W celu zrozumienia czym jest karbokationkarbokationkarbokation przyjrzyjmy się cząsteczce metanu, czyli najprostszego alkanu. W cząsteczce metanu atom węgla uwspólnia swoje cztery elektrony walencyjne z czterema elektronami walencyjnymi pochodzącymi od czterech atomów wodoru.

R1E2HF6LR7tGP

Rysunek wzoru elektronowego metanu o strukturze ${\mathrm{CH}}_4$, wiązania pomiędzy atomami wodoru i węgla zostały przedstawione jako dwie kropki, wspólna para elektronowa.

Jeżeli cząsteczce metanu zabierzemy jedne z atomów wodoru wraz z parą elektronową powstanie tzw. karbokation metylowy:

ReSbc3twlFhYY

Rysunek przedstawiający strukturę karbokationu metylowego o wzorze ${{\text{CH}}_3}^{+}$, w którym wiązania pomiędzy atomami wodoru i węgla reprezentują dwie kropki stanowiące wspólną parę elektronową.

Zwróć uwagę, że formalnie od cząsteczki metanu oderwaliśmy anion wodorkowy HIndeks górny -^-. Zatem atom wodoru prócz swojego elektronu zabrał również jeden z elektronów atomu węgla. Atom węgla posiada teraz tylko 3 elektrony walencyjne - pojawia się zatem na nim cząsteczkowy ładunek dodatni, co oznaczamy symbolem „+”. Skoro powstały kation ma zlokalizowany dodatni ładunek na atomie węgla, to nazywamy go karbokationem (łać. carboneum - węgiel)

Karbokationy mogą mieć do dodatnio naładowanego atomu węgla dołączone różne podstawniki (R, R’, R”), niekoniecznie muszą to być atomy wodoru.

Atomowi węgla w karbokationie można przypisać formalnie hybrydyzację orbitali walencyjnych typu $s{p}^2$ (czyli posiada jeden niezhybrydyzowany niezapełniony elektronami orbital typu $p$). Wiązania z trzema atomami tworzone są przy pomocy trzech orbitali $s{p}^2$ i są skierowane ku narożom trójkąta równobocznego - w związku z czym cała struktura jest płaska. Ponad i pod płaszczyzną znajduje się niezapełniony orbital $p$.

R1ckCpsFCLAgi

Rysunek przedstawiający hybrydyzację sp² węgla w karbokationie. W jednej płaszczyźnie znajdują się trzy czerwone loby odchodzące od atomu węgla, pomiędzy którymi występuje kąt 120 stopni. Przez płaszczyznę przechodzi pusty orbital p w kształcie trójwymiarowej ósemki, która tożsama jest z dwoma lobami odchodzącymi od atomu węgla czy też od płaszczyzny.

W celu zbadania trwałości karbokationów można obliczyć ilość energii potrzebnej do utworzenia karbokationu z odpowiedniego halogenku:

gdzie:

• R - grupa alkilowa,

• X - atom halogenu,

• RIndeks górny +⁺ - karbokation,

• XIndeks górny -^- - anion halogenkowy.

Należy pamiętać, że reakcja dysocjacji halogenku nie jest samoistnym procesem, a rozważania są teoretyczne. Omawianie energii dysocjacji potrzebnej do przeprowadzenia tego procesu ma na celu uświadomienie sobie, kiedy karbokation z halogenku powstaje łatwiej (czyli jest trwalszy), a kiedy trudniej (czyli jest mniej trwały). Im mniej energii należy dostarczyć, by przeprowadzić dysocjację halogenku, tym łatwiej ona zachodzi i tym łatwiej jest otrzymać dany karbokation.

Analiza wykresu pozwala wnioskować, że im bardziej podstawiony halogenek alkilowy, tym mniej energii potrzeba do jego dysocjacji, a więc dysocjuje łatwiej. W związku z tym wyżej rzędowe karbokationy powstają łatwiej, czyli charakteryzują się większą trwałością.

Słownik

Bibliografia

Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 2, Warszawa 2016.

McMurry J., Chemia organiczna, t. 1, tłum. Henryk Koroniak i in., Warszawa 2018.