เคมี Carbanion

Carbanionสมาชิกของกลุ่มสารประกอบอินทรีย์ที่ประจุไฟฟ้าลบติดอยู่ในอะตอมของคาร์บอน Carbanions นั้นได้มาจากโมเลกุลอินทรีย์ที่เป็นกลางโดยการกำจัดอะตอมที่มีประจุบวกหรือกลุ่มของอะตอมและมันมีความสำคัญอย่างมากในฐานะตัวกลางทางเคมีนั่นคือเป็นสารที่ใช้ในการเตรียมสารอื่น ๆ ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมที่สำคัญรวมถึงพลาสติกที่มีประโยชน์ถูกผลิตขึ้นโดยใช้ carbanions

carbanion ที่ง่ายที่สุดคือ methide ion (CH ^- ₃) มาจากมีเธนสารประกอบอินทรีย์ (CH ₄) โดยการสูญเสียโปรตอน (ไฮโดรเจนไอออน H ⁺) ดังแสดงในสมการทางเคมีต่อไปนี้:

ซึ่งสัญลักษณ์ C และ H เป็นตัวแทนตามลำดับอะตอมของคาร์บอนและไฮโดรเจน ตัวห้อยแสดงจำนวนของอะตอมของแต่ละชนิดที่รวมอยู่ในโมเลกุล เครื่องหมายบวกและลบแสดงเครื่องหมายตามลำดับประจุบวกและลบ; และลูกศรสองครั้งแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาที่แสดงสามารถดำเนินต่อไปในทิศทางไปข้างหน้าหรือทิศทางย้อนกลับซึ่งเป็นเงื่อนไขที่เรียกว่าการย้อนกลับได้

โครงสร้างโมเลกุล

ในการหารือเกี่ยวกับโครงสร้างของ carbanions เราจะต้องแยกแยะความแตกต่างระหว่างไอออนของท้องถิ่น ในอดีตประจุลบนั้นถูกกักขังอยู่ในอะตอมของคาร์บอนหนึ่งอะตอมส่วนใหญ่จะถูกกระจายไปทั่วอะตอมหลายอะตอม

ไอออนที่มีการแปล

carbanion ที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นที่ง่ายที่สุดคือ methide ion (CH ^- ₃) มันคือ isoelectronic (มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเหมือนกัน) กับโมเลกุลของแอมโมเนียที่เป็นกลาง (สูตร NH ₃, N เป็นสัญลักษณ์ทางเคมีสำหรับอะตอมไนโตรเจน) รูปทรงเรขาคณิตของ methide ion นั้นมีรูปร่างที่ดีที่สุดคือปิรามิดที่มีอะตอมของคาร์บอนที่ปลายสุดซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกับโมเลกุลของแอมโมเนีย โครงสร้างทั้งสองจะแสดงด้านล่าง:

ซึ่งเส้นทึบเป็นตัวแทนของพันธะระหว่างอะตอมและเส้นประเพียงระบุฐานของปิรามิด

อิออนที่แยกตัว

carbanion allyl (สูตร C ₃ H ^- ₅) ซึ่งเป็นหน่วยที่ซับซ้อนกว่าไอออนเมทิลไอออนทำหน้าที่เป็นต้นแบบสำหรับโครงสร้างของ carbanions delocalized มันได้มาจากสารโพรพีนโดยการสูญเสียโปรตอนดังแสดงในสมการด้านล่างและโครงสร้างของมันมีลักษณะที่ดีที่สุดโดยความสัมพันธ์“ เสียงสะท้อน” ที่แสดงโดยสูตรสองสูตรที่อยู่ภายในวงเล็บเหลี่ยม:

สาร (เช่น allyl carbanion) ซึ่งมีสูตรโครงสร้างแสดงในรูปแบบของเรโซแนนซ์แยกต่างหากจะถือว่ามีโครงสร้างไฮบริดที่คล้ายกับทุกรูปแบบเสียงสะท้อน แต่แสดงออกอย่างแท้จริงโดยไม่มีพวกเขาคนเดียว

ตัวอย่างเพิ่มเติมของ carbanion ชนิดนี้คือประจุลบ benzylic (แสดงด้านล่าง) ซึ่งประจุลบสามารถกระจายไปทั่วระบบ pi-bond ที่ยาวขึ้นซึ่งรวมถึงวงแหวนอะโรเมติก (วงกลมของอะตอมคาร์บอนที่เข้าร่วมโดย sigma และ pi พันธบัตร) การกำหนดเสียงสะท้อนของประจุลบนี้ให้ไว้ด้านล่าง:

ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับ carylion allyl เป็นแอนไอออน anolate ซึ่งหนึ่งในอะตอมของคาร์บอนจะถูกแทนที่ด้วยอะตอมออกซิเจน ไอออนของ Enolate เป็นอนุพันธ์ของคีโตนและอัลดีไฮด์ (สารประกอบที่มีพันธะคู่ระหว่างอะตอมของคาร์บอนและออกซิเจน) ซึ่งพวกมันสามารถสร้างขึ้นได้โดยการกำจัดโปรตอนจากอะตอมของคาร์บอนที่อยู่ถัดจากคาร์บอนของกลุ่มคาร์บอนิล รูปแบบการกำทอนของไอออน enolate มีดังนี้:

เนื่องจากอิเล็กตรอน (electronegativity) ของออกซิเจนดึงดูดมากขึ้นเมื่อเทียบกับคาร์บอนโครงสร้างของเสียงสะท้อนที่มีประจุลบกับออกซิเจนก่อให้เกิดมากกว่าครึ่งหนึ่งของการเป็นตัวแทนที่แท้จริงของสารประกอบ ในอีกนัยหนึ่งไอออน enolate กล่าวอีกนัยหนึ่งอะตอมออกซิเจนมีประจุลบมากกว่าอะตอมคาร์บอน

ไอออนคู่

ในโซลูชันที่มี carbanions จะต้องมีประจุบวกที่สอดคล้องกัน (ไอออนบวก) สำหรับแต่ละ carbanion หากประจุทั้งสองมีประจุตรงข้ามกันใกล้กันพันธะโควาเลนต์ (ไม่มีประจุ) อาจก่อตัวขึ้น ปฏิกิริยานี้แสดงโดยสมดุลที่ตามมา:

ในกรณีส่วนใหญ่ M นั้นเป็นอะตอมโลหะ เนื่องจาก carbanion ที่กำหนดปฏิกิริยาของการไอออไนซ์ได้รับการสนับสนุนโดยความสัมพันธ์อิเล็กตรอนต่ำของไอออนบวกคาร์บาเนียนไอออนที่ใหญ่ที่สุดของสารประกอบดังกล่าวจะถูกจัดแสดงเมื่ออะตอม M เป็นโลหะอัลคาไล - ลิเธียมโซเดียมโปแตสเซียม แม้ในกรณีที่มีแนวโน้มที่จะก่อให้เกิดพันธะโควาเลนต์ แต่ก็ไม่สามารถสังเกตได้ว่าคุณสมบัติของ carbanions อิสระ สถานการณ์นี้เกิดขึ้นจากความจริงที่ว่ามีแรงดึงดูดระหว่างประจุบวกกับประจุลบซึ่งนำไปสู่การจับคู่ไอออนที่มีประจุตรงข้ามกัน คู่ไอออน "ที่รัดกุม" ที่เกิดขึ้นนั้นสามารถแตกสลายได้ก็ต่อเมื่อปฏิสัมพันธ์ของไอออนแต่ละตัวกับตัวทำละลายมีขนาดใหญ่พอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างไอออน ดังนั้นเฉพาะในตัวทำละลายที่สามารถละลายไอออนได้อย่างน้อยหนึ่งชนิดเท่านั้นที่สามารถกำจัด carbanions ได้ ตัวอย่างของตัวทำละลายที่มีแนวโน้มรุนแรงในการละลายแคทไอออน ได้แก่ อีเทอร์และไดเมทิลซัลฟอกไซด์ โดยทั่วไปแล้วพลังงานที่จำเป็นในการแยกคู่ไอออนจะมีขนาดใหญ่ขึ้นเมื่อประจุของไอออนมีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นมากกว่าเมื่อมีการแยกตัว ในความเป็นจริงถ้าคาร์บิออนได้มาจากสารประกอบอัลเคนแบบง่าย ๆ ของคาร์บอนและไฮโดรเจนตัวอย่างเช่นไอออนเมทิล (ด้านบน) จะไม่มีตัวทำละลายทั่วไปที่ให้พลังงานการละลายเพียงพอที่จะแยกคู่ไอออนและนั่นคือในเวลาเดียวกัน เฉื่อยต่อปฏิกิริยาทางเคมีกับประจุลบ ดังนั้นสารประกอบของโลหะอัลคิลอัลคาไลจึงไม่แตกตัวเป็นไอออนอิสระและคุณสมบัติของพวกมันเป็นลักษณะของคู่ไอออนเท่านั้น

การจัดเตรียม

การเตรียมสารประกอบอินทรีย์โลหะอัลคาไล - โลหะใด ๆ เป็นแหล่งที่มาของ carbanions ปฏิกิริยาของสารประกอบอินทรีย์ที่ประกอบด้วยอะตอมของคลอรีนโบรมีนหรือไอโอดีนกับโลหะอัลคาไลเป็นหนึ่งในวิธีการที่ใช้บ่อยที่สุด ปฏิกิริยานี้สามารถแสดงออกได้: