Carbocação: formação, características, tipos, estabilidades - Ciência - 2023

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UMA carbocátioComo o próprio nome indica, é um íon orgânico que possui um átomo de carbono carregado positivamente, que se caracteriza por ser altamente instável, existindo por pouco tempo. Geralmente é um intermediário nas reações orgânicas, ou seja, origina-se como etapas indispensáveis nos respectivos mecanismos moleculares.

Historicamente, houve pontos de conflito na compreensão do que é um carbocátion. Isso porque existem inúmeras moléculas reativas que, por um motivo ou outro, adquirem carga positiva em um de seus carbonos. O carbocátion clássico, por assim dizer, pode ser representado pela fórmula geral da imagem abaixo.

Observe como a carga positiva está localizada exatamente no átomo de carbono e que também está faltando uma ligação. Portanto, o carbocátion é deficiente em elétrons, sendo esta a causa de sua alta reatividade.

Suponha metano, CH₄. Se o carbono perdesse um de seus átomos de hidrogênio, estaríamos eliminando uma das quatro ligações C-H. Em seguida, o carbocátion metil, CH₃⁺, que poderíamos representar apenas colocando os átomos de hidrogênio nas extremidades das linhas da fórmula acima. O CH₃⁺ é o mais simples de todos os carbocations.

Treinamento

Como os carbocations são formados? A resposta está nos mecanismos das reações. No entanto, a grande maioria compartilha um dos seguintes dois aspectos em comum:

- Colapso heterolítico

-Adição de elétrons π a um eletrófilo

Ruptura heterolítica

Na clivagem heterolítica, a ligação C-G, sendo G qualquer átomo ou grupo, quebra-se de forma desigual: os elétrons da ligação permanecem com G, enquanto o átomo de carbono adquire uma carga positiva. Por exemplo:

Agora, essa quebra pode ocorrer por vários métodos, que por sua vez irão alterar o mecanismo e a reação considerada.

Adicionando elétrons π a um eletrófilo

O outro processo pelo qual um carbocátion é formado, muito comum em alquenos e compostos aromáticos, é através do ataque de elétrons de uma ligação dupla a um eletrófilo. Os casos mais comuns são as hidrogenações de alquenos pela ação de um ácido:

Esta equação corresponde à formação do carbocátion, que é umintermediário, não é um produto. Os elétrons π na ligação dupla atacam o hidrogênio em HCl, o eletrófilo. O hidrogênio é adicionado ao carbono à direita da ligação dupla, formando assim o grupo -CH₃, enquanto o carbono à esquerda assume uma carga positiva.

Caracteristicas

Hibridização

A fórmula geral apresentada no início revela uma geometria plana trigonal em torno do átomo de carbono. Isso se deve à hibridização que os orbitais atômicos de carbono sofrem para se tornarem orbitais híbridos sp.², que são separados em um ângulo de 120º. Embora não representado, o carbocátion tem um orbital p puro e vazio, capaz de aceitar elétrons.

Acidez

O carbocátion é uma espécie extremamente ácida, conforme definido por Brönsted ou Lewis. Sua carga positiva exige elétrons ou átomos de hidrogênio para liberá-los.É por esta razão que carbocations não podem ser formados em meios muito básicos, uma vez que reagiriam imediatamente para originar outros produtos.

Estabilidade

Hybridization sp² carbocátions o torna vulnerável ao ataque de espécies ricas em elétrons. Esta característica é ainda mais acentuada pela sua grande acidez. Conseqüentemente, o carbocátion é uma espécie muito reativa, que dificilmente se forma e após um curto período de tempo (em questão de nanossegundos) reage para dar origem ao verdadeiro produto da reação química.

Tipos de carbocations

Existem vários tipos de carbocations. No entanto, eles podem ser classificados de acordo com o seguinte:

-Primárias

-Secundário

-Terciário

- Aromáticos ou arilos

-Vinil e alílico

Primário

Exemplos de carbocations primários são mostrados acima. Eles são assim chamados porque a carga positiva reside em um carbono primário, primeiro, portanto, está ligada apenas a um átomo de carbono. Etano, CH₃CH₃, quando ele perde um H de cada extremidade, o carbocátion CH₃CH₂⁺ ou ⁺CH₂CH₃.

Secundário

Em carbocations secundários, a carga positiva está localizada em um carbono secundário, o 2º, que está ligado a dois átomos de carbono. Por exemplo, se para propano, CH₃CH₂CH₃, removemos um H do carbono central, teremos o carbocátion CH₃CH₂⁺CH₃.

Terciário

Em carbocations terciários, a carga positiva está localizada em um terceiro carbono terciário, ligado a três átomos de carbono. Observe que, ao contrário dos primeiros dois tipos de carbocações, eles não possuem átomos de hidrogênio.

Assim, temos metilpropano ou isobutano, CH (CH₃)₃, que ao perder um hidrogênio do carbono central forma o carbocátion ⁺C (CH₃)₃.

Aromatico

Os carbocatos aromáticos ou arilados são talvez os mais especiais de todos. Sua formação é muito semelhante à descrita para os alcenos na primeira seção.

Neles, a carga positiva está localizada, a princípio, em um dos carbonos de um anel aromático, como o benzeno. No entanto, a carga positiva não é fixa, mas está dispersa em outras posições do anel por ressonância.

É assim que a carga positiva, como visto acima, passa de um carbono para outro dentro do anel de benzeno. Esta característica confere a este carbocátio uma grande estabilidade contra outros tipos de carbocátio.

Allyl e vinil

Outros tipos especiais de carbocations são alílicos e vinílicos. A diferença entre eles (acima) é a posição da carga positiva em relação à ligação dupla.

No carbocátion vinílico a carga positiva está em um dos carbonos da ligação dupla; enquanto no carbocátion alílico, a carga positiva está localizada no carbono após a ligação dupla. Basta substituir os hidrogênios por outros grupos e teremos uma grande família de carbocatos alílicos e vinílicos.

Estabilidades Relativas

Sabendo quais são os principais tipos de carbocatos, eles podem ser solicitados com base em suas estabilidades relativas:

Vinil <Primário <Secundário <Alílico <Terciário <Aromático

Agora, pode haver carbocations alílicos que são mais estáveis do que um terciário específico. Tudo dependerá de seus substituintes.

Por que essa estabilidade? A capacidade da molécula de dispersar ou diminuir a carga positiva do carbocátion. Para isso, ele precisa de átomos próximos que dêem parte de sua densidade de elétrons ao carbocátion por meio de hiperconjugação. Enquanto isso, nos carbocatos alílicos e aromáticos, isso é obtido por ressonância.

No caso do carbocátion do vinil, a carga positiva está localizada em um carbono que já era sp², o que o torna muito instável.

Referências

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