Σχηματισμός του Carbocation

Ένα καρβοκατιόν είναι ένα ασταθές θετικά φορτισμένο είδος 6 ηλεκτρονίων. Ο σχηματισμός καρβοκατιόντος ως ενδιάμεσο λαμβάνει χώρα στην πορεία της αντίδρασης. Το ενδιάμεσο καρβοκατιόν σχηματίζεται για ένα απειροελάχιστο χρονικό διάστημα σε αντιδράσεις μονομοριακής πυρηνόφιλης υποκατάστασης, αντιδράσεις μονομοριακής απομάκρυνσης, αντιδράσεις ηλεκτροφιλικής προσθήκης των αλκενίων και αναδιατάξεις που περιλαμβάνουν μετατόπιση υδριδίου ή μετατόπιση αλκυλίου. Ορισμένες σημαντικές ονομαστικές αντιδράσεις αναδιάταξης περιλαμβάνουν επίσης τον σχηματισμό ανθρακικού, για παράδειγμα, αναδιατάξεις Wagner Meerwein, κ.λπ. Άλλες βασικές χημικές αντιδράσεις, όπως αντιδράσεις που περιλαμβάνουν αφυδάτωση αλκοολών, αντίδραση οξείδωσης υδροβορίου, αντιδράσεις αφυδάτωσης οξυυδράρματος περιλαμβάνουν επίσης τον σχηματισμό καρβοκατιόντος.

Μηχανισμός σχηματισμού καρβοκατιόντων

Ένα καρβοκατιόν δημιουργείται με έναν από τους δύο συνήθεις τρόπους.

1. Η πρώτη μέθοδος περιλαμβάνει τη διάσπαση ετερολυτικού δεσμού που ακολουθείται από την αφαίρεση μιας αποχωρούσας ομάδας. Πρώτον, συμβαίνει ο ιονισμός του δεσμού που συνδέει το άτομο άνθρακα και την αποχωρούσα ομάδα. Μετά από αυτό, η αποχωρούσα ομάδα και τα συνδετικά ηλεκτρόνια απομακρύνονται από το μόριο.

2. Η δεύτερη μέθοδος περιλαμβάνει την προσθήκη ενός ηλεκτρόφιλου (όπως το H+) σε έναν ακόρεστο δεσμό (όπως ένα αλκένιο). Λόγω της προσθήκης αυτού του ηλεκτρόφιλου, ο ακόρεστος δεσμός σπάει και ο παρακείμενος άνθρακας παρουσιάζει έλλειψη ηλεκτρονίων. Το σπάσιμο του ακόρεστου δεσμού αφήνει τον άνθρακα με θετικό φορτίο.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το θετικά φορτισμένο καρβοκατιόν έχει υβριδισμό sp2. Το καρβοκατιόν έχει ένα κενό ρ-τροχιακό, αχρησιμοποίητο και αντιπροσωπεύεται με θετικό φορτίο. Αυτή η αναπαράσταση υποδεικνύει ότι το κενό τροχιακό μπορεί να δεχθεί ηλεκτρόνια.

Αντιδράσεις μονομοριακής εξάλειψης

Η πιο κοινή αντίδραση όπου το καρβοκατιόν σχηματίζεται ως ενδιάμεσο είναι η αφυδάτωση του αλκοόλ. Η πρωτογενής αλκοόλη υφίσταται απομάκρυνση μέσω του μηχανισμού Ε2 αφού το πρωτογενές καρβοκατιόν είναι εξαιρετικά ασταθές. Οι δευτεροταγείς και τριτοταγείς αλκοόλες ακολουθούν τον μηχανισμό Ε1 για να δώσουν αλκένια. Μια πηγή πρωτονίων (Η+) όπως το θειικό οξύ χρησιμοποιείται για την αφυδάτωση των αλκοολών. Ο σχηματισμός καρβοκατιόντος συμβαίνει όταν η αποχωρούσα ομάδα χαθεί από την τοποθεσία.

Αφυδάτωση αλκοολών:Η ομάδα υδροξυλίου (ΟΗ) δρα ως η αποχωρούσα ομάδα, σχηματίζοντας ένα καρβοκατιόν. Το καρβοκατιόν υφίσταται μετατόπιση 1,2-υδριδίου για να σχηματίσει ένα εξαιρετικά σταθερό τριτοταγές ενδιάμεσο καρβοκατιόν. Το αλκένιο σχηματίζεται στο τελικό στάδιο.

Αντιδράσεις προσθήκης 

Υπάρχουν ορισμένες κοινές αντιδράσεις προσθήκης αλκενίων, όπως η προσθήκη αλκυλαλογονιδίου, νερού ή αλογόνου που περιλαμβάνουν τον σχηματισμό του καρβοκατιόντος.

Άλλες βασικές αντιδράσεις σε αυτήν την κατηγορία που περιλαμβάνουν σχηματισμό καρβοκατιόντος είναι η οξείδωση υδροβορίωσης και οι αντιδράσεις αφυδάτωσης οξυυδράρματος. Ο σχηματισμός καρβοκατιόντος λαμβάνει χώρα μέσω ετερολυτικής διάσπασης του ακόρεστου δεσμού των αλκενίων

Προσθήκη αλκυλαλογονιδίων

Αλογονίδια εισάγονται σε διπλούς δεσμούς ακόρεστου άνθρακα παρουσία υδροχλωρικού οξέος. Ο σχηματισμός του ενδιάμεσου καρβοκατιόντος συμβαίνει στην πορεία της αντίδρασης. Ένα αλκυλαλογονίδιο παράγεται ως το προϊόν της αντίδρασης.

Προσθήκη νερού

Το υδροξύλιο εισάγεται σε διπλούς δεσμούς ακόρεστου άνθρακα παρουσία νερού. Ο σχηματισμός του ενδιάμεσου καρβοκατιόντος συμβαίνει στην πορεία της αντίδρασης. Το αλκοόλ παράγεται ως το τελικό προϊόν της αντίδρασης.

Προσθήκη αλογόνου 

Το αλκένιο αντιδρά με το βρώμιο για να δώσει διβρωμοαλκάνιο. Ο σχηματισμός του ενδιάμεσου καρβοκατιόντος συμβαίνει στην πορεία της αντίδρασης. Σε αυτήν την αντίδραση σχηματίζεται μια τριμελής μεταβατική κατάσταση.

Οξείδωση υδροβορίωσης 

Το βόριο (BH3) εισάγεται σε ακόρεστους δεσμούς αλκενίου στην υδροβορίωση και η οξείδωση λαμβάνει χώρα παρουσία H2O2. Όταν η υδροβορίωση και η οξείδωση γίνονται ταυτόχρονα, τέτοιες αντιδράσεις είναι γνωστές ως αντιδράσεις υδροβορίωσης-οξείδωσης.

Οξυδράρισμα αφυδάτωσης

Η ομάδα υδροξυλίου (ΟΗ) εισάγεται στο αλκένιο παρουσία Hg(OAc)/H2O και NaBH4. Γενικά, σχηματίζεται ένα μείγμα δύο μεγάλων και δευτερευόντων προϊόντων επειδή το ενδιάμεσο καρβοκατιόν μπορεί να αναδιαταχθεί για να σχηματίσει ένα πιο σταθερό καρβοκατιόν.

Μονομοριακές αντιδράσεις πυρηνόφιλης υποκατάστασης

Οι αντιδράσεις μονομοριακής πυρηνόφιλης υποκατάστασης ή αντιδράσεις SN1 είναι αργές. Το στάδιο στο οποίο σχηματίζεται το ενδιάμεσο καρβοκατιόν είναι το στάδιο προσδιορισμού της ταχύτητας της αντίδρασης. Ο σχηματισμός του καρβοκατιόντος διευκολύνει την αναστροφή των προϊόντων. Ο σχηματισμός καρβοκατιόντος λαμβάνει χώρα όταν η αποχωρούσα ομάδα χαθεί από την τοποθεσία.

Η αποχωρούσα ομάδα αποσπάται από τον άνθρακα στη δεδομένη αντίδραση, αφήνοντας πίσω του ένα ενδιάμεσο καρβοκατιόν 6 ηλεκτρονίων εξαιρετικά δραστικό. Λόγω της παρουσίας του ενδιάμεσου καρβοκατιόντος, λαμβάνει χώρα αναστροφή και το εισερχόμενο πυρηνόφιλο προσκολλάται στην αντίθετη πλευρά.

Ανακατατάξεις

Τα καρβοκατιόντα είναι εξαιρετικά ασταθή και αντιδραστικά. Η σταθερότητα του καρβοκατιόντος είναι χαμηλότερη για τα πρωτογενή καρβοκατιόντα. Τα δευτερογενή καρβοκατιόντα και τα τριτογενή καρβοκατιόντα είναι τα πιο σταθερά. Για να υπάρχει ένα καρβοκατιόν, πρέπει να είναι αρκετά σταθερό. Έτσι, για να αποκτήσουν σταθερότητα, τα καρβοκατιόντα αναδιατάσσονται σε γειτονικά άτομα. Η αναδιάταξη λαμβάνει χώρα είτε με μετατοπίσεις αλκυλίου είτε με μετατοπίσεις υδριδίου. Μερικές ονομαστικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν αναδιατάξεις του καρβοκατιόντος είναι οι αντιδράσεις Pinacol, οι αντιδράσεις Tiffenean Demjanov κ.λπ. Αυτές οι αντιδράσεις δεν συζητούνται στον σχηματισμό των σημειώσεων καρβοκατιόντος.

Συμπέρασμα

Ο σχηματισμός του καρβοκατιόντος συμβαίνει ακολουθώντας οποιονδήποτε από τους δύο μηχανισμούς που συζητήθηκαν στο σχηματισμό των καρβοκατιονικών σημειώσεων. Το καρβοκατιόν είναι ένα από τα πιο σημαντικά ενδιάμεσα. Σχηματίζεται σε ορισμένες κύριες αντιδράσεις όπως αντιδράσεις πυρηνόφιλης υποκατάστασης, αντιδράσεις απομάκρυνσης, προσθήκη σε δεσμούς αλκενίου και αντιδράσεις αναδιάταξης. Πριν μελετήσουμε αυτές τις αντιδράσεις, πρέπει να κατανοήσουμε τη σταθερότητα των καρβοκατιόντων και τους τύπους των καρβοκατιόντων που σχηματίζονται σε διαφορετικές αντιδράσεις. Οι αναδιατάξεις Wagner Meerwein, οι αντιδράσεις Pinacol και οι αντιδράσεις Tiffenean Demjanov περιλαμβάνουν επίσης σχηματισμό καρβοκατιόντων. Απαιτείται πλήρης κατανόηση του καρβοκατιόντος για την κατανόηση αυτών των αντιδράσεων.