Eencarbokation is eenorganisch deeltje met een of meerderepositief geladenkoolstofatomen omringd dooralkylgroepen.[1] Men kan zich een dergelijk kation voorstellen als een fragment van een molecule waarvan een groep én een bindend elektronenpaar verwijderd zijn van een der koolstofatomen.
Het koolstofatoom met de positieve lading heeft een sextet (dat wil zeggen zes elektronen) in zijnvalentieschil en komt dus twee elektronen tekort om een stabieloctet te vormen. Carbokationen zijn hierdoor onstabiel en vaak zeer reactief. Door het tekort van twee elektronen zijn carbokationen meestal krachtigelewiszuren. Via reactie met eenlewisbase ontstaat weer een koolstofatoom met een octet in zijn valentieschil. Carbokationen zijn belangrijkereactieve intermediairen in deorganische chemie.
Voor de beschrijving van de structuur van carbokationen kan men twee verschillende benaderingen gebruiken, die wel tot dezelfde conclusie leiden:
DoorNMR eninfraroodspectroscopie wordt deze conclusie bevestigd.
In de oudere tekstboeken sprak men uitsluitend over hetcarboniumion. In1963 steldeGeorge Olah (toen verbonden aan de University of Southern California)[2] de benamingcarbeniumion voor de trivalente "klassieke carbokationen" en reserveerde de benamingcarboniumion voor de "niet-klassieke carbokationen" die tetravalent, pentavalent, zoals het methaniumion CH5+ (analoog aan hetammoniumion) of zelfs hexavalent kunnen zijn.
Men onderscheidt drie soorten klassieke carbokationen op basis van het aantal koolstofatomen gebonden aan het geïoniseerde koolstofatoom: primaire (met één of geen koolstofatomen gebonden aan het geïoniseerde koolstof), secundaire (twee) of tertiaire (drie).
De stabiliteit van de carbokationen neemt toe met het aantalalkylgroepen die gebonden zijn aan het geïoniseerd koolstofatoom. Derhalve zijn de tertiaire carbokationen het meest stabiel (en worden dus ook het gemakkelijkst gevormd), terwijl de primaire carbokationen zeer onstabiel zijn. De stabiliteit van secundaire en tertiaire carbokationen is het gevolg vanhyperconjugatie eninductieve stabilisatie als gevolg van aanwezigheid vanelektronenstuwende alkylgroepen. Een alternatieve verklaring maakt gebruik van hetHSAB-principe en kijkt niet alleen naar het carbokation, maar ook naar de manier waarop dit in oplossing aanwezig is.
In deorganische chemie ondergaan carbokationen een grote verscheidenheid aan reacties, afhankelijk van de reactieomstandigheden. Al deze reacties hebben tot gevolg dat een elektronenpaar beschikbaar gesteld wordt, zodat het positief geladen koolstofatoom een octet in de valentieschil bekomt. Dit ziet men het best in de tweede stap van eenSN1-reactie: de combinatie van een carbokation met eennucleofiel, dat wil zeggen een molecule of ion met eenvrij elektronenpaar (zoals hethydroxide-ion (OH−), ammoniak (:NH3), chloride (Cl−) of hetcyanide-ion (CN−).
Een tweede mogelijke reactie is de eliminatie van een proton, zoals in deE1-eliminatiereactie.
De SN1- en deE1-eliminatie-reactie) komen niet voor als een primair carbokation zou gevormd worden. Een uitzondering wordt gevormd door hetbenzyl-kation:C6H5–CH2+. Doordelokalisatie van de lading is dat ion zelfs stabieler dan de meeste andere carbokationen. Moleculen die benzylcarbokationen kunnen vormen zijn dan ook uitzonderlijk reactief.
Een derde mogelijke reactie van carbokationen zijnomleggingsreacties vanuit minder stabiele structuren naar een carbokation met een structuur die even stabiel of stabieler is. Als dit gebeurt door de migratie van een alkyl- of arylgroep vanaf een ernaast gelegen koolstofatoom (1,2-migratie), dan zal omlegging onvermijdelijk zijn. Dat wil niet zeggen dat het omleggingsproduct ook aan de basis ligt van het uiteindelijke reactieproduct. De omlegging is vaak reversibel en de uiteindelijke producten en de relatieve hoeveelheden zijn een uitdrukking van de ligging van het omleggingsevenwicht.
Dit kan de bereiding van synthetische verbindingen gecompliceerder maken. Als bijvoorbeeld3-pentanol verhit wordt in een oplossing in water vanwaterstofchloride wordt eerst het 3-pentylcarbokation gevormd, dat zich herschikt tot een statistisch mengsel van 3-pentyl en 2-pentyl. Deze kationen reageren dan met het chloride-ion tot een mengsel van ongeveer 1/3 3-chloorpentaan en 2/3 2-chloorpentaan.
Bekende voorbeelden van niet klassieke carbokationen worden gevormd door hetallyl-, hetcyclopropenylkation, hettropyliumkation en hetnorbornylkation.
 |  |  |
| Hetallyl-kation, een mesomeer evenwicht tussen twee grensstructuren. | Het norbornylkation ontstaat als de positieve lading op de kleinste brug een interactie aangaat met de dubbele binding in de langere brug. De gestippelde bindingen gevenpartiële bindingen weer. | |
 | ||
| Het tropyliumion. | ||
Het norbornylkation is een bishomo-kation, waarbij de elektronen van hetπ-systeem van de dubbele band een interactie aangaan met het carbokation op de 7-plaats. Deze gedelokaliseerde binding is zwakker als er een alkylgroep gebonden is aan een uiteinde (op plaats 6) en treedt niet op als hier een aromatische groep (zoals defenylgroep) aanwezig is.
Het energieverschil tussen klassieke carbokationen en hun niet-klassieke isomeren is dikwijls zeer klein. Er is dus maar weinigactiveringsenergie nodig bij de transitie tussen deze structuren. De "niet-klassieke" carbokationen zijn lang het onderwerp geweest van verhitte discussies tussen chemici. Deze controverse werd beslecht door George Olah, wat hem in 1994 deNobelprijs voor Chemie opleverde.[3]
Naast de twee hiervoor vernoemde groepen is er ook een groep carbokationen waarbij de lading verdeeld is over een vier- of vijfzijdig grondvlak, met midden boven de ring een koolstofatoom. Er zijn zowel een- als tweewaardigepiramidale carbokationen beschreven.