до n −1. Эти анионы обычно обозначаются префиксами «водород»-, «дигидроген»-, «тригидроген»- и т. д. Некоторые из них, однако, имеют специальные названия: гидрокарбонат HCO−
3обычно называется бикарбонатом и гидрогеноксалатом HC
2О−
4известен как биноксалат .
Гидрированные анионы могут быть стабильными, даже если полностью протонированная кислота не является таковой (как в случае бикарбоната).
Вот неполный список известных или предполагаемых оксоуглеродных анионов.
Несколько других анионов оксоуглерода были обнаружены в следовых количествах, например, C
6О−
6, однократно ионизированная версия родизоната. [9]