Карбокатионы

В реакции нуклеофильного замещения, когда происходит гетеролитическое расщепление связи между углеродом и уходящей группой, уходящая группа забирает с собой электронную пару, оставляя углеродный центр с положительным зарядом. Этот электронно-дефицитный субстрат называется карбокатионом.

При карбокатионии атом углерода окружен шестью электронами в виде трех σ связей, каждая из которых находится под углом 120° к другой. Углерод sp² гибридизирован с тригональной плоской геометрией и негибридизованной пустой p-орбиталью.

Поскольку свободная орбиталь углерода может легко принимать электроны от различных нуклеофилов, карбокатионы действуют как сильные электрофилы в химических реакциях.

Простейшим карбокатионом является метиловый катион, в котором три атома водорода связаны с электронно-дефицитным атомом углерода.

Алкильные группы могут замещать атомы водорода, образуя различные типы карбокатионов. В зависимости от количества таких алкильных заместителей карбокатионы можно классифицировать как первичные, вторичные и третичные карбокатионы.

Алкильное ветвление стабилизирует карбокатион за счет индуктивного эффекта и гиперконъюгации.

Эффект является индуктивным, когда алкильные заместители, высвобождающие электроны, отдают электронную плотность положительному углеродному центру через σ связи, тем самым стабилизируя карбокатион.

Повышенное алкильное замещение усиливает индуктивный эффект в карбокатионах, что, в свою очередь, повышает стабильность карбокатионов.

Стабильность дополнительно повышается за счет гиперконъюгации, которая включает перекрытие между пустой p-орбиталью углерода и соответствующим образом выровненной заполненной sp-3-орбиталью алкильной группы.

С увеличением количества алкильных групп усиливается эффект гиперконъюгации, а вместе с ним повышается и стабильность карбокатионов.