Запознаване със стабилност на карбокатиона и пренареждането му

Това са три начина на представяне на един и същ карбокатион. Карбокатионите имат въглерод, който е зареден положително, което в химията се нарича катион. Като вземеш двете думи, въглерод (карбон) и катион, и ги обединиш, ще получиш карбокатион. Нека първо да разгледаме формулата в средата. Този въглерод тук е зареден положително. Принципно въглеродът има четири връзки, но тук има само три. Ето една, две, три. И понеже има само три връзки, той има формален заряд плюс едно. Карбокатионите са много активни химически, защото въглеродът иска да има четири връзки. Сега да видим същия карбокатион отляво, където въглеродът в цикламено с формален заряд плюс едно е ето този. Понеже тук не показваме атомите в този вид формула, понякога учениците забравят, че този въглерод в цикламено има заряд плюс едно, което означава, че към него има свързан водород. Не забравяй това, когато разглеждаш този вид формули. И сега да видим същия карбокатион отдясно. Въглеродът в цикламено е ето тук. Ето го тук с формален заряд плюс едно. Понеже този въглерод в цикламено има само три връзки, той е sp2-хибридизиран. От предишни видеа знаем, че sp2-хибридизираният въглерод има една нехибридизирана р-орбитала. Ето това е нашата нехибридизирана р-орбитала, като връзките около този sp2-хибридизиран въглерод са в една равнина. Да видим дали мога да скицирам една равнина тук и да покажа, че атомите, които са директно свързани с този въглерод са в една равнина около този въглерод. Сега да видим един модел на същия карбокатион. Това е нашият sp2-хибридизиран въглерод, а това е незапълнената р-орбитала. Отляво имаме метилова група, свързана директно с този положително зареден въглерод, а отдясно имаме друга метилова група. Значи имаме две алкилови групи, свързани с този положително зареден въглерод, и това се нарича вторичен карбокатион, тъй като има две алкилови групи, свързани директно с положително заредения въглерод. Тези алкилови групи могат да помогнат за стабилизиране на карбокатиона. Сега ще покажа това. Част от електронната плътност тук при тази връзка може да бъде отдадена на тази празна р-орбитала, като противоположните се привличат, затова отдаването на електронна плътност стабилизира карбокатиона. Така алкиловите групи стабилизират карбокатионите. Тази алкилова група отдясно може да направи същото нещо, известна електронна плътност от тук спомага за стабилизиране на карбокатиона, но обърни внимание, че отзад при водородът отдясно, електронната плътност от тази връзка не може да се отдаде на р-орбиталата, защото геометрията не е подходяща. Алкиловите групи стабилизират карбокатионите, а водородите не. Това означава, че колкото повече алкилови групи имаме, толкова по-стабилен е карбокатиона. Току-що видяхме, че алкиловите групи стабилизират карбокатиона като отдават електронна плътност на празната р-орбитала. Този ефект се нарича хиперкорюгация. Когато увеличаваме на броя на алкиловите групи, това увеличава стабилността на карбокатиона. Сега да видим този карбокатион отляво. Тук има само една алкилова група, свързана директно с този положително зареден въглерод, затова наричаме това първичен карбокатион. В средата имаме две алкилови групи, свързани директно с този положителен въглерод. Това е вторичен карбокатион, като в примера от снимката горе, и накрая имаме три алкилови групи, свързани директно с положително заредения въглерод, което е третичен карбокатион. Колкото повече алкилови групи имаме, толкова по-стабилен е карбокатиона. Третичният карбокатион е по-стабилен от вторичния карбокатион. Вторичният карбокатион е много по-стабилен от първичния карбокатион. Тези са толкова нестабилни, че те дори може да не съществуват. Затова ще се фокусираме над вторични и третични карбокатиони. Вече разгледахме стабилността на карбокатионите, сега да видим какви са прегрупиранията в карбокатионите. Едно възможно прегрупиране е т.нар. хидридна миграция. Първо да видим какво е хидриден йон. Знаем, че водородът има един валентен електрон. Ако отнемем този валентен електрон от водорода, тогава ни остава само Н+, което знаем, че е протон. Но ако добавим един електрон към неутрален водороден атом, тогава ще имаме два валентни електрона. Ще го покажа ето тук. Това води до отрицателен формален заряд –1. Това е хидриден йон. Водород с два електрона и отрицателен формален заряд –1, се нарича хидрид. Хидридната миграция може да протече, за да се получи по-стабилен карбокатион. Да разгледаме този карбокатион тук. Знаем, че този въглерод има формален заряд +1. Тук има алкилова група, тук има втора алкилова група, така че това е вторичен карбокатион. И тук може да се извърши хидридна миграция. Преди да покажа хидридната миграция, ще видим отново едно видео, където ще използваме моделите. Това е този вторичен карбокатион. Виждаш, че разположението около този sp2-хибридизиран въглерод е равнинно. Можеш да видиш и празната р-орбитала тук с тези пластинки, и имаме две алкилови групи, директно свързани с този въглерод. Тук отдясно е метиловата група, отляво е тази алкилова група. Отзад имаме водород. Забележи, че има отдаване на електронна плътност от тази връзка към празната р-орбитала. Това спомага за стабилизиране на карбокатиона. Но нека да махна тези пластинки тук, и да покажа хидридната миграция. Спомни си, че хидрид е водород с два електрона, така че ще взема този водород и двата електрона от тази връзка и ще ги преместя от този въглерод при този въглерод вдясно. Това е хидридна миграция. Отляво взехме една връзка от този въглерод, така че той ще остане положително зареден, и трябва да е в една равнина, или плосък, но това не е заради модела. Трябваше тук да имам тетраедричен въглерод, и само след минутка ще взема нов модел, за да ти покажа, че това наистина е в една равнина. А тук отдясно трябва да е тетраедрално. Този въглерод премина от sp2-хибридизация в sp3. Нека да взема новия модел, с който по-добре може да се покаже как изглежда карбокатиона. Значи този въглерод е нашият sp2-хибридизиран въглерод, и можеш да видиш, че връзките около него са в една равнина. Това е третичен карбокатион. Тук имаме метилова група и тук имаме метилова група, а тук имаме алкилова група. Третичният карбокатион е по-стабилен от вторичния. И тук можеш да видиш, че имаме sp3-хибридизиран въглерод, така че връзките около този въглерод са тетраедрични. Той премина от равнинна (планарна) геометрия към тетраедрична. Хайде да покажем хидридната миграция, която видяхме в модела. Знаем, че към този въглерод има свързан водород. Този водород и тези два електрона могат да се преместят при този въглерод отдясно, за да се получи по-стабилен карбокатион. Ще покажа новия карбокатион. Ще го направя ето тук. Този въглерод ще го направя в червено, и този тук ще го оцветя в червено. Забележи, че взимаме връзката от този въглерод вляво. Това е този въглерод тук. Това е третичен карбокатион, както видяхме във видеото, така че ще поставя формален заряд +1 на този въглерод. Обърни внимание, че тук имаше водород при този въглерод в началото, и че той все още е тук в нашия третичен карбокатион. Можеш да го видиш по-добре във видеото. Но целта беше да се получи по-стабилен карбокатион чрез прегрупиране. Преминахме от вторичния карбокатион отляво към третичния карбокатион отдясно, който знаем, че е по-стабилен. И накрая да направим още един вид прегрупиране на карбокатиона. То се нарича метилова миграция. Този карбокатион е вторичен. Въглеродът с формален заряд +1 е свързан директно с метилова група и тази алкилова група тук. При метиловата миграция можем да вземем тази метилова група тук и можем да покажем как тази метилова група се премества от въглерода вляво при въглерода отдясно. Ще използвам различни цветове. За въглерода вляво ще използвам червено, а за въглерода отдясно ще използвам синьо. Метиловата група се премества от червения въглерод при синия въглерод. И сега ще покажа резултата от метиловата миграция. Сега ще имаме карбокатион, който изглежда ето така. Въглеродът в червено губи една връзка. Ето този въглерод в червено е sp3-хибридизиран, той е тетраедричен, но когато загуби връзка, тук е въглеродът в червено, който е sp2-хибридизиран и има равнинна геометрия, с формален заряд +1. Въглеродът в синьо, нека да го оградя, беше sp2-хибридизиран и планарен, но той получава метилова група, нали? Това е метиловата група, която той получава. А това е въглеродът в синьо, който преминава от sp2-хибридизация в sp3-хибридизация. Спомни си, че тук имаше водород при този въглерод в синьо в началото, и той все още е тук в нашия карбокатион. Така че това е третичен карбокатион, който знаем, че е по-стабилен от вторичния, следователно метиловата миграция доведе до по-стабилен карбокатион.