„Carbanion“ - bet kuris organinių junginių klasės narys, kuriame neigiamas elektros krūvis yra daugiausia anglies atome. Carbanionai formaliai gaunami iš neutralių organinių molekulių pašalinant teigiamai įkrautus atomus ar atomų grupes, ir jie svarbūs kaip tarpiniai cheminiai produktai, tai yra kaip medžiagos, naudojamos ruošiant kitas medžiagas. Svarbūs pramonės produktai, įskaitant naudingus plastikus, gaminami naudojant karbanionus.
Paprasčiausias carbanionas, metido jonas (CH - 3), gaunamas iš organinio junginio metano (CH 4) praradus protoną (vandenilio joną, H +), kaip parodyta šioje cheminėje lygtyje:
kurioje simboliai C ir H reiškia atitinkamai anglies ir vandenilio atomus; indeksai rodo kiekvienos rūšies atomų, įtrauktų į molekules, skaičių; Viršutiniai pliuso ir minuso ženklai atitinkamai rodo teigiamus ir neigiamus užtaisus; ir dvigubos rodyklės rodo, kad parodyta reakcija gali vykti tiek pirmyn, tiek atgal, tai yra būklė, vadinama grįžtamumu.
Molekulinės struktūros.
Aptariant karbanionų struktūrą, reikia atskirti lokalizuotus ir delokalizuotus jonus. Pirmuosiuose neigiamas krūvis iš esmės apsiriboja vienu anglies atomu, tuo tarpu pastaruoju atveju jis pasiskirsto keliems atomams.
Lokalizuoti jonai.
Paprasčiausias lokalizuotas carbanionas yra metido jonas (CH - 3). Ji yra izoelektroninėje (ji turi identišką elektronų konfigūraciją) su neutralaus molekulės amoniako (NH formulė 3, kur n yra cheminė medžiaga simbolis azoto atomu,). Metido jonų geometriją geriausiai atspindi piramidė, kurios viršūnėje yra anglies atomas, struktūra panaši į amoniako molekulės struktūrą. Abi struktūros parodytos žemiau:
kuriose vientisos linijos žymi ryšius tarp atomų, o punktyrinės linijos tik nurodo piramidžių pagrindus.
Delokalizuoti jonai.
Alilo sulfinilo karbanijono (formulė, C 3 H - 5), šiek tiek išsamesnis vienetas nei metidu jonų, tarnauja kaip iš delocalized karbanijonų struktūrų prototipo. Jis gaunamas iš propeno medžiagos praradus protoną, kaip parodyta toliau pateiktoje lygtyje, o jo struktūrą geriausiai apibūdina „rezonanso“ santykis, išreikštas dviem formulėmis, užklijuotomis skliausteliuose:
Laikoma, kad medžiaga (tokia kaip alilo karbanionas), kurios struktūrinė formulė yra išreikšta atskiromis rezonanso formomis, turi hibridinę struktūrą, panašią į visas rezonanso formas, bet iš tikrųjų neišreiškia nė viena iš jų.
Papildomas tokio tipo karbaniono pavyzdys yra benzilo anijonas (parodytas žemiau), kuriame neigiamas krūvis gali būti paskirstytas per daug išplėstinę pi-obligacijų sistemą, kuri apima aromatinį žiedą (anglies atomų ratą, sujungtą sigma ir pi obligacijos). Šios anijono rezonansinė formuluotė pateikiama žemiau:
Su alilo karbanionu glaudžiai susiję enolato anijonai, kuriuose vienas iš anglies atomų yra pakeistas deguonies atomu. Eolato jonai yra ketonų ir aldehidų dariniai (junginiai, turintys dvigubą jungtį tarp anglies ir deguonies atomų), iš kurių juos galima gauti abstrakcijos metu iš anglies atomo, esančio šalia karbonilo grupės anglies, protono. Enolato jonų rezonansinės formos yra tokios, kaip pavaizduota žemiau:
Dėl deguonies, palyginti su anglimi, didesnio traukos elektronų (elektronegatyvumo), rezonansinė struktūra, turinti neigiamą deguonies krūvį, sudaro daugiau nei pusę tikrojo junginio vaizdavimo. Kitaip tariant, tipiniame enolato jone deguonies atomas turi daugiau neigiamo krūvio nei anglies atomas.
Jonų poros.
Tirpale, kuriame yra carbanionai, kiekvienam carbanion turi būti atitinkamas katijonas (teigiamas jonas). Jei du priešingo krūvio jonai glaudžiai kontaktuoja vienas su kitu, gali susidaryti kovalentinė (nejoninė) jungtis. Šią reakciją parodo pusiausvyra, kuri susidaro taip:
kurioje M daugeliu atvejų yra metalo atomas. Kadangi tam tikram karbanionui jonizacijos reakcijai palankus mažas katijono elektronų afinitetas, didžiausias tokio junginio carbaniono pobūdis yra tada, kai M atomas yra šarminis metalas - ličio, natrio, kalio, cezio ar rubidžio. Net ir tais atvejais, kai tendencija formuoti kovalentinius ryšius yra nereikšminga, laisvųjų carbanionų savybių ne visada galima pastebėti. Ši situacija susidaro dėl to, kad tarp katijono ir anijono yra stiprus potraukis, dėl kurio šie jonai priešingi. Susidariusios „įtemptos“ jonų poros gali būti suskaidomos tik tuo atveju, jei atskirų jonų sąveika su tirpikliu yra pakankamai didelė, kad būtų įveikta jonų traukos jėga. Todėl karbanijas galima pastebėti tik tirpikliuose, kurie stipriai solvatuoja bent vieno tipo jonus. Tirpiklių, turinčių didelę tendenciją soliuoti katijonus, pavyzdžiai yra eteriai ir dimetilsulfoksidas. Paprastai energija, reikalinga jonų poroms atskirti, yra didesnė, kai lokalizuotas anijono krūvis, nei tada, kai jis yra delokalizuotas. Tiesą sakant, jei karbanionas yra gautas iš paprasto anglies ir vandenilio alkano junginio, kaip, pavyzdžiui, metido jonas (aukščiau), nėra bendro tirpiklio, kuris suteiktų pakankamai solvacijos energijos, kad atskirtų jonų poras, ir tai yra tuo pačiu metu, inertiška cheminei reakcijai su anijonu. Todėl alkilo šarminių metalų junginiai neišsiskiria iš laisvųjų jonų, o jų savybės būdingos tik jonų poroms.
Paruošimas.
Bet koks organinių-šarminių metalų junginių paruošimas yra carbanionų šaltinis. Organinių junginių, kuriuose yra chloro, bromo arba jodo atomai, reakcija su šarminiais metalais yra vienas iš dažniausiai naudojamų metodų. Ši reakcija gali būti išreikšta:
kurioje R yra organinė grupė; X yra chloro, bromo arba jodo atomas; ir M yra šarminio metalo atomas.
Vieną carbanioną galima paversti kitu angliavandeniliais arba organiniais halogenidais, kaip parodyta toliau pateiktose lygtyse:
