Stabilità dei carbocationi
Spiegazione della sequenza di stabilità dei carbocationi
I carbocationi sono ioni della chimica organica caratterizzati dalla presenza di un atomo di carbonio recante una carica positiva unitaria o parziale.
I carbocationi mostrano una larga gamma di stabilità.
Il cicloeptatrienilcatione (tropilio) è un carbocatione eccezionalmente stabile, che può essere isolato e studiato.
Infatti è un carbocatione altamente stabilizzato per risonanza.
All'altra estremità c'è il catione metile (CH3+) che è così instabile da non essere mai stato evidenziato come intermedio in nessuna reazione chimica ordinaria. Fra questi due estremi esiste un largo spettro di carbocationi, alcuni dei quali possono essere isolati, altri sono solo evidenziati ma non isolati e altri possono essere prodotti solo in condizioni estreme.
Tropilio
Ordine di stabilità dei carbocationi alchilici
L'ordine di stabilità dei carbocationi alchilici è il seguente:
La stabilità dei carbocationi viene spiegata in termini di due effetti:
- effetto induttivo;
- effetto di iperconiugazione.
Si può osservare un effeto induttivo quando i legami uniscono atomi a diversa elettronegatività. Consideriamo l'effetto che si verifica sostituendo un idrogeno di un carbocatione con un metile.
Se un gruppo metilico è legato ad un carbonio carico positivamente, si verifica uno spostamento degli elettroni dal carbonio metilico a quello recante la carica positiva, poiché quest'ultimo è più elettronegativo.
Il risultato è che la presenza del gruppo metilico ha un sostanziale effetto stabilizzante sul carbocatione positivo.
È chiaro che maggiore è il numero di gruppi metilici legati al carbonio carico positivamente, maggiore è la stabilità del carbocatione.
Il secondo effetto importante, che porta a una stabilizzazione di un carbocatione legato a un gruppo alchilico, viene definito iperconiugazione. Il propene ad esempio è stabilizzato dalla risonanza (iperconiugazione) seguente:
Questa risonanza però non è molto efficace, in quanto le forme ioniche hanno un legame covalente in meno rispetto alla struttura principale.
Tuttavia, per un carbocatione alchil-sostituito si possono anche scrivere forme di risonanza che hanno lo stesso numero di legami covalenti rispetto alla struttura principale. In questo caso si parla di iperconiugazione isovalente. L'iperconiugazione isovalente ha chiaramente un'importanza maggiore dell'iperconiugazione sacrificale nello stabilizzare gli alchil-carbocationi.
La stabilità degli alchil-carbocationi deriva dall'effetto induttivo o dall'iperconiugazione?
La risposta è che entrambi gli effetti sono importanti e, poiché operano entambi nello stesso senso, è difficile poterli differenziare. La teoria dice che dovrebbero essere di importanza paragonabile.
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