Concetti Chiave
- La formazione del carbocatione avviene in due fasi, con il primo step che determina la velocità della reazione a causa della sua maggiore energia di attivazione.
- I carbocationi terziari sono più stabili e si formano più rapidamente rispetto ai carbocationi secondari e primari grazie alla loro minore energia di attivazione.
- La stabilità dei carbocationi alchilici è influenzata dalla dispersione della carica positiva, che avviene tramite lo spostamento di densità elettronica dai legami C-H e C-C verso il carbonio positivo.
- L'acidità degli idrocarburi aumenta con l'ibridazione del carbonio, passando da alcani (pKa ~60) a alcheni (pKa 40-45) e alchini (pKa 30-35).
- Un aumento del carattere s negli orbitali ibridi porta a elettroni più vicini al nucleo, rendendo i protoni degli alcheni e alchini più dissociabili rispetto agli alcani.
Qual è la formazione del carbocatione?
Se faccio il diagramma della razione elettrofila ho 2 step:
• 1° step: i reagenti formano il carbocatione, per fare questo devono superare una certa barriera energetica (il carbocatione si presenta in una valle, non in un picco, possiamo quindi trovarlo come specie)
• 2° step: si ha la conversione del carbocatione nel prodotto finale
La parte che determina la velocità è la prima visto che ha un energia di attivazione nettamente superiore a quella del secondo stadio: visto che il carbocatione terziario ha energia minore di quello secondario etc., presenterà anche una minore energia di attivazione per la sua formazione, dunque si formerà più velocemente degli altri e la reazione finale porterà al prodotto relativo. Nei carbocationi alchilici la dispersione e stabilizzazione della carica si realizza perché c’è uno spostamento di densità elettronica dai legami π C-H e C-C in direzione dell’atomo di C positivo. Ciò accade quando tali legami si allineano con l’orbitale p vuoto del C+. Più numerosi sono i legami C-C che forniscono elettroni per disperdere la carica positiva, più stabile è il carbocatione. Il legame C-H non è polare data la poca differenza di elettronegatività tra C e H; il protone dunque non tende a essere dissociato, così gli alcani hanno pKa nell'ordine di 60, dunque nel range del pH da 1 a 14 sono sempre protonati.
Acidità e ibridazione degli idrocarburi
Il valore passa da 60 degli alcani a circa 40-45 per gli alcheni a 30-35 per gli alchini. Anche alcheni e alchini sono sempre protonati, ma se li confronto tra loro l'acidità di un alchino è maggiore di quella di un alchene che è maggiore di quella di un alcano: se consideriamo l'ibridazione del C, aumenta il carattere S man mano che aumento i doppi legami; questo vuol dire elettroni più vicini al nucleo e protoni più dissociabii.
Domande da interrogazione
- Qual è il processo di formazione di un carbocatione e quali fattori influenzano la sua stabilità?
- Come varia l'acidità degli idrocarburi in base alla loro struttura?
- Perché gli alcani, alcheni e alchini sono sempre protonati?
La formazione di un carbocatione avviene in due step: nel primo, i reagenti superano una barriera energetica per formare il carbocatione, mentre nel secondo si converte in prodotto finale. La stabilità del carbocatione è influenzata dalla sua struttura; i carbocationi terziari sono più stabili e si formano più rapidamente rispetto ai secondari e primari, grazie alla dispersione della carica positiva attraverso legami C-C e C-H (testo).
L'acidità degli idrocarburi aumenta passando dagli alcani (pKa circa 60) agli alcheni (pKa circa 40-45) e agli alchini (pKa circa 30-35). Questo incremento è legato all'ibridazione del carbonio, dove un maggiore carattere S porta a elettroni più vicini al nucleo e protoni più dissociabili (testo).
Gli alcani, alcheni e alchini sono sempre protonati a causa della loro bassa differenza di elettronegatività tra carbonio e idrogeno, che rende i legami C-H non polari. Di conseguenza, anche se l'acidità aumenta con la struttura, rimangono sempre protonati nel range di pH da 1 a 14 (testo).
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