Karbokationy

W reakcji substytucji nukleofilowej, gdy następuje heterolityczne rozszczepienie wiązania między węglem a grupą opuszczającą, grupa opuszczająca zabiera ze sobą parę elektronów, pozostawiając środek węgla z ładunkiem dodatnim. Ten substrat z niedoborem elektronów nazywa się karbokationem.

W karbokationie atom węgla jest otoczony sześcioma elektronami w postaci trzech wiązań σ, z których każde znajduje się pod kątem 120° od drugiego. Węgiel jest hybrydyzowany sp² z trygonalną geometrią płaską i niezhybrydyzowanym pustym orbitalem p.

Ponieważ wolny orbital węgla może łatwo przyjmować elektrony z różnych nukleofilów, karbokationy działają jak silne elektrofile w reakcjach chemicznych.

Najprostszym karbokationem jest kation metylowy, w którym trzy atomy wodoru są związane z atomem węgla z niedoborem elektronów.

Grupy alkilowe mogą zastępować atomy wodoru, dając różne rodzaje karbokationów. W zależności od liczby takich podstawników alkilowych, karbokationy można podzielić na karbokationy pierwszorzędowe, drugorzędowe i trzeciorzędowe.

Rozgałęzianie alkilowe stabilizuje karbokation, poprzez efekt indukcyjny i hiperkoniugację.

Efekt jest indukcyjny, gdy podstawniki alkilowe uwalniające elektrony oddają gęstość elektronów do dodatniego centrum węgla poprzez wiązania σ, stabilizując w ten sposób karbokation.

Zwiększona podstawienie alkilowe zwiększa efekt indukcyjny w karbokationach, co w konsekwencji zwiększa stabilność karbokationów.

Stabilność jest dodatkowo zwiększona przez hiperkoniugację, która polega na nakładaniu się pustego orbitalu p węgla i odpowiednio wyrównanego wypełnionego orbitalu sp³ grupy alkilowej.

Wraz ze wzrostem liczby grup alkilowych zwiększa się efekt hiperkoniugacji, a wraz z nim wzrasta również stabilność karbokationów.