Carbocation - Définition

Structure

Modèle de Lewis

A:formule de Lewis de l'atome de carbone - B:carbone non chargé - C:carbocation

L'atome de carbone possède quatre électrons célibataires dans sa couche de valence. Ces quatre électrons lui permettent de former quatre doublets, donc d'avoir huit électrons dans sa couche de valence et ainsi respecter la règle de l'octet et avoir une stabilité maximum. Or, dans un carbocation, il manque un doublet au carbone chargé qui n'a plus que six électrons dans sa couche de valence. Ce carbone a donc une case quantique vide, une carence en électrons qui explique sa charge électrique positive. Cette carence en électrons rend le carbocation très instable et réactif.

Du fait de cette carence en électrons le carbocation se comporte comme un réactif électrophile, ou comme un acide de Lewis. Il va réagir avec des composés nucléophiles qui ont un excès d'électrons ou des bases de Lewis.

Structure spatiale

Au niveau du carbone chargé la molécule a une structure plane avec des angles de valence de 120°. Le carbone chargé est lié au reste de la molécule par trois liaisons σ, et possède donc une orbitale atomique 2p_z vide, il est donc hybridé sp² (voir le schéma).

Réarrangement

Les carbocations peuvent se réarranger eux-mêmes pour passer d'une forme instable à une forme plus stable.

Ce réarrangement s'opère par transfert d'hydrogène, ou par transfert de groupe alkyle. Si le carbone chargé est primaire ou secondaire, donc peu stable, et qu'un carbone adjacent est tertiaire ou quaternaire, il peut y avoir transfert d'hydrogène ou de groupement alkyle du carbone non chargé (tertiaire ou quaternaire) vers le carbone chargé (primaire ou secondaire). Le carbone initialement non chargé deviendra positif, tandis que le carbone chargé deviendra neutre. Ainsi la charge positive sera située sur un carbone tertiaire (dans tous les cas), le carbocation sera plus stable puisque la charge sera partiellement compensée par les effets inductifs donneurs des groupes alkyles.

Ce réarrangement peut également se produire si le carbone chargé est déstabilisé par un groupement électronégatif (effet inductif attracteur). La charge positive cherchera en quelque sorte à "fuir" le groupement électronégatif.

Cette possibilité de réarrangement explique le fait qu'une réaction qui s'effectue par l'intermédiaire d'un carbocation peut dans certains cas conduire à deux produits différents, l'un, majoritaire, correspondant au carbocation le plus stable, et l'autre au carbocation le moins stable. La règle de Markovnikov en découle.