Principales reacciones

Con aire	No reacciona
Con H2O	No reacciona
Con HCl 6M	No reacciona
Con HNO3 15M	No reacciona
Con NaOH 6M	No reacciona

Por ser el elemento que tiene el más alto potencial de ionización y la menor polarizabilidad, el helio dificilmente podría formar un enlace químico. Analizando la interacción del helio con especies aniónicas se ha descubierto que éstas sufrirían una interacción atractiva ion-dipolo inducido y el efecto repulsivo se generaría por el solapamiento electrónico entre ambas especies. Esta es la razón por la cual esta clase de compuestos de helio tienen una unión más débil que las correspondientes a la interacción con especies neutras. Por el contrario, la capacidad de formar enlaces se incrementa sustancialmente en el caso del helio frente a especies catiónicas. Esto es corroborado experimentalmente ya que se han observado numerosas especies catiónicas de helio 12.

En un espectrómetro de masas, equipo que funciona a alto vacío, es posible obtener el ion He⁺ cuya reactividad es tan alta que a una presión de 10^-5 mmHg reacciona con He neutro para formar el catión He +, que es estable en esas 2 condiciones. Esta especie fue observada en 1936 por Tüxen. 13 El choque de estas especies con las paredes del equipo da lugar a su descomposición inmediata y formación de los átomos neutros de helio. La especie He₂⁺, que es isoelectrónica a H₂^- , tiene orden de enlace de 0,5, longitud de enlace 1,08 Å y una energía de 57 kcal mol^-1, que es sorprendentemente alta. Recién en el año 1985 fue posible observar el dicatión; He ₂⁺, que tiene el orden de enlace de 1, una longitud de enlace de 0,70 Å y la energía de disociación es exotérmica con un valor aproximado de 200 kcal mol^-1. Esta última es una especie metaestable con una vida media de 10^-6 segundos. También se han observado y estudiado teóricamente las especies He_n ⁺(n = 2-7) que n son clústeres de helio. 12, 14

El helio también puede formar enlaces con otros elementos químicos. El catión hidrohelio, HeH⁺, fue observado en 1925, en un espectrómetro de masas que contenía helio ionizado e dihidrógeno.15 En el estado basal esta especie tiene una longitud de enlace 0,77 Å y una energía de disociación aproximada de 45 kcal mol^-1. Debido a que el hidrógeno y el helio son las dos especies más abundantes en el universo, ésta especie tiene una gran importancia en la astronomía química y, por ello, se ha estudiado su reactividad frente a moléculas inorgánicas como: NO, O₂ ,NO₂, NH₃, H₂S, SO₂, N₂O, CO₂ y OCS; así como con moléculas orgánicas; por ejemplo: CH₄, C₂H₂ , C₂H₄ , C₂H₆ , CH₃OH, CH₃CN, etc.16 Asimismo, se han realizado estudios de los clústeres del tipo He_nH⁺`(donde n≥2). Los cálculos teóricos de He₂ H⁺ predicen que debe tener una estructura lineal [He-H-He]⁺con una distancia de enlace de 0,95 Å y una energía de disociación a HeH+ y He de 13 kcal mol^-1. En la actualidad se está estudiando extensamente los clústeres de helio; He_nH+ y He₂H^- (n≥2). 17,18

También se conocen numerosos aductos de helio con iones monoatómicos del tipo: He_nE⁺ y He_nE^- (n≥1), los cuales han sido investigados experimentalmente y n n teóricamente ya que existe un interés muy grande por comprender la química de las atmósferas planetarias, la difracción y la movilidad iónica. Se conocen los aductos del tipo HeE⁺ con E = Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, Be⁺, Mg⁺, Ca⁺, B⁺, Al⁺, C⁺, Si⁺, N⁺, P⁺, O⁺, S⁺, F⁺, Cl⁺, Ne⁺, Ar⁺, Kr⁺, Sc⁺, Ti⁺, V⁺, Cr⁺, Mn⁺, Fe⁺, Co⁺, Ni⁺, Cu⁺ y Au⁺. Frenking19 usó el modelo donador-aceptor para explicar el enlace en los aductos HeE⁺. De acuerdo a este modelo, la habilidad aceptora del fragmento E+ está más condicionada por su estructura electrónica que por su carga electrónica o electronegatividad. Es de suma importancia, en este modelo, la energía y la naturaleza sigma o pi del LUMO del aceptor (especie E), cuya capacidad enlazante aumenta significativamente si los llamados huecos sigma están presentes en su configuración electrónica. Estos huecos sigma se crean a partir de una excitación electrónica, por ejemplo, para el Be⁺, la excitación del estado basal 2S al excitado 2P, crea el hueco sigma y hace más favorable la interacción HOMO (del helio) con el LUMO (del Be⁺). 12

Se han observado aductos gaseosos del tipo HeE²⁺ donde E = V,Ta, Mo. W, Re. Rh, Ir, Pt, así como He₂Pt²⁺, He₂W³⁺, He₂W³⁺ y He₄W³⁺. 20-22

Se han investigado teórica y experimentalmente aductos de helio con moléculas del tipo He_n(N₂)⁺, He_n(CO)⁺, He_n(O )⁺ y otros parecidos donde n≤13. Estos compuestos pueden ser observados por espectrometría de masas de alta presión, espectroscopía de alta resolución y estudiados mediante cálculos teóricos ab initio.

A raíz de la obtención de HArF, que se discutirá más adelante, el estudio del análogo con helio recobró importancia. Los estudios teóricos del HHeF, indican que es una especie metaestable que se desintegraría en: He + HF y H + He + F. Una aproximación del tiempo de vida es de 120 ps y para el análogo deuterio DHeF es de 14 ns.23 Los estudios sobre la estabilidad del HHeF en cristales de helio a altas temperaturas encontraron que a presiones por encima de 500 Mpa, se podría suprimir completamente la descomposición en H +He + F. El estudio a presiones mucho más altas, señala que la escala de tiempo para la descomposición: HHeF He + HF, es en el rango de milisegundos. A presiones muy por encima a 23 Gpa, se espera la estabilidad indefinidamente de este compuesto. En el estado de transición su energía es de 7,8 Kcal mol^-1. La figura 2 muestra la estructura predicha para HHeF basada en cálculos teóricos. 24

Como se observa, en la figura 2, se trata de una estructura lineal. Dicha estructura también puede ser predicha aplicando la teoría de repulsión de los electrones de la capa de valencia. En efecto, el átomo central helio tiene dos electrones en su capa de valencia, que sumados a los dos enlaces dan un total de 4, que divido entre dos da 2. Para este número de pares de electrones la teoría, antes citada, nos predice una estructura lineal.

En la figura 3 se muestra la geometría de la formación del estado de transición de los productos He +HF; la carga efectiva sobre el átomo de helio cae rápidamente a cero; el átomo de helio asume una estructura electrónica cerrada y posteriormente se forma enlace H-F.

Se han llevado a cabo estudios computacionales para calcular la energía de estabilización de HHeF por la formación de aductos con átomos de Xe. Para el estudio del sistema HHeF-Xe_n...(n=1-4,6), se encontró una gran disminución de la energía n HHeF con respecto a la disociación en átomos. Como una hipótesis de estos estudios, se da como supuesto que este efecto de estabilización continúa para los sistemas mayores (n > 6). Esto sugiere que la disociación de HHeF vía estiramiento H-He podría ser suprimida y su tiempo de vida podría ser incrementada por inserción de grandes clusters de Xe o por matrices. Este interesante estudio del complejo HHeF con diferentes acompañantes, puede dar mayores luces sobre mejores efectos estabilizantes para esta molécula. En el esquema 1 se observa la optimización de algunas estructuras. 25

Se han realizado muchos estudios teóricos calculados por ab-initio para las especies: HeBeO, NeBeO, ArBeO, HeLiF, ArLiF, HeBN, ArBN, y HeLiH. Los resultados teóricos predichos para HeBeO, NeBeO, y ArBeO, señalan que éstos son estables hacia la disociación de los átomos de GN. Además, se ha encontrado que las longitudes de enlace GN-Be son cortas. Los cálculos de energía de disociación son 3,1 kcal/mol; 2,2 kcal/mol, y 7,0 kcal/mol, respectivamente. Estos valores de enlace son muy bajos debido probablemente a una sobreestimación del método usado. En contraste a estas estructuras, para el caso de los compuestos: HeLiF, ArLiF, HeBN, ArBN, y HeLiH, se obtuvieron energías de disociación menores a lo predicho; D₀≤0,1, kcal/mol. Las interacciones débiles del sistema GN-AB*, HeLiF, ArLiF, 0 HeBN, ArBN, y HeLiH, debería considerarse mejor como complejos de van der Waals, los cuales tienen fuerzas de enlace dipolo-dipolo inducido. El análisis de la densidad electrónica de las estructuras GNBeO, HeBeO, NeBeO y ArBeO revela esencialmente interacciones dipolo inducción-carga entre los átomos de GN y BeO sin ninguna indicación de interacción covalente. Sin embargo, todas las evidencias apuntan hacia una clasificación inusual de HeBeO, NeBeO, y ArBeO como complejos estables van der Waals. 9

Pero no sólo es posible obtener y observar compuestos de He con moléculas típicamente inorgánicas, sino también con compuestos orgánicos. El complejo CH₃⁺---He tiene un interés muy grande para la química orgánica, la bioquímica y la astrofísica. Los datos experimentales sustentados con estudios teóricos dan pie a señalar un enlace ∏ con una simetría estructural tipo C_3v con una unión débil entre el helio y el carbono. Asimismo se han postulado a la especie HeCH₄⁺ como un producto en la activación por colisión de CH₄⁺ con el helio gaseoso y a la especie CH₄He²⁺ por reacción en fase gas de CH₄²⁺ con helio. CH₄He²⁺ es isoelectrónico a CH₅⁺ con simetría C_s y tiene un enlace de tres centros con dos electrones entre el 5 s carbón y dos átomos de hidrógeno. Se han detectado cationes muy grandes y estables que contiene átomos de helio, por ejemplo, H₃CBeHe⁺, F₃CBeHe⁺, HC₂BeHe⁺, H₃C₂BeHe⁺ y H₆C₅BeHe⁺.

Desde que los fullerenos fueron preparados en 1985, diversos métodos han sido ideados para introducir átomos y moléculas pequeñas dentro de estas jaulas vacías. Usando temperaturas y presiones altas el grupo de Saunders 26-29 introdujo gases nobles dentro del fullereno.

Los complejos endohendrales de fullerenos y átomos de GN fueron originalmente preparados por el método de espectroscopía de masas involucrando colisiones de altas energías de los iones de fullereno y los blancos de GNs a temperaturas y presiones altas. 30

Los complejos de ³He insertados dentro de la cavidad de jaula abierta del fullereno, se designan por: He@C₆₀. Un típico porcentaje de He en el complejo He@C₆₀ es de aproximadamente 0,1% después de 5 h a 600 ºC y 2500 atm. La inserción del Ne, Ar, Kr, y trazas de xenón también se han observado en experimentos a presiones altas.

Usando el método de espectroscopía de masas se han reportado complejos endohendrales que contienen dos átomos de GN: He₂@C₆₀⁺ , He₂@C₅₀⁺, Ne³He@C₆₀⁺ ,Ne³He@C₅₂⁺, ArHe@C₆₀⁺, ArHe@C₇₀⁺, KrHe@C₆₀⁺ y KrHe@C₅₈⁺. 30 Donde ³He es el isótopo del ²He.

Los mecanismos de inserción de los GN a fullerenos no son del todo conocidos. Los cálculos muestran que se necesitan 220 kcal/mol para hacer que un átomo de helio ingrese por un anillo de seis miembros. 31,32 Con el paso de los años y las múltiples investigaciones realizadas, se han postulado tres posibilidades. En la primera, la penetración en el anillo o la directa inserción de helio a través de un anillo pentagonal o hexagonal. La segunda, es la formación de una especie de ventana, por rompimiento de uno o más enlaces carbono-carbono, de tal modo que se crea una abertura en el fullereno con el consecuente cierre después de la inserción (el enlace carbono-carbono se vuelve a formar). El tercero, es el mecanismo del agujero, una especie de ventana como el anterior caso, pero no se cierra por el restablecimiento del enlace carbono-carbono ya que éste no se vuelve a regenerar.

También se han mostrado que dos átomos de helio ingresan a C₇₀. El compuesto de di-helio He₂@C₇₀, fue producido a temperaturas y presiones altas, y fue detectado por ³He NMR y MS. La proporción entre el compuesto mono-helio, He@C₇₀ y la de di-helio He₂@C₇₀ fueron encontradas como 20:1. Todavía no se ha observado el compuesto He₂@C₆₀ por ³He-RMN o MS. 33

Otra alternativa reciente, para introducir gases nobles u otras especies dentro de los fullerenos, es el de abrir un agujero en el fullereno por medio de una modificación química. El primer intento, por este último método, fue realizado por el grupo de Wudl, pero debido a que la abertura era demasiado pequeña para introducir al helio falló en el intento. El grupo de Rubin produjo un fullereno con una abertura mayor y fue capaz de introducir ³He y H , así como medir la velocidad de escape del ³He. Años después el grupo de Komatsu 34 produjo un fullereno con una abertura aun más grande, conocido como KOFC, el cual se representa en el figura 4.

Saunders midió la velocidad de reacción:

mediante ³He NMR y obtuvo la energía de activación y la constante de equilibrio de la incorporación del helio dentro del fullereno.

De manera análoga, se ha observado que el helio puede penetrar el anillo de cinco miembros del dodecaedrano, y el resultado es: He@C₂₀H₂₀. Dicho proceso es mostrado en el esquema 2. Este compuesto es estable durante semanas. 35

Se ha observado que la incorporación del cianuro de potasio en la mezcla de reacción aumenta la incorporación de GN en el fullereno. Todavía no se sabe cómo el KCN actúa en esta reacción. En cierta forma, la adición de uno o más grupos CN debe debilitar los enlaces C-C a fin de que la molécula se abra lo suficiente para introducir un átomo del GN. El proceso debe ser reversible, al menos parte del tiempo, para producir GN@C₆₀.32

Análogo al helio, el Xe fue insertado dentro del C₆₀ bajo condiciones de 3000 atm y 650 ºC. El compuesto Xe@C₆₀ fue separado del C usando HPLC. El espectro de ¹³C-RMN para Xe@C₆₀ mostró un desplazamiento hacia campos bajos de 0,95 ppm. Asimismo, el espectro ¹²⁹Xe-RMN mostró una línea a campo bajo de 179,2 ppm para el gas xenón; esta inserción es mucho más dificultosa que la de helio. El helio es mucho más pequeño que la cavidad del C₆₀, los electrones del helio están muy concentrados en el núcleo, por lo que hay muy poca interacción entre estos electrones y los electrones ∏-del fullereno. El helio muestra un efectivo campo magnético dentro de la cavidad del fullereno. En caso del xenón, los electrones 5p del xenón están mucho más cerca e interactúan fuertemente con lo electrones ∏- fullereno. Además, es mucho más difícil hacer un cálculo en un sistema con tantos electrones. 36

Se ha reportado el enlace relativamente fuertes entre el complejo carbonil níquel (NiCO) con los gases nobles (GN = He, Ne, Ar). Se determinó que la energía de enlace GN-NiCO tiene los siguientes valores: 9,55; 3,71 y 5,97 kcal/mol, para Ar-NiCo, Ne-NiCo y He-NiCo, respectivamente.37