GS. ts. Ngnd. ĐÀo hùng cưỜng chuyêN đỀ tỔng hỢp hỮu cơ 2011 chưƠng I

Về mặt lý thuyết ta có thể cho rằng cacbôcation có cấu trúc phẳng tương tự R₃B hoặc cấu trúc hình tháp tương tự R₃N.

Nếu cacbôcation có cấu trúc phẳng như triankyl bo thì trong quá trình nghịch Cl^(-) có thể tấn công nguyên tử cacbon mang điện dương từ hai phía với xác suất như sau:

kết quả sẽ tạo ra biến thể raxemic, và R₁R₂R₃C-Cl trong SO₂ lỏng sẽ bị raxemic hoá.

kết quả là cấu hình của phân tử phải được bảo toàn.

Thực tế cho thấy rằng các phân ly thành cacbôcation như trên đối với hợp chất cacbon bất đổi luôn luôn kèm theo sự giảm năng suất quay cực. Dữ kiện này cùng với các dữ kiện thực nghiệm khác chứng tỏ rằng cacbôcation có cấu trúc phẳng hay gần như phẳng. Thuyết cơ lượng tử củng cho kết quả tương tự.

Trong trường hợp cacbôcation triarylmêtyl ta hiểu cấu trúc phẳng là ba trục xuất phát từ nguyên tử cacbon mang điện dương xuyên qua các vị trí 1,4 của vòng benzen đều ở trên một mặt phẳng. Còn ba vòng không nhất thiết ở trên mặt phẳng đó mà bị lệch đi trong không gian (do ảnh hưởng không gian) tương tự như ba cánh của một chiếc quạt bàn.

Trong các cation xyclôpropy ba liên kiết C-C ở trên một mặt phẳng, còn vòng xyclôpropan tạo thành mặt phẳng khác nhau thẳng góc với mặt phẳng vừa nói và song song với trục của obitan p còn trống của nguyên tử C⁽⁺⁾. Thí dụ:

Cấu trúc phẳng là điều kiện cần để cho cacbôcation tồn tại . Vì thế, khác với triphênyclomêtan, 1-brômtryptyxen (A) trong SO₂ lỏng không cho dung dịch màu và củng không dẫn điện. Khác với triphênylcacbinol, 1 – hyđrôxytryptyxen (B) trong H₂SO₄ đặc cũng khong cho dung dịch màu. Những điều đó chứng tỏ chúng rất khó tạo ra cacbôcation hình tháp.

Độ bền tương đối của các ion cacbôni có liên quan chặt chẽ tới sự phân bố điện tích (cấu trúc tinh vi) trong toàn bộ ion. Điện tích càng được giải toả rộng ra nhiều nguyên tử trong ion thì độ bền tương đối càng cao.

Vì vậy, trong dãy cation ankyl cũng như trong dãy các cation arlmêtyl, bậc của cation càng cao độ bền của cation càng lớn:

Dãy thứ hai thường có độ bền tương đối cao hơn dãy thứ nhất vì hiệu ứng +C của nhóm aryl mạnh hơn hiệu ứng +H của nhóm ankyl. Tương tự như vậy, sự có mặt của nhóm viryl ở C (Cation alyl) làm cho độ bền của cation tăng lên rõ rệt:

Kết quả tính toán điện tích dương theo các phương pháp hoá lượng củng như các kết quả khảo sát bằng các phương pháp vật lý đã xác nhận có sự giải toả điện tích dương trong cacbôcation liên hợp ở trên. Thí dụ theo phương pháp MO Hucken điện tích dương ở một số cacbôcation được giải toả như sau:

(Sinh ra tử CH₃ = CHCH₂Cl (Sinh ra từ C₆­H₅CH₂CH₂Br)

hoặc từ xiclô-C₆H₅CH₂Cl)

Sự xuất hiện tính bền vững đặc biệt của các cation “thơm” (thí dụ ion trôpili) cũng do sự liên hợp và các đặc tính khác của vòng thơm gây nên.