Кіріспе
Карбокатион – оң зарядталған көміртек атомы бар ион. Ең қарапайым мысалдардың бірі – метений CH3+, метан CH5+ және винил катиондары. Кейде бірден артық оң зарядталған көміртек атомы бар карбокациялар да кездеседі (мысалы, этилен дикациясы). 1970 жылдардың басына дейін барлық карбокациялар карбоний иондары деп аталды. IUPAC берген қазіргі анықтама бойынша карбокатион – көміртек атомында маңызды жартылай оң заряд бар кез келген жұп электронды катион. Олар зарядталған көміртек атомының координациялық санына сәйкес екі негізгі санатқа бөлінеді: карбен иондарында – үш, карбоний иондарында – бес. Бұл номенклатураны Г. А. Олах ұсынған. Карбоний иондары, Олахтың бастапқы анықтамасы бойынша, үш орталықты екі электронды де локальданған байланыс схемасымен сипатталады және негізінен «классикалық емес карбокациялар» деп аталатын, яғни көпірлі C–C немесе C–H σ байланыстары бар карбокациялармен синоним болып табылады. Дегенмен, басқалары «карбоний ионы» терминін 2-норборнил катионы сияқты классикалық емес карбокацияларды есепке алмай, формальды түрде протонды немесе алкилденген алкандар (CR5+, мұнда R – H немесе алкил) ретінде тар шектеулі анықтады.
A carbocation is an ion with a positively charged carbon atom. Among the simplest examples are the methenium CH3+, methanium CH5+ and vinyl cations. Occasionally, carbocations that bear more than one positively charged carbon atom are also encountered (e. g., ethylene dication ). Until the early 1970s, all carbocations were called carbonium ions. In the present day definition given by the IUPAC, a carbocation is any even electron cation with significant partial positive charge on a carbon atom. They are further classified in two main categories according to the coordination number of the charged carbon: three in the carbenium ions and five in the carbonium ions. This nomenclature was proposed by G. A. Olah. Carbonium ions, as originally defined by Olah, are characterized by a three center two electron delocalized bonding scheme and are essentially synonymous with so called 'non classical carbocations', which are carbocations that contain bridging C–C or C–H σ bonds. However, others have more narrowly defined the term 'carbonium ion' as formally protonated or alkylated alkanes (CR5+, where R is H or alkyl), to the exclusion of non classical carbocations like the 2 norbornyl cation.
Анықтамалар
IUPAC-тің мәлімдемесіне сәйкес, карбокатион – оң зарядының маңызды бөлігі көміртек атомында орналасқан жұп электрон санына ие кез келген катион. Олах пен оның әріптестері бес координаталы карбокатионды анықтағанға дейін карбокатион мен карбоний ионы терминдері бір-бірін алмастыра қолданылып келді. Олах карбоний ионының анықтамасын өзгертіп, оны кез келген типтегі үш орталықты екі электронды байланысқа ие карбокатион ретінде қарастырды, ал карбений ионы жаңадан енгізіліп, үш координаталы оң көміртек атомына ие екі орталықты екі электронды байланысқа ие карбокатионды білдірді. Кейіннен басқа зерттеушілер карбоний ионы терминін алькандарға H+ немесе R+ электрофилдік шабуылынан (кем дегенде формальды түрде) туындаған түрлерді атау үшін ғана қолданды, бұл басқа негізгі топтағы ониум түрлеріне ұқсас, ал кез келген үш орталықты байланысқа ие карбокатион – классикалық емес карбокатион деп аталды. Осы қолданыс бойынша 2-норборнил катионы карбоний ионы емес, себебі ол алькан емес, алькеннің (норборнен) протондалуынан формальды түрде алынған, бірақ көпірлі құрылымына байланысты классикалық емес карбокатион болып табылады. IUPAC карбоний ионының үш түрлі анықтамасын мойындайды және осы терминді қолдануда сақтық танытуға шақырады. Осы мақаланың соңына дейін карбоний ионы термині соңғы, шектеулі мағынасында қолданылады, ал классикалық емес карбокатион – C–C және/немесе C–H σ байланыстары көпір арқылы делдалданған кез келген карбокатионды білдіреді. 1990 жылдардың соңынан бері көптеген оқулықтар классикалық үш координаталы карбокатион үшін карбоний ионы терминін қолдануды тоқтатты. Дегенмен, кейбір университет деңгейіндегі оқулықтар карбокатион терминін карбений ионымен синоним ретінде қолдануды жалғастырады немесе карбокатиондарды ескі терминологиямен – карбений және карбоний иондары туралы қысқаша сілтемелермен талқылайды. Бір оқулықта карбений ионы үшін ескі карбоний ионы атауы сақталған, ал CH5+ үшін гипервалентті карбоний ионы термині қолданылады. Алкеннен гидрид ионының (H−) формальды түрде алынуынан пайда болған екі координаталы оң көміртек атомына ие карбокатион винил катионы деп аталады. Геометриялық шектеулер болмаған жағдайда, көптеген ауыстырылған винил катиондары формальды оң зарядты сызықтық геометриядағы sp гибридтелген көміртек атомында алып жүреді. Ареннен гидрид ионының формальды түрде алынуынан пайда болған екі координаталы, шамамен sp2 гибридтелген катион арил катионы деп аталады. Бұл карбокатиондар салыстырмалы түрде тұрақсыз (әсіресе арил катиондары) және сирек кездеседі. Сондықтан олар бастауыш және орта деңгейдегі оқулықтарда жиі кездеспейді. IUPAC анықтамасы карбокатиондардың жұп электронды түрлері екенін көрсетеді; сондықтан массалық спектрометрияда жиі кездесетін CH4•+ сияқты радикал катиондар карбокатиондар деп есептелмейді.
Тарих
Карбокациялар тарихы 1891 жылы Г. Мерлинг тропилиденге (циклогептатриенге) бром қосып, содан кейін өнімді қыздырып, кристалдық, суда еритін зат алғандығын хабарлаған кезде басталады. Ол оның құрылымын ұсынған жоқ; алайда, Доринг пен Нокс оның тропилий (циклогептатриенилий) бромиды екенін нақты көрсетті. Бұл ионның Хюкель ережесі бойынша ароматты болатыны болжанады. 1902 жылы Норрис пен Керман тәуелсіз түрде түссіз трифенилметанолдың концентрацияланған күкірт қышқылында терең сары ерітінділер беретінін анықтады. Трифенилметилхлорид алюминий және қалайы хлоридтерімен ұқсас қызғылт сары кешендер түзеді. 1902 жылы Адольф фон Баер пайда болған қосылыстардың тұз сияқты табиғатын байқады. Тритил карбокациясы (төменде көрсетілген) – органикалық синтезде біртекті органокатализатор ретінде, мысалы тритил гексафторфосфат түрінде қолданылатын тұрақты карбокациялық жүйе. Ол түс пен тұз түзілу арасындағы байланысты галохромия деп атады, оның жарқын мысалы малахит жасылы. Карбокациялар көптеген органикалық реакцияларда реакцияға қабілетті аралық заттар болып табылады. Бұл идеяны алғаш рет 1899 жылы Юлиус Стиглиц ұсынды, ал 1922 жылы Ханс Мервейн Вагнер-Мервейн қайта реттелуін зерттеуде оны одан әрі дамытты. Карбокациялар SN1 реакциясына, E1 реакциясына және Уитмордың 1,2-ауысуы сияқты қайта реттелу реакцияларына қатысатыны анықталды. Химиялық қауымдастық карбокация ұғымын қабылдауға құлшынбады және ұзақ уақыт бойы American Chemical Society журналы оларды атаған мақалаларды жариялаудан бас тартты. Ерітіндідегі тұрақты карбокацияның алғашқы ЯМР спектрін Доринг және авторлар тобы 1958 жылы жариялады. Ол метилхлорид пен алюминий хлоридімен гексаметилбензолды өңдеу арқылы алынған гептаметилбензол ионы болды. Тұрақты 7-норборнадиенил катионын Стори және авторлар тобы 1960 жылы -80°C температурада күкірт диоксидінде күміс тетрафторборатымен норборнадиенил хлоридін реакцияға түсіру арқылы дайындады. ЯМР спектрі оның классикалық емес байланысқа ие екенін көрсетті (бірінші байқалған тұрақты классикалық емес ион). 1962 жылы Олах терт-бутил карбокациясын ядролық магниттік резонанс арқылы терт-бутил фторидін «магиялық қышқылда» еріту кезінде тұрақты түрде тікелей байқады. Норборнил катионының ЯМР спектрін алғаш рет Шлейер және авторлар тобы баяндады, және оның протон алмасуы барлық түрде жүретіні Саундерс және авторлар тобымен көрсетілді.
Классикалық емес иондар
Кейбір карбокациялар, мысалы 2-норборнил катионы, көбінесе симметриялы үш орталық екі электронды байланысты көрсетеді. Мұндай құрылымдар классикалық емес карбокациялар деп аталады, олар молекуланың σ-қаңқасына қатысты байланыстардың делокализациясын қамтиды, нәтижесінде бөлшекті байланыс реті бар C–C және C–H байланыстары пайда болады. Бұл делокализация катионды қосымша тұрақтандырады. Мысалы, классикалық карбений ионы ретінде бейнеленген 2-норборнил катионы екіншілік карбокатион сияқты көрінеді. Дегенмен, ол гидрид ионының туыстығына сәйкес, t-бутил катионы сияқты үшіншілік карбокатионнан да тұрақтырақ. Классикалық емес карбокациялардың болуы бір кезде қызу дау-жанжалға себеп болған. Осы мәселеде екі түрлі пікір болды: Герберт К. Браун, ол классикалық емес карбокация болып көрінетін құрылымның екі тез тепе-теңдік құрайтын классикалық түрдің орташасы екеніне (немесе белгілі бір деңгейде көпірленген немесе еңкейген, бірақ симметриялы емес екі құрылымның аралық жағдайы) сенді және нағыз классикалық емес құрылым екі потенциалдық энергия минимумы арасындағы өтпелі күй екенін айтты. Ал Саул Уинштейн, симметрия жазықтығына ие классикалық емес құрылым жалғыз потенциалдық энергия минимумы екеніне және классикалық құрылымдар осы классикалық емес түрдің екі резонанстық формасы ғана екеніне сенді. Джордж Оланың карбокацияларды тікелей байқауға мүмкіндік беретін суперацидтік ортаны ашуы, сонымен қатар Мартин Сондерстің екі сценарийді ажыратуға арналған жоғары сезімтал NMR әдісі осы дауды шешуде маңызды рөл атқарды. Кем дегенде 2-норборнил катионына қатысты даудың көп бөлігі Уинштейннің пайдасына шешілді, тіпті 6 К температурасында да классикалық түрлердің өзара айналу белгілері байқалған жоқ, ал 2013 жылғы кристалдық құрылым анық классикалық емес құрылымды көрсетті. Көптеген карбокациялар (мысалы, этил катионы, қараңыз жоғарыда) қазір классикалық емес құрылымдарды қабылдайды деп есептеледі. Алайда, көп жағдайда екі мүмкін "классикалық" құрылым мен "классикалық емес" құрылым арасындағы энергия айырмасы өте аз, сондықтан екі мүмкіндікті тәжірибе жүзінде ажырату қиын болуы мүмкін.
Пирамидалық карбокация
Пирамидалық карбокациялар Классикалық және классикалық емес карбокациялардан өзге, үшінші класс карбокацияларды да бөліп қарастыруға болады: пирамидалық карбокациялар. Бұл иондарда бір көміртек атомы төрт немесе бес қабырғалы көпбұрыштан жоғары орналасып, пирамида тәрізді құрылым түзеді. Төртбұрышты пирамидалық ион +1 зарядты, ал бесбұрышты пирамидалық ион +2 зарядты болады. Тропилий трикациясының (C7H7)3+ тұрақты алтыбұрышты пирамидалық конфигурациясы да болжамдалған. Бұл жағдайда көміртек атомының координациялық саны жетіге жетеді. [C6(CH3)6][SbF6]2·HSO3F кристалдық құрылымы гексаметилбензол дикациясының бесбұрышты пирамидалық пішінін растайды. Моновалентті карбокация мысалы Дивалентті карбокация мысалы