Carbene, ungeladene Spezies, in denen ein C-Atom zwei kovalent gebundene Substituenten trägt und über zwei nichtbindende Orbitale verfügt, die mit insgesamt 2 Elektronen besetzt sind. C. sind reaktive Zwischenstufen bei organisch-chemischen Reaktionen, die spektroskopisch nachweisbar sind. Man unterscheidet Singulett-C. und Triplett-C. In Singulett-C. haben beide Elektronen antiparalle Spinmomente; sie haben einerseits wie Carbenium-Ionen eine Elektronenlücke, andererseits verhalten sie sich wie Carbanionen mit einem nichtbindenden Elektronenpaar. Singulett-C. verhalten sich in der Regel elektrophil und addieren stereospezifisch an Alkene unter Bildung von Cyclopropanderivaten:

Triplett-C. verhalten sich formal wie Diradikale und addieren stereounspezifisch an Alkene:

Ein Carbenmolekül kann eine lineare oder eine gewinkelte Struktur besitzen. Das einfachste Carben ist Methylen H₂C:, das aus Diazomethan zugänglich ist:

Der Grundzustand von Methylen ist ein gewinkelter Triplettzustand. Die Singulettzustände sind um 38 kJ mol^-1 energiereicher. Präparativ besonders leicht lassen sich Dichlorcarbene (Singulettcarbene mit gewinkelter Struktur), z. B. aus Chloroform und starken Basen, erhalten, wobei sich die Methode der Phasentransferkatalyse bewährt hat:

CHCl₃ + OH^- → CCl₃^- + H₂O

CCl₃^- → Cl₂C: + Cl^-

So wird z. B. Cyclohexen mit Chloroform und wäßriger Natronlauge in Gegenwart eines quartären Ammoniumsalzes in guten Ausbeuten zu 7,7-Dichlorbicyclo[4.1.0]heptan umgesetzt:

Eine wichtige Rolle spielen C. bei der Wolff-Umlagerung, der Arndt-Eistert-Synthese oder der Simmons-Smith-Reaktion.