Karbokationas — apibrėžimas, struktūra, hibridizacija ir reaktyvumas

Anksčiau karbokatas dažnai buvo vadinamas karbonio jonu, tačiau chemikai abejoja dėl tikslios jo reikšmės. Dabartinėje chemijoje karbokatas yra bet koks teigiamai įkrautas anglies atomas. Siūlomi du specialūs tipai: karbenio jonai yra trivalentiai, o karbonio jonai - penkiavalentiai arba šešiavalentiai. Universitetinio lygio vadovėliuose apie karbokationus kalbama tik taip, tarsi jie būtų karbenijaus jonai, arba apie karbokationus kalbama su trumpalaike nuoroda į senesnį žodžių junginį karbonio jonas arba karbenijaus ir karbonio jonai. Viename vadovėlyje iki šiol karbenio jonas vadinamas senesniu karbenio jono pavadinimu, o frazė hipervalentinis karbenio jonas paliekama CH₅⁺.

1891 m. G. Merlingas pranešė, kad į tropilideną (cikloheptatrieną) pridėjęs bromo ir kaitindamas produktą gavo kristalinę, vandenyje tirpią medžiagą C
₇H
₇Br. Jis nenurodė jos struktūros, tačiau Doeringas ir Knoxas įtikinamai įrodė, kad tai yra tropileno (cikloheptatrienilo) bromidas. Pagal Hückelio taisyklę prognozuojama, kad šis jonas yra aromatinis.

1902 m. Norrisas ir Kehrmanas nepriklausomai vienas nuo kito nustatė, kad bespalvis trifenilmetanolis koncentruotoje sieros rūgštyje duoda tamsiai geltonus tirpalus. Trifenilmetilchloridas panašiai sudarė oranžinius kompleksus su aliuminio ir alavo chloridais. 1902 m. Adolfas von Baeyeris pastebėjo, kad susidarę junginiai yra panašūs į druskas.

Spalvos ir druskų susidarymo ryšį jis pavadino halochromija, kurios geriausias pavyzdys yra žalias malachitas.

Karbokacijos yra reaktyvūs tarpiniai produktai daugelyje organinių reakcijų. Šią idėją, kurią 1899 m. pirmasis pasiūlė Julius Stieglitzas, toliau plėtojo Hansas Meerweinas, 1922 m. atlikęs Wagnerio-Meerweino pertvarkymo tyrimą. Taip pat nustatyta, kad karbokationai dalyvauja _NS1 reakcijoje, E1 reakcijoje ir persitvarkymo reakcijose, pavyzdžiui, Whitmore'o 1,2 poslinkyje. Cheminės pramonės atstovai nenoriai pripažino karbokationo sąvoką ir ilgą laiką Amerikos chemikų draugijos žurnalas atsisakydavo skelbti straipsnius, kuriuose jie buvo minimi.

Pirmąjį NMR spektrą, kuriame matomas stabilus karbokatas tirpale, 1958 m. paskelbė Doeringas ir kt. Tai buvo heptametilbenzenio jonas, gautas apdorojant heksametilbenzeną metilo chloridu ir aliuminio chloridu. Stabilų 7-norbornadienilo katijoną 1960 m. paruošė Story ir kt. reaguodami norbornadienilo chloridą su sidabro tetrafluoroboratu sieros diokside -80 °C temperatūroje. Pagal NMR spektrą nustatyta, kad jis yra neklasikinis tiltelis (pirmasis stabilus neklasikinis jonas).

1962 m. Olahas branduolinio magnetinio rezonanso metodu tiesiogiai pastebėjo terc-butilo karbokationą kaip stabilią rūšį, ištirpinus terc-butilfluoridą maginėje rūgštyje. Apie norbornylo katijono NMR pirmą kartą pranešė Schleyer ir kt., o Saunders ir kt. parodė, kad jis patiria protonų skilimą per barjerą.

Organinėje chemijoje karbokatorius dažnai yra nukleofilų, pavyzdžiui, hidroksilo (OH⁻) jonų arba halogeno jonų, nukleofilinės atakos taikinys.

Karbokacijos skirstomos į pirmines, antrines arba tretines, priklausomai nuo anglies atomų, prisijungusių prie jonizuotos anglies, skaičiaus. Pirminiai karbocationai turi vieną arba nulį anglies atomų, prijungtų prie jonizuotos anglies, antriniai karbocationai turi du anglies atomus, prijungtus prie jonizuotos anglies, o tretiniai karbocationai turi tris anglies atomus, prijungtus prie jonizuotos anglies.

Karbokatono stabilumas didėja, kai prie krūvį turinčios anglies prisijungia daugiau alkilo grupių. Tretiniai karbokationai yra stabilesni (ir lengviau susidaro) nei antriniai karbokationai; pirminiai karbokationai yra labai nestabilūs, nes jonizuoti aukštesnės eilės angliavandeniai stabilizuojami hiperkonjugacijos būdu, o nepakeisti (pirminiai) angliavandeniai - ne. Todėl tokios reakcijos kaip _NS1 reakcija ir E1 eliminacijos reakcija paprastai nevyksta, jei susidaro pirminis karbokationas. Išimtis yra tada, kai šalia jonizuotos anglies yra dviguba anglies jungtis. Tokie katijonai kaip alilo katijonas CH=CH-CH₂₂⁺ ir benzilo katijonas₆ CH-CH₅₂⁺ yra stabilesni už daugumą kitų karbokationų. Molekulės, galinčios sudaryti alilo arba benzilo karbokationus, yra ypač reaktyvios.

Karbokatijonai persitvarko iš mažiau stabilių struktūrų į tokias pat stabilias arba stabilesnes, o greičio konstantos viršija 10 sek⁹. Šis faktas apsunkina daugelio junginių sintezės kelius. Pavyzdžiui, kaitinant 3-pentanolį su vandeniniu HCl, iš pradžių susidaręs 3-pentilo karbokatas persitvarko į statistinį 3-pentilo ir 2-pentilo mišinį. Šie katijonai reaguoja su chlorido jonu ir susidaro maždaug 1/3 3-chlorpentano ir 2/3 2-chlorpentano.

Kai kurie karbokatijonai, pavyzdžiui, norbornilo katijonas, pasižymi daugiau ar mažiau simetrišku trijų centrų ryšiu. Tokie katijonai vadinami neklasikiniais jonais. Energijos skirtumas tarp "klasikinių" ir "neklasikinių" karbokationų ir izomerų dažnai yra labai mažas, o perėjimo tarp "klasikinių" ir "neklasikinių" struktūrų aktyvacijos energija paprastai būna nedidelė, jei iš viso būna. "Neklasikinė" 2butilo karbokationo forma iš esmės yra 2-butenas, kurio protonas yra tiesiai virš dvigubos anglies ir anglies jungties centro. Kadaise dėl "neklasikinių" karbokacijų kilo daug ginčų. Vienas didžiausių Džordžo Olos indėlių į chemiją buvo šio ginčo sprendimas.

Ciklopropilkarbinilo katijonus galima tirti NMR metodu:

Dimetilo darinio NMR spektre du neekvivalentiški signalai dviem metilo grupėms rodo, kad šio katijono molekulinė konformacija yra ne statmena (kaip A), o dvilypė (kaip B), kai tuščia p-orbitalė ir ciklopropilo žiedo sistema yra toje pačioje plokštumoje:

Remiantis lenktųjų ryšių teorija, ši pirmenybė paaiškinama darant prielaidą, kad užpildytų ciklopropano lenktųjų ryšių ir tuščios p-orbitalės orbitalės sutampa.