Номер 103, страница 24 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

1.103. Расположите следующие карбокатионы в порядке увеличения устойчивости и обоснуйте свой выбор:

Карбокатионы в порядке увеличения их устойчивости располагаются следующим образом:

$CH_3-CH_2^+$ < $CH_2=CH-CH_2^+$ < $CH_3-CH^+-CH_3$ < $(CH_3)_3C^+$ < $C_6H_5-CH_2^+$

Обоснование

Устойчивость карбокатионов определяется степенью делокализации (рассредоточения) положительного заряда. Чем сильнее делокализован заряд, тем стабильнее частица. Основными факторами, влияющими на устойчивость карбокатионов, являются индуктивный эффект, гиперконъюгация и резонанс (мезомерный эффект).

1. Этил-катион ($CH_3-CH_2^+$)

Это первичный ($1^\circ$) карбокатион. Положительный заряд на атоме углерода стабилизирован слабо: за счет положительного индуктивного эффекта (+I) одной метильной группы и за счет гиперконъюгации (сверхсопряжения) с тремя $\alpha$-водородными атомами метильной группы. Среди представленных катионов он является наименее устойчивым.

2. Аллил-катион ($CH_2=CH-CH_2^+$)

Это также первичный карбокатион, однако он стабилизирован за счет резонанса. Пустая p-орбиталь катионного центра сопряжена с $\pi$-системой двойной связи (p,$\pi$-сопряжение), что приводит к делокализации положительного заряда между двумя крайними атомами углерода:

$[ CH_2=CH-\stackrel{+}{C}H_2 \leftrightarrow \stackrel{+}{C}H_2-CH=CH_2 ]$

Резонансная стабилизация является более сильным эффектом, чем гиперконъюгация в этил-катионе, поэтому аллил-катион значительно более устойчив.

3. Изопропил-катион ($CH_3-CH^+-CH_3$)

Это вторичный ($2^\circ$) карбокатион. Его устойчивость выше, чем у первичных катионов, благодаря двум факторам: +I эффекту от двух метильных групп и гиперконъюгации с шестью $\alpha$-водородными атомами. Хотя в аллил-катионе присутствует резонанс, в данном случае суммарный стабилизирующий эффект от двух алкильных групп и большего числа структур гиперконъюгации на вторичном, более замещенном, углеродном атоме оказывается сильнее, чем резонансная стабилизация в первичном аллил-катионе. Поэтому изопропил-катион более устойчив, чем аллил-катион.

4. трет-Бутил-катион ($(CH_3)_3C^+$)

Это третичный ($3^\circ$) карбокатион. Он стабилизирован +I эффектом трех метильных групп и максимальным для данных алкильных катионов числом структур гиперконъюгации (девять $\alpha$-водородных атомов). Эффективная делокализация заряда делает его очень устойчивым, значительно более устойчивым, чем вторичный изопропил-катион.

5. Бензил-катион ($C_6H_5-CH_2^+$)

Хотя формально это первичный карбокатион, он является наиболее устойчивым в данном ряду. Это связано с очень эффективной делокализацией положительного заряда по сопряженной $\pi$-системе бензольного кольца. Пустая p-орбиталь бензильного атома углерода вступает в сопряжение с шестью $\pi$-электронами кольца, в результате чего заряд рассредоточивается по бензильному атому углерода и орто-, пара-положениям ароматического кольца. Этот мощный резонансный эффект обеспечивает гораздо большую стабилизацию, чем гиперконъюгация в трет-бутил-катионе.

Ответ:

Порядок увеличения устойчивости карбокатионов следующий:

$CH_3-CH_2^+$ (этил-катион) < $CH_2=CH-CH_2^+$ (аллил-катион) < $CH_3-CH^+-CH_3$ (изопропил-катион) < $(CH_3)_3C^+$ (трет-бутил-катион) < $C_6H_5-CH_2^+$ (бензил-катион).