
Un ion carbenio es un ion positivo con la estructura RR′R″C + , es decir, una especie química con un átomo de carbono que posee solo tres enlaces covalentes , por lo que tiene una carga formal de +1 . Los iones carbenio son un subconjunto importante de los carbocationes , que es un término general para los cationes diamagnéticos basados en carbono. Paralelamente a los iones carbenio existe otro subconjunto de carbocationes, los iones carbonio con la fórmula R 5 + . En los iones carbenio, la carga está localizada. Son isoelectrónicos con monoboranos como B(CH 3 ) 3 . [ 2 ]
Nomenclatura
Reactividad
Los iones carbenio son generalmente muy reactivos debido a que tienen un octeto incompleto de electrones; sin embargo, ciertos iones carbenio, como el ion tropilio , son relativamente estables debido a que la carga positiva está deslocalizada entre los átomos de carbono.
Reordenamientos
Los iones carbenio a veces se reorganizan fácilmente. Por ejemplo, cuando el pentan-3-ol se calienta con HCl acuoso, el carbocatión 3-pentilo formado inicialmente se reorganiza en una mezcla de 3-pentilo y 2-pentilo. Estos cationes reaccionan con el ion cloruro para producir 3-cloropentano y 2-cloropentano en una proporción aproximada de 1:2. [ 3 ] También se observa la migración de un grupo alquilo para formar un nuevo centro carbocatiónico. [ 4 ] Esto suele ocurrir con constantes de velocidad superiores a 10 10 s −1 a temperatura ambiente y sigue ocurriendo rápidamente (en comparación con la escala de tiempo de RMN) a temperaturas tan bajas como −120 °C ( véase el desplazamiento de Wagner-Meerwein ). En casos especialmente favorables como el catión 2-norbornilo, los desplazamientos de hidrógeno pueden seguir ocurriendo a velocidades lo suficientemente rápidas como para interferir con la cristalografía de rayos X a 86 K (−187 °C) . [ 5 ] Típicamente, los carbocationes se reorganizan para dar un isómero terciario. Por ejemplo, todos los isómeros de C 6 H + 11 se reorganizan rápidamente para dar el catión 1-metil-1-ciclopentilo. Este hecho a menudo complica las rutas sintéticas. Por ejemplo, cuando el 3-pentanol se calienta con HCl acuoso, el carbocatión 3-pentilo formado inicialmente se reorganiza en una mezcla estadística de 3-pentilo y 2-pentilo. Estos cationes reaccionan con el ion cloruro para producir aproximadamente un tercio de 3-cloropentano y dos tercios de 2-cloropentano. La alquilación de Friedel-Crafts sufre de esta limitación; por esta razón, la acilación (seguida de la reducción de Wolff-Kishner o Clemmensen para dar el producto alquilado) se aplica con mayor frecuencia.
Como electrófilos
Los carbocationes son susceptibles al ataque de nucleófilos , como agua, alcoholes, carboxilatos, azidas e iones haluro, para formar el producto de adición. Los nucleófilos fuertemente básicos, especialmente los impedidos estéricamente, favorecen la eliminación sobre la adición. Dado que incluso los nucleófilos débiles reaccionan con los carbocationes, la mayoría solo pueden observarse o aislarse directamente en medios no nucleofílicos como los superácidos . [ 6 ]

Tipos de iones carbenio
Estabilidad
El orden de estabilidad de los carbocationes, desde el más estable hasta el menos estable, según lo reflejan los valores de afinidad del ion hidruro (HIA), es el siguiente (valores de HIA en kcal/mol entre paréntesis):
Dado que los iones carbenio pueden ser altamente reactivos, una consideración importante es su estabilidad. La estabilidad de los iones carbenio se correlaciona con las propiedades donadoras de electrones de los sustituyentes. Los iones trialquilcarbenio, como ( CH₃ ) ₃C⁺ , se pueden aislar como sales, pero H₃C⁺ no . Una situación análoga se aplica a los iones triarilcarbenio: las sales de trifenilcarbenio (C₅H₅ ) ₃C⁺ se aíslan fácilmente (véase tritilo ), y aquellas con sustituyentes amina son tan robustas que se utilizan como colorantes, por ejemplo, violeta cristal . Los iones carbenio también pueden estabilizarse mediante conjugación con dobles enlaces, dando lugar a cationes alilo, que disfrutan de cierta estabilización por resonancia . Esta situación se ilustra con el aislamiento del benceno protonado. [ 7 ] Los heteroátomos con pares de electrones no enlazantes también estabilizan los iones carbenio. [ 8 ]
iones alquilio

La estabilidad de los carbocationes sustituidos con alquilo sigue el orden 3° > 2° > 1° > metilo . Esta tendencia se puede inferir a partir de los valores de afinidad del ion hidruro (231, 246, 273 y 312 kcal / mol para ( CH₃ ) ₃C⁺ , ( CH₃ ) ₂CH⁺ , CH₃CH⁺₂ y CH⁺₃ ) . [ 9 ] El efecto de la sustitución con alquilo es fuerte:
- Los cationes terciarios son estables y muchos son directamente observables en medios superácidos. La estabilización por grupos alquilo se explica por la hiperconjugación . [ 10 ] La donación de densidad electrónica de un enlace β CH o CC al orbital p desocupado del carbocatión (una interacción σ CH/CC → p) permite que la carga positiva se deslocalice.
- Los cationes secundarios suelen ser transitorios. Solo se han observado en disolución los cationes isopropilo, s -butilo y ciclopentilo. [ 11 ]
- Carbocationes primarios en la fase de solución, incluso como intermedios transitorios (el catión etilo se ha propuesto para reacciones en ácido sulfúrico al 99,9% y en FSO₂OH · SbF₅ ) , [ 12 ] y el catión metilo solo se ha identificado inequívocamente en la fase gaseosa. En la mayoría, si no en todos los casos, el estado fundamental de los supuestos iones carbenio primarios consiste en estructuras puenteadas en las que la carga positiva es compartida por dos o más átomos de carbono y se describen mejor como alquenos protonados lateralmente, ciclopropanos protonados en el borde o ciclopropanos protonados en la esquina en lugar de verdaderos cationes primarios. [ 13 ] [ 14 ] Se ha demostrado experimental y computacionalmente que el catión etilo simple, C₂H⁺₅ , es puenteado [ 15 ] y puede pensarse como una molécula de etileno protonada simétricamente. Lo mismo es cierto para homólogos superiores como los cationes 1-propilo y 1-butilo . [ 16 ] Se cree que los derivados de neopentilo se ionizan con la migración concomitante de un grupo metilo ( asistencia anquimérica ); por lo tanto, en la mayoría de los casos, si no en todos, no se cree que esté involucrado un catión neopentilo discreto. [ 17 ]
Los iones carbenio se pueden preparar directamente a partir de alcanos eliminando un anión hidruro , H −, con un ácido fuerte. (De forma equivalente, los iones carbonio correspondientes tienden a eliminar H 2 .) Por ejemplo, el ácido mágico , una mezcla de pentafluoruro de antimonio ( SbF5 ) yácido fluorosulfúrico(FSO)3 H), convierteel isobutanoen el catión trimetilcarbenio,(CH3 )3 C +. [ 18 ] [ 19 ]

Efectos estabilizadores adicionales
Un carbocatión puede estabilizarse por resonancia mediante un doble enlace carbono-carbono o por el par solitario de un heteroátomo adyacente al carbono ionizado. El catión alilo CH₂ = CH−CH⁺² y el catión bencilo C₆H₅−CH⁺² son más estables que la mayoría de los demás iones carbenio debido a la donación de densidad electrónica de los sistemas π al centro catiónico. [ 20 ] Los carbocationes doblemente y triplemente bencílicos, el catión difenilcarbenio y el catión trifenilcarbenio (tritilo), son particularmente estables. Por las mismas razones, el carácter p parcial de los enlaces C–C tensionados en los grupos ciclopropilo también permite la donación de densidad electrónica [ 21 ] y estabiliza el catión ciclopropilmetilo (ciclopropilcarbinilo).
Los iones oxocarbenio e iminio poseen importantes formas canónicas secundarias (estructuras de resonancia) en las que el carbono presenta una carga positiva. Por ello, se consideran carbocationes según la definición de la IUPAC, aunque algunos químicos no los consideran carbocationes "verdaderos", ya que sus principales contribuyentes de resonancia portan la carga positiva formal en un átomo de oxígeno o nitrógeno, respectivamente.

iones carbenio aromáticos

El ion tropilio es una especie aromática con la fórmula C7 H + 7 . [ 22 ] Su nombre deriva de la moléculatropina(que a su vez recibe su nombre de la moléculaatropina). Las sales del catión tropilio pueden ser estables, por ejemplo,el tetrafluoroborato de tropilio. Se puede obtener a partir decicloheptatrieno(tropilideno) ybromoopentacloruro de fósforo. [ 23 ]
Es un ion plano, cíclico y heptagonal ; además, posee 6 electrones π (4n + 2 , donde n = 1), lo que cumple la regla de aromaticidad de Hückel . Puede coordinarse como ligando con átomos metálicos .
La estructura mostrada es un compuesto de siete contribuyentes de resonancia en el que cada átomo de carbono porta parte de la carga positiva.
En 1891, G. Merling obtuvo una sal soluble en agua a partir de una reacción de cicloheptatrieno y bromo. [ 24 ] La estructura fue dilucidada por Eggers Doering y Knox en 1954. [ 25 ] [ 26 ]
Por otro lado, el catión ciclopentadienilo antiaromático ( C 5 H + 5 ) se desestabiliza en unos 40 kcal/mol.
Otro ion carbenio aromático es el ion ciclopropenilo o ciclopropenio , C3 H + 3 . [ 27 ] Aunque menos estable que el catión tropilio, este ion carbenio también puede formar sales a temperatura ambiente. Las soluciones de dichas sales exhibieron propiedades espectroscópicas y químicas convencionales. El catión ciclopropenio (C3H + 3 ), aunque algo desestabilizado por la tensión angular, todavía está claramente estabilizado por aromaticidad cuando se compara con su análogo de cadena abierta, el catión alilo.
Estas diferentes estabilidades catiónicas, que dependen del número de electrones π en el sistema anular, pueden ser factores cruciales en la cinética de la reacción. La formación de un carbocatión aromático es mucho más rápida que la de un carbocatión antiaromático o de cadena abierta.

iones arenio
Un ion arenio es un catión ciclohexadienilo que aparece como un intermedio reactivo en la sustitución aromática electrofílica . [ 28 ] Por razones históricas, este complejo también se denomina intermedio de Wheland , [ 29 ] o complejo σ .
Dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de carbono se encuentran en un plano perpendicular al anillo de benceno. [ 30 ] El ion arenio ya no es una especie aromática; sin embargo, es relativamente estable debido a la deslocalización: la carga positiva se deslocaliza sobre 5 átomos de carbono. También contribuye a la estabilidad de los iones arenio la ganancia de energía resultante del fuerte enlace Ce (E = electrófilo).
El ion arenio más pequeño es el benceno protonado , C6 H + 7 . Elion benceniopuede aislarse como un compuesto estable cuando el benceno se protona con elsuperácido carborano, H(CB11H(CH3)5Br6). [ 31 ] La sal de bencenio es cristalina con estabilidad térmica hasta 150 °C.Las longitudes de enlacededucidas dela cristalografía de rayos Xson consistentes con una estructura de catión ciclohexadienilo.
iones acilio
Un ion acilio es un catión con la fórmula RCO + . [ 32 ] La estructura se describe como R−C≡O + o R− + C =O. Es un carbocatión acilo, pero la estructura real tiene el oxígeno y el carbono unidos por un triple enlace. Estas especies son intermedios reactivos comunes, por ejemplo, en las acilaciones de Friedel-Crafts y también en muchas otras reacciones orgánicas, como el reordenamiento de Hayashi . Las sales que contienen iones acilio se pueden generar mediante la eliminación del haluro de los haluros de acilo :
- RCOCl + SbCl 5 → RCO + SbCl − 6
La distancia C–O en estos cationes es cercana a 1,1 ångströms , incluso más corta que la del monóxido de carbono . [ 33 ] Los cationes acilio son fragmentos característicos observados en los espectros de masas EI- de cetonas .
Iones de carbenio vinílicos y alquinílicos
Según la afinidad del ion hidruro, el catión vinilo original (HIA = 287 kJ/mol) es menos estable que incluso un carbocatión primario (HIA = 266 kJ/mol), mientras que un catión vinilo α-alquil-sustituido (HIA = 258 kJ/mol) tiene una estabilidad intermedia entre un carbocatión primario y uno secundario. [ 34 ]
Por lo tanto, los cationes vinilo son intermedios relativamente poco comunes. Se pueden generar por la ionización de un electrófilo vinilo, siempre que el grupo saliente sea suficientemente bueno (por ejemplo, TfO −, IPh o N2 ). Se les ha implicado como intermedios en algunas reacciones de sustitución vinílica (designadas como SN1(vinilo)) y como intermedios en las reacciones de adición electrofílica de arilalquinos. Con excepción del catión vinilo original, que se cree que es una especie puenteada, y los cationes vinilo cíclicos con restricciones geométricas, la mayoría de los cationes vinilo adoptan hibridación sp y son lineales.
Los cationes arilo son menos estables que los cationes vinilo debido a la distorsión impuesta por el anillo a una geometría no lineal y al carácter aproximadamente sp² del orbital desocupado. Solo el N₂ en las sales de arildiazonio es un grupo saliente suficientemente bueno para la generación química de cationes arilo. [ 35 ]
Los cationes alquinilo son extremadamente inestables, mucho menos estables incluso que el CH + 3 (afinidad del ion hidruro 386 kcal/mol frente a 312 kcal/mol para el CH + 3 ) y no pueden generarse por medios puramente químicos. Sin embargo, pueden generarse radioquímicamente mediante la desintegración beta del tritio : [ 36 ]
Aplicaciones seleccionadas

Los iones carbenio están tan integrados en la química orgánica que un inventario completo de sus reacciones comercialmente útiles sería extenso. Por ejemplo, el craqueo catalítico , una etapa importante en el refinado de petróleo, involucra intermedios de iones carbenio. [ 37 ]
La alquilación del benceno con alfa-olefinas para obtener alquilbencenos lineales (LAB) ilustra el comportamiento de los iones carbenio secundarios. La alquilación se inicia con ácidos fuertes. Los LAB son un precursor clave de los detergentes .
Los derivados del trifenilcarbenio son los colorantes triarilmetánicos . [ 38 ]
Los iones acilio son intermediarios en las acilaciones de Friedel-Crafts y en las reacciones de Koch .
Véase también
Referencias
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