Karbokation
A karbokation egy pozitív töltésű szénatomot tartalmazó ion. A karbokationban a töltött szénatom "szextett" (azaz a külső valenciahéjban nyolc valenciaelektron helyett csak hat elektron található.) A karbokationban a töltött szénatom "szextett". A nyolc valenciaelektronnal rendelkező szénatomok rendelkeznek a legnagyobb stabilitással (oktett-szabály). Ezért a karbokationok gyakran reaktívak, arra törekedve, hogy a valenciaelektronok oktettjét kitöltsék, valamint visszanyerjék semleges töltésüket. A logika azt mondaná, hogy a karbokationok sp3 hibridizációval rendelkeznek, egy üres sp 3orbitál pozitív töltést ad. A karbokationok reaktivitása azonban inkább hasonlít a trigonális sík molekulageometriájú sp 2hibridizációra.
A metán karbéniumionja
tert-butil-kation, amely sík geometriát mutat
A metán karboniumionja
Definíciók
A karbokationt korábban gyakran nevezték karboniumionnak, de a kémikusok megkérdőjelezik a pontos jelentést. A mai kémiában a karbokáció bármely pozitív töltésű szénatom. Két speciális típust javasoltak: a karbéniumionok háromértékűek, a karboniumionok pedig ötértékűek vagy hatértékűek. Az egyetemi szintű tankönyvek csak úgy tárgyalják a karbokationokat, mintha azok karbéniumionok lennének, vagy a karbokationokat a régebbi karboniumion vagy karbénium- és karboniumion kifejezésre való futólagos utalással tárgyalják. Az egyik tankönyv a mai napig megmarad a karbóniumion régebbi elnevezésénél a karbéniumion esetében, és a hipervalens karbéniumion kifejezést a CH5+ számára tartja fenn.
Történelem
1891-ben G. Merling arról számolt be, hogy tropilidénhez (cikloheptatrién) brómot adott, majd a terméket felmelegítve kristályos, vízben oldódó anyagot kapott, C
7H
7Br. Nem javasolt szerkezetet; Doering és Knox azonban meggyőzően kimutatta, hogy ez tropilium (cikloheptatriénium) bromid. Ezt az iont a Hückel-szabály alapján aromássá jósolják.
1902-ben Norris és Kehrman egymástól függetlenül felfedezték, hogy a színtelen trifenil-metanol koncentrált kénsavban mélysárga oldatokat ad. A trifenilmetil-klorid hasonlóan narancssárga komplexeket képzett alumínium- és ónkloridokkal. Adolf von Baeyer 1902-ben felismerte a képződött vegyületek sószerűségét.
A szín és a sóképződés közötti kapcsolatot halokrómának nevezte el, amelynek egyik legjobb példája a malachit zöldje.
A karbokationok számos szerves reakcióban reaktív intermedierek. Ezt az elképzelést, amelyet először Julius Stieglitz vetett fel 1899-ben, Hans Meerwein fejlesztette tovább 1922-ben a Wagner-Meerwein-átrendeződésről írt tanulmányában. A karbokationok az NS1-reakcióban, az E1-reakcióban és az átrendeződési reakciókban, például a Whitmore-féle 1,2-eltolódásban is szerepet játszanak. A kémiai intézményrendszer vonakodott elfogadni a karbokation fogalmát, és az Amerikai Kémiai Társaság folyóirata sokáig elutasította az ezeket említő cikkeket.
A stabil karbokation első NMR-spektrumát oldatban Doering és munkatársai 1958-ban publikálták. Ez a heptametilbenzol-ion volt, amelyet hexametilbenzol metil-kloriddal és alumínium-kloriddal történő kezelésével állítottak elő. A stabil 7-norbornadienil-kationt Story et al. 1960-ban állította elő norbornadienil-klorid és ezüst-tetrafluoroborát reakciójával kén-dioxidban, -80 °C-on. Az NMR spektrum megállapította, hogy nem klasszikusan hidalt (az első stabil nem klasszikus ion, amelyet megfigyeltek).
1962-ben Olah közvetlenül megfigyelte a tert-butil-karbokationt, mint stabil fajt, magmágneses rezonanciával, amikor tert-butilfluoridot oldott fel mágikus savban. A norbornyil-kation NMR-ről először Schleyer és munkatársai számoltak be, és Saunders és munkatársai kimutatták, hogy egy gáton keresztül proton-zavart szenved el.
Tulajdonságok
A szerves kémiában a karbokation gyakran nukleofil támadás célpontja nukleofilek, például hidroxil- (OH-−) ionok vagy halogénionok által.
A karbokationokat az ionizált szénhez kötött szénatomok számától függően primer, szekunder vagy tercier karbokationnak minősítik. Az elsődleges karbokationoknál egy vagy nulla szénatom kapcsolódik az ionizált szénhez, a másodlagos karbokationoknál két szénatom kapcsolódik az ionizált szénhez, a harmadlagos karbokationoknál pedig három szénatom kapcsolódik az ionizált szénhez.
A karbokation stabilitása a töltést hordozó szénhez kötött alkilcsoportok számával nő. A harmadrendű karbokationok stabilabbak (és könnyebben képződnek), mint a másodrendű karbokationok; az elsődleges karbokationok nagyon instabilak, mert míg az ionizált magasabb rendű szénatomokat a hiperkonjugáció stabilizálja, a szubsztituálatlan (elsődleges) szénatomokat nem. Ezért az olyan reakciók, mint az NS1 reakció és az E1 eliminációs reakció általában nem játszódnak le, ha primer karbokation keletkezne. Kivétel ez alól, ha az ionizált szén mellett szén-szén kettőskötés van. Az ilyen kationok, mint az allil-kation CH=CH-CH22+ és a benzil-kation6 CH-CH52+ stabilabbak, mint a legtöbb más karbokation. Azok a molekulák, amelyek képesek alil- vagy benzil-karbokationokat képezni, különösen reaktívak.
A karbokationok átrendeződési reakciókat hajtanak végre kevésbé stabil szerkezetekből ugyanolyan stabil vagy stabilabb szerkezetekké, 10/sec-nál9 nagyobb sebességi állandókkal. Ez a tény számos vegyület szintetikus útját bonyolítja. Például, amikor a 3-pentanolt vizes HCl-lel hevítjük, a kezdetben keletkezett 3-pentil-karbokation átrendeződik a 3-pentil és a 2-pentil statisztikai keverékévé. Ezek a kationok a kloridionnal reagálva körülbelül 1/3-ban 3-klórpentán és 2/3-ban 2-klórpentán keletkezik.
Egyes karbokationok, mint például a norbornyil-kation, többé-kevésbé szimmetrikus háromcentrumú kötést mutatnak. Az ilyen kationokat nem klasszikus ionoknak nevezik. A "klasszikus" karbokationok és a "nem-klasszikus" izomerek közötti energiakülönbség gyakran nagyon kicsi, és a "klasszikus" és a "nem-klasszikus" szerkezetek közötti átmenetben általában kevés, vagy egyáltalán nincs aktiválási energia. A 2-butil-karbokation "nem-klasszikus" formája lényegében 2-butén, amelynek protonja közvetlenül a szén-szén kettős kötés középpontja felett helyezkedik el. A "nem klasszikus" karbokationok egykor nagy viták tárgyát képezték. George Olah egyik legnagyobb hozzájárulása a kémiához ennek a vitának a feloldása volt.
A tercier (III), szekunder (II) és primer (I) alkil-karbokationok stabilitási sorrendje
Speciális karbokationok
A ciklopropil-karbinil-kationok NMR segítségével vizsgálhatók:
A dimetilszármazék NMR-spektrumában két nem egyenértékű jelet találunk a két metilcsoportra, ami azt jelzi, hogy e kation molekuláris konformációja nem merőleges (mint az A-ban), hanem kettéosztott (mint a B-ben), az üres p-orbitál és a ciklopropil gyűrűrendszer egy síkban van:
A hajlított kötéselmélet szempontjából ez a preferencia azzal magyarázható, hogy a kitöltött ciklopropán hajlított kötések és az üres p-orbitál között kedvező orbitális átfedést feltételezünk.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a karbokation?
V: A karbokation egy ion, amely egy pozitív töltésű szénatomot tartalmaz.
K: Mi a karbokation külső valenciahéja?
V: A karbokation külső valenciahéja a stabil nyolc valenciaelektron helyett csak hat elektronnal rendelkezik.
K: Miért reakcióképesek gyakran a karbokationok?
V: A karbokationok gyakran reaktívak, mert igyekeznek kitölteni a valenciaelektronok nyolcadát, valamint visszanyerni semleges töltésüket.
K: Mekkora a szénatomok maximális stabilitása?
V: A szénatomok maximális stabilitása akkor érhető el, ha nyolc valenciaelektronjuk van.
K: Mi az a szextett a kémiában?
V: A szextett egy olyan karbokationban lévő szénatom leírására használt kifejezés, amelynek külső valenciahéjában a stabil nyolc valenciaelektron helyett csak hat elektron van.
K: Mi a karbokation hibridizációja és molekulageometriája?
V: Bár a logika azt sugallná, hogy a karbokationok sp3 hibridizációval rendelkeznek, egy üres sp3 orbitállal, amely pozitív töltést ad, a reakcióképességük inkább az sp2 hibridizációra hasonlít, trigonális sík molekulageometriával.
K: Mi az oktett-szabály?
V: Az oktett-szabály egy elv a kémiában, amely szerint az atomok hajlamosak olyan kémiai kötéseket kialakítani más atomokkal, amelyek lehetővé teszik, hogy mindkét atomnak stabilan nyolc valenciaelektronja legyen.