Чем более делокализован заряд (положительный в катионах или отрицательный в анионах), тем более стабилен органический ион (карбокатион или карбанион).

Таким образом, для карбокатиона крайне невыгодно, если на электронодефицитном атоме углерода (С⁺) реальный положительный заряд (δ⁺) имеет большое значение, но выгодно, если заряд катиона (+1) размыт, делокализован по большому количеству атомов. Эффективность делокализации положительного заряда, в свою очередь, зависит от количества заместителей при карбокатионном центре и их электронных эффектов.

Попытаемся предсказать на основе этого какой из катионов – метильный или этильный – более стабилен. Будем рассуждать примерно так: если один из атомов водорода в метильном катионе заменить на метильную группу, то получится этильный катион (см. рисунок ниже). Метильная группа обладает +I-эффектом, то есть является донором электронов. Это обозначает, что она более эффективно поставляет электроны к электронодефицитному атому углерода, имеющему формальный заряд +1. Для наглядности поясним это на конкретных цифрах (см. рисунок ниже). Если в метильном катионе на каждом из атомов водорода имеется заряд +0.1, то электронодефицитный атом углерода имеет заряд +0.7. В этильном катионе реальный заряд, сконцентрированный на карбокатионном центре, меньше и равен +0.6, поскольку на метильной группе заряд составляет +0.2 (она ведь лучший донор, чем атом водорода), а на атомах водорода +0.1 (суммарный заряд частицы равен +1). По сути дела это обозначает, что в этильном катионе положительный заряд в меньшей степени сконцентрирован на электронодефицитном атоме углерода, более размазан, более ДЕЛОКАЛИЗОВАН, а значит этильный катион более стабилен.

Получается, что при замене одного из атомов водорода на донорную группу стабильность катиона повышается. Нетрудно понять, что и при последующей замене оставшихся атомов водорода на метильную (или другую алкильную) группу стабильность катиона повышается.

Понятно также, что если замена атомов водорода в метильном катионе на электронодонорные (+I-эффект) заместители обеспечивает стабилизацию карбокатиона, то замена атомов водорода на электроноакцепторные (‑I‑эффект) заместители понижает стабильность катиона.

Рассмотрим это на конкретном примере. Заменим один атом водорода в метильном катионе на трифторметильную группу CF₃ (‑I-эффект). Эта группа вместо того, чтобы поставлять электроны к электронодефицитному атому углерода (имеющему формальный заряд +1), наоборот, оттягивает на себя электроны. Трифторметильная группа приобретает при этом некоторый δ‑ (к примеру заряд –0.1). Примерное распределение заряда в полученном катионе показано ниже. Из рисунка видно, что в полученном катионе положительный заряд на электронодефицитном атоме углерода составляет не +0.6, как в метильном, а +0.9, то есть положительный заряд не размыт, а наоборот сконцентрирован, локализован на одном атоме углерода, то есть полученный карбокатион обладает пониженной стабильностью.

Нетрудно догадаться, что если электронодонорные заместители стабилизируют карбокатионы, а электроноакцепторный дестабилизируют, то в отношении стабильности карбанионов будет наблюдаться полностью противоположная картина. Ниже приведен ряд анионов, полученных последовательной заменой атомов водорода метильного аниона на электроноакцепторные, то есть обладающие –I-эффектом, трифторметильные группы CF₃. Видно, что, чем больше групп CF₃ находится при электроноизбыточном карбанионном центре, тем более размыт отрицательный заряд, иначе говоря тем больше он делокализован, а значит тем более стабилен анион.

Поскольку алкильные группы являются электронодонорными (+I-эффект), то стабильность АЛКИЛЬНЫХ карбанионов изменяется в следующем порядке:

Важно ясно понимать, что в положительно заряженном карбокатионе для повышения его стабильности необходимо понижать (за счет делокализации) положительный заряд электронодефицитного центра, что эффективно делают электронодонорные группы, обладающие +I-эффектом, способные вследствие этого приобретать некоторый δ⁺, что и обеспечивает размазывание, делокализацию положительного заряда.

Напротив, в карбанионе необходимо делокализовывать отрицательный заряд, а для этого подходят группы, способные приобретать частичный заряд δ^‑, то есть группы, обладающие –I-эффектом.

ЗАПОМНИТЬ!!!