Karbokationi

Karbokationi (karboniumioni) on orgaaninen kationi, jossa on positiivisesti varautunut eli elektronivajaa hiiliatomi^[1]. Hiilen elektronirakenne voi olla sp²-hybridisoitunut (kolmisidoksinen ja tasomainen), ja sen p-orbitaali on tyhjä. Karbokationissa hiili voi olla koordinoitunut myös viiteen muuhun atomiin tai atomiryhmään^[1].

Mitä enemmän karbokationissa on alkyyliryhmiä, sitä enemmän ne pystyvät luovuttamaan elektroneja positiiviselle hiiliatomille ja stabiloimaan karbokationin rakennetta. Siten tertiääriset karbokationit ovat kaikkein pysyvimpiä.

Karbokationit ovat yleensä äärimmäisen emäsherkkiä, epävakaita ja reaktiivisia. Niinpä ne esiintyvät lähinnä reaktioiden välituotteina, joiden konsentraatio reaktioseoksessa on niin pieni, ettei niitä voida havaita suoraan reaktiosta. Riittävän vahvoja superhappoja käyttämällä on kuitenkin mahdollista tehdä karbokationeista niin vakaita, että ne voidaan havaita NMR:ssä, joten niistä on kuitenkin suoraa näyttöä.

Tärkein reaktiotyyppi, missä esiintyy karbokationivälituote, on SN₁ (yksimolekyylinen eli ensimmäisen kertaluokan nukleofiilinen substituutioreaktio). Siinä lähtöaine hajoaa lähteväksi anioniksi ja karbokationiksi. Karbokationi kaappaa liuoksesta uuden anionin, jos se on nukleofiilisempi eli sitoutuu positiiviseen varaukseen vahvemmin kuin lähtevä anioni. Esimerkiksi kloori on hyvä lähtevä ryhmä, ja vesi on kohtalainen nukleofiili, joten veden kanssa organoklooriyhdiste muuttuu alkoholiksi ja suolahapoksi:

1. Organoklooriyhdiste hajoaa karbokationiksi: R-Cl → R⁺ + Cl^-;
2. Karbokationi vastaanottaa veden ja muuttuu oksoniumioniksi: R⁺ + H₂O → R-OH₂⁺
3. Oksoniumin vety siirtyy vedelle: R-OH₂⁺ → R-OH + H₃O⁺

Syntyneen oksoniumin neutralointiin riittää hyvinkin heikko emäs, kuten kaliumkarbonaatti.

Epävakaat karbokationit reagoivat yleensä itsensä kanssa, mitä kutsutaan toisiintumiseksi. Toisiintumisreaktiossa elektronivajaa hiili reagoi jonkin toisen molekyylin osan kanssa, mikä jatkuu, kunnes tuloksena on vakain eli tertiäärinen kationi.

1. ↑ ^{a b} Carbocation IUPAC GoldBook. IUPAC. Viitattu 8.4.2018. (englanniksi)