Carbocatión

miniatura|120px|Catión ter-butilo, mostrando a súa xeometría planar e hibridación sp2
miniatura|Ión carbonio de metano

Un carbocatión é un ión cun átomo de carbono con carga positiva. Entre os exemplos máis simples están o metenio , o metanio  e o etanio . Algúns carbocatións poden ter dúas ou máis cargas positivas. As cargas poden estar situadas no mesmo átomo de carbono ou en diferentes átomos; como o dicatión de etileno .

Ata o inicio da década de 1970, todos os carbocatións denominábanse ións carbonio. Na química actual, un carbocatión é calquera ión cun átomo de carbono cargado positivamente, os cales se clasifican en dúas grandes categorías segundo a valencia do carbono cargado: tres nos ións carbenio (carbenos protonados), e cinco ou seis nos ións carbonio (alcanos protonados, nomeados así por analoxía co amonio). Esta nomenclatura foi proposta por G. A. Olah. Os carbocatións están estabilizados pola dispersión ou deslocalización da carga positiva.

 Definicións 

Algúns libros de texto de nivel universitario tratan os carbocatións como se fosen só ións carbenio, ou trátanos con só unha breve referencia á vella terminoloxía dos ións carbonio ou carbenio.Clayden, Jonathan; Greeves, Nick; Warren, Stuart; Wothers, Peter (2001). Organic Chemistry (1st ed.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850346-0. Un libro de texto mantén o nome máis antigo de ión carbonio para o ión carbenio, e usa o nome ión carbenio hipervalente para o .

 Historia 

A historia dos carbocatións remóntase a 1891 cando G. Merling informou que engadira bromo ao tropilideno (cicloheptatrieno) e despois quentara o produto para obter un material hidrosoluble cristalino, . Non suxeriu unha estrutura para el; porén, Doering e Knox demostraron convincentemente que era bromuro de tropilio (cicloheptatrienilio). Este ión predise que é aromático pola regra de Hückel.

En 1902, Norris e Kehrman descubriron independentemente que o trifenilmetanol incoloro dá lugar a solucións fortemente amarelas en ácido sulfúrico concentrado. O cloruro de trifenilmetil formaba de maneira similar complexos laranxa con cloruros de estaño e aluminio. En 1902, Adolf von Baeyer recoñeceu o carácter similar aos dun sal dos compostos formados.
Denominou a relación entre a cor e a formación de sales halocromía, da cal o verde malaquita é un bo exemplo.

Os carbocatións son intermediarios reactivos en moitas reaccións orgánicas. Esta idea, proposta primeiramente por Julius Stieglitz en 1899, foi desenvolvida despois por Hans Meerwein no seu estudo de 1922 do rearranxo de Wagner–Meerwein. Os carbocatións tamén se descubriu que estaban implicados na reacción SN1, a reacción E1, e nas reaccións de rearranxo ou transposición como a transposición 1,2 de Whitmore. Os químicos establecidos foron remisos a aceptar a noción de carbocatión e durante un longo tempo o Journal of the American Chemical Society rexeitou artigos que os mencionaban.

O primeiro espectro de RMN dun carbocatión estable en solución foi publicado por Doering et al. en 1958. Era o ión heptametilbencenio, feito tratando hexametilbenceno con cloruro de metilo e cloruro de aluminio. O catión estable 7-norbornadienil foi preparado por Story et al. en 1960 facendo reaccionar cloruro de norbornadienilo con tetrafluoroborato de prata en dióxido de xofre a −80 °C. O espectro de RMN estableceu que era un ión non clásico, o primeiro observado.

En 1962, Olah observou directamente o carbocatión ter-butilo por resonancia magnética nuclear (RMN) como unha especie estable en fluoruro de ter-butilo disolvéndose en ácido máxico. A RMN do catión norbornilo foi realizada por primeira vez por Schleyer et al. Saunders et al. demostraron que sufría un intercambio de protóns sobre unha barreira.

 Estrutura e propiedades 

O carbono cargado nun carbocatión é un "sexteto", é dicir, ten só seis electróns capa de valencia externa en vez dos oito electróns de valencia que aseguran o máximo de estabilidade (regra do octeto). Por tanto, os carbocatións son a miúdo reactivos, xa que tratan de encher o seu octeto de electróns de valencia e de recuperar a súa carga neutra. Podería razoablemente asumirse que un carbocatión ten hibridación sp3 cun orbital sp3 baleiro que lle dá carga positiva. Porén, a reactividade dun carbocatión lembra máis á dun hibridación sp2 cunha xeometría molecular trigonal planar. Un exemplo é o catión metilo .

miniatura|Orde de estabilidade de exemplos de ións alquilcarbenio terciarios (III), secundarios (II) e primarios (I), e o catión metilo (o máis á dereita).
Os carbocatións son a miúdo a diana dos ataques nucleofílicos por nucleófilos como os ións hidróxido (OH−) ou ións halóxeno.
miniatura|Enerxía de formación relativa de carbocatións a partir de cálculos computacionais
Os carbocatións tipicamente sofren reaccións de rearranxo ou transposición desde estruturas menos estables a outras igual de estables ou máis estables con constantes de velocidade en exceso de 109 s−1. Este feito complica as vías sintéticas de moitos compostos. Por exemplo, cando se quenta o 3-pentanol con HCl acuoso, o carbocatión 3-pentilo formado inicialmente rearránxase a unha mestura estatística do 3-pentilo e 2-pentilo. Estes catións reaccionan co ión cloruro para producir aproximadamente 1/3 de 3-cloropentano e 2/3 de 2-cloropentano.

Un carbocatión pode ser estabilizado por resonancia por un enlace dobre carbono-carbono adxacente ao carbono ionizado. Tales catións como o catión alilo CH2=CH–CH2+ e bencilo C6H5–CH2+ son máis estables que a maior parte doutros carbocatións. As moléculas que poden formar carbocatións alilo ou bencilo son especialmente reactivas.
Estes carbocatións nos que o C+ está adxacente a outro átomo de carbono que ten un enlace dobre ou triplo teñen unha estabilidade extra debido ao solapamento do orbital p baleiro do carbocatión cos orbitais p do enlace π. Este solapamento dos orbitais permite que a carga se comparta entre múltiples átomos (deslocalización da carga) e, por tanto, estabiliza o carbocatión. A hiperconxugación é tamén un factor estabilizador para os carbocatións. Os orbitais pi baleiros do átomo de carbono aceptan un par de electróns do carbono alfa, o cal despois adquire a carga positiva. Máis hidróxenos alfa incrementan a estabilidade do carbocatión. A orde de estabilidade tamén segue a hibridación sp3 > sp2 > sp do átomo de carbono que leva a carga positiva.

A orde de estabilidade do carbocatión é a seguinte:
ión tropilio > catión trifenilmetilo (tritilo) > catión difenilmetilo > cabocatión ter-butilo > bencilo > alilo

 Ións non clásicos 
Algúns carbocatións como o catión norbornilo mostran máis ou menos simetricamente tres centros de enlace. Os catións deste tipo foron denominados ións non clásicos. A diferenza de enerxía entre os carbocatións "clásicos" e isómeros "non clásicos" adoita ser moi pequena, e en xeral hai pouca ou ningunha enerxía de activación implicada na transición entre as estruturas "clásicas" e "non clásicas". Esencialmente, a forma "non clásica" do carbocatión 2-butilo é 2-buteno cun protón directamente sobre o centro do que sería o enlace dobre carbono-carbono. Os carbocatións "non clásicos" foron antes obxectos dunha gran controversia. Unha das grandes contribucións de George Olah á química foi resolver esta controversia.George A. Olah - Nobel Lecture

 Carbocatións específicos 
Os catións ciclopropilcarbinilo poden ser estudados por RMN:
A xeración dun catión ciclopropilcarbinilo en ácido máxico

No espectro de RMN dun derivado dimetilo, encóntranse dous sinais non equivalentes para os dous grupos metilo, indicando que a conformación molecular deste catión non é perpendicular (como en A) senón que é bisecado (como en B) co orbital p baleiro e o sistema do anel ciclopropilo no mesmo plano:
A conformación do ciclopropilcarbinil bisecado

En termos da teoría do enlace flexionado esta preferencia explícase asumindo un solapamento electrónico favorable entre os enlaces flexionados do ciclopropano cheos e o orbital p baleiro.

 Carbocatión piramidal 
 Carbocatións piramidais 150px 150px Ademais dos clásicos e non clásicos pode distingirse unha terceira clase de carbocatións: os carbocatións piramidais. Nestes ións un só átomo de carbono está situado por riba dun polígono de catro ou cinco lados formando así unha pirámide. O ión piramidal de catro lados levará unha carga de +1, e o piramidal de cinco lados levará unha carga de +2. Un exemplo de carbocatión monovalente  Un exemplo de carbocatión divalente

 Notas 

 Véxase tamén 

 Outros artigos 
 Carbanión
 Carbeno
 Carbo-mer
 Oxocarbenio

 Ligazóns externas 
Press Release The 1994 Nobel Prize in Chemistry". Nobelprize.org. 9 de xuño de 2010