ไอออนคาร์เบเนียมบางครั้งจัดเรียงตัวใหม่ได้ง่าย ตัวอย่างเช่น เมื่อเพนทาน-3-ออลถูกให้ความร้อนกับ HCl ในน้ำ คาร์โบแคตไอออน 3-เพนทิลที่เกิดขึ้นในตอนแรกจะจัดเรียงตัวใหม่เป็นส่วนผสมของ 3-เพนทิลและ 2-เพนทิล แคตไอออนเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับไอออนคลอไรด์เพื่อผลิต 3-คลอโรเพนเทนและ 2-คลอโรเพนเทนในอัตราส่วนประมาณ 1:2 ^{[ 3 ]}การเคลื่อนย้ายของหมู่แอลคิลเพื่อสร้างศูนย์กลางคาร์โบแคตไอออนใหม่ก็ได้รับการสังเกตเช่นกัน^{[ 4 ]}สิ่งนี้มักเกิดขึ้นด้วยค่าคงที่อัตราที่เกิน 10 ¹⁰ s ⁻¹ที่อุณหภูมิห้องและยังคงเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว (เมื่อเทียบกับช่วงเวลาของ NMR) ที่อุณหภูมิต่ำถึง −120 °C ( ดูการเลื่อนของ Wagner-Meerwein ) ในกรณีที่เอื้ออำนวยเป็นพิเศษ เช่น 2-นอร์บอร์นิลแคตไอออน การเคลื่อนย้ายไฮโดรเจนอาจยังคงเกิดขึ้นในอัตราที่เร็วพอที่จะรบกวนการวิเคราะห์ผลึกด้วยรังสีเอกซ์ที่^{86 K (−187 °C) [ 5 ]}โดยทั่วไปคาร์^โบแคตไอออนจะจัดเรียงตัวใหม่เพื่อให้ได้ไอโซเมอร์ตติยภูมิ ตัวอย่างเช่น ไอโซเมอร์ทั้งหมดของC H + 11จะจัดเรียงตัวใหม่อย่างรวดเร็วเพื่อให้ได้ 1-เมทิล-1-ไซโคลเพนทิลแคตไอออน ข้อเท็จจริงนี้มักทำให้เส้นทางการสังเคราะห์ซับซ้อนขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อ 3-เพนทานอลถูกให้ความร้อนกับ HCl ในน้ำ คาร์โบแคตไอออน 3-เพนทิลที่เกิดขึ้นในตอนแรกจะจัดเรียงตัวใหม่เป็นส่วนผสมทางสถิติของ 3-เพนทิลและ 2-เพนทิล แคตไอออนเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับไอออนคลอไรด์เพื่อผลิต 3-คลอโรเพนเทนประมาณหนึ่งในสามและ 2-คลอโรเพนเทนสองในสามการอัลคิเลชันของ Friedel–Craftsประสบปัญหาจากข้อจำกัดนี้ ด้วยเหตุนี้การอะซิเลชัน (ตามด้วย การลดแบบ Wolff–KishnerหรือClemmensenเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์อัลคิเลต) จึงถูกนำมาใช้บ่อยกว่า    

คาร์โบแคตไอออนไวต่อการโจมตีโดยนิวคลีโอไฟล์เช่น น้ำ แอลกอฮอล์ คาร์บอกซิเลต อะไซด์ และไอออนเฮไลด์ เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์การเติม นิวคลีโอไฟล์ที่เป็นเบสอย่างแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งนิวคลีโอไฟล์ที่มีสิ่งกีดขวาง จะส่งเสริมการกำจัดมากกว่าการเติม เนื่องจากแม้แต่นิวคลีโอไฟล์ที่อ่อนแอก็ยังทำปฏิกิริยากับคาร์โบแคตไอออน ส่วนใหญ่จึงสามารถสังเกตหรือแยกได้โดยตรงในตัวกลางที่ไม่ใช่นิวคลีโอไฟล์ เช่นซูเปอร์แอซิด^{[ 6 ]}

ลำดับความเสถียรของคาร์โบแคตไอออน จากเสถียรที่สุดไปจนถึงเสถียรน้อยที่สุด โดยพิจารณาจากค่าความสัมพันธ์กับไฮไดรด์ไอออน (HIA) มีดังนี้ (ค่า HIA ในหน่วย kcal/mol อยู่ในวงเล็บ):

เนื่องจากไอออนคาร์เบเนียมอาจมีปฏิกิริยาสูง การพิจารณาที่สำคัญคือความเสถียรของไอออน ความเสถียรของไอออนคาร์เบเนียมมีความสัมพันธ์กับคุณสมบัติการให้อิเล็กตรอนของหมู่แทนที่ ไอออนไตรอัลคิลคาร์เบเนียม เช่น(CH ) C ⁺สามารถแยกได้ในรูปเกลือ แต่H C ⁺ไม่สามารถทำได้ สถานการณ์ที่คล้ายคลึงกันนี้ใช้กับไอออนไตรแอริลคาร์เบเนียม: เกลือของไตรฟีนิลคาร์เบเนียม(C H ) C ⁺สามารถแยกได้ง่าย (ดูtrityl ) และเกลือที่มีหมู่แทนที่อะมีนมีความแข็งแรงมากจนสามารถใช้เป็นสีย้อมได้ เช่นคริสตัลไวโอเลต ไอออน คา ร์เบเนียมยังสามารถทำให้เสถียรได้ด้วยการเชื่อมต่อกับพันธะคู่ทำให้เกิดแคตไอออนอัลลิล ซึ่งมีความเสถียร จาก การเรโซแนนซ์ สถานการณ์นี้แสดงให้เห็นได้จากการแยกเบนซีนที่ถูกโปรตอน^{[ 7 ]}อะตอมต่างชนิดที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวก็ทำให้ไอออนคาร์เบเนียมเสถียรได้เช่นกัน^{[ 8 ]}

ความเสถียรของคาร์โบแคตไอออนที่ถูกแทนที่ด้วยอัลคิลเป็นไปตามลำดับ3° > 2° > 1° > เมทิลแนวโน้มนี้สามารถอนุมานได้จากค่าความสัมพันธ์ของไอออนไฮไดรด์ (231, 246, 273 และ 312  kcal/mol สำหรับ(CH ) C ⁺ , (CH ) CH ⁺ , CH CH + 2และCH + 3 ) ^{[ 9 ]} ผลของหมู่แทนที่อัลคิลนั้นมีผลอย่างมาก:

• แคตไอออนตติยภูมิมีความเสถียรและสามารถสังเกตได้โดยตรงในตัวกลางซูเปอร์แอซิด การทำให้เสถียรโดยกลุ่มอัลคิลอธิบายได้ด้วยไฮเปอร์คอนจูเกชัน [ ^{10 ] การ}บริจาคความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจากพันธะ β CH หรือ CC เข้าสู่ออร์บิทัล p ที่ว่างอยู่ของคาร์โบแคตไอออน (ปฏิสัมพันธ์ σ → p) ช่วยให้ประจุบวกกระจายตัวได้
• แคตไอออนรองมักจะไม่คงอยู่ มีเพียงแคตไอออนไอโซโพรพิลเอส -บิวทิล และไซโคลเพนทิลเท่านั้นที่สังเกตพบในสารละลาย^{[ 11 ]}
• คาร์โบแคตไอออนหลักในเฟสสารละลาย แม้กระทั่ง ในฐานะตัวกลางชั่วคราว (มีการเสนอเอทิลแคตไอออนสำหรับปฏิกิริยาในกรดซัลฟิวริก 99.9% และใน FSO2OH · SbF5 ^{) [12]}และแคตไอออนได้^{รับระบุ}อย่างชัดเจนเฉพาะในเฟสแก๊สเท่านั้น ในกรณีส่วนใหญ่ หากไม่ใช่ทุกกรณี สถานะพื้นฐานของไอออนคาร์เบเนียมหลักที่กล่าวอ้างนั้นประกอบด้วยโครงสร้างแบบสะพานซึ่งประจุบวกถูกแบ่งปันโดยอะตอมคาร์บอนสองอะตอมขึ้นไป และอธิบายได้ดีกว่าว่าเป็นแอลคีนที่ถูกโปรตอนด้านข้าง ไซโคลโพรเพนที่ถูกโปรตอนขอบ หรือไซโคลโพรเพนที่ถูกโปรตอนมุม มากกว่าที่จะเป็นแคตไอออนหลักที่แท้จริง^{+ 5 ได้รับการพิสูจน์} แล้วจากการทดลองและการคำนวณว่าเป็นแบบสะพาน[ ^{15 ] และ}สามารถคิดได้ว่าเป็นโมเลกุลเอทิลีนที่ถูกโปรตอนอย่างสมมาตร เช่นเดียวกันนี้ก็เป็นจริงสำหรับโฮโมล็อกที่สูงกว่า เช่น แคตไอออน 1-โพรพิลและ 1-บิวทิล^{[ 16 ]} เชื่อกันว่าอนุพันธ์นีโอเพนทิลจะแตกตัวเป็นไอออนพร้อมกับการเคลื่อนย้ายหมู่เมทิล ( การช่วยเหลือแบบแอนคิเมอริก ) ดังนั้นในกรณีส่วนใหญ่ หากไม่ใช่ทุกกรณี จึงไม่เชื่อว่าจะมีแคตไอออนนีโอเพนทิลแยกต่างหากเข้ามาเกี่ยวข้อง^{[ 17 ]}

ไอออนคาร์เบเนียมสามารถเตรียมได้โดยตรงจากแอลเคนโดยการกำจัดแอนไอออนไฮไดร^ด์ H⁻โดยใช้กรดแก่ (หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งไอออนคาร์บอนเนียม ที่เกี่ยวข้อง มีแนวโน้มที่จะกำจัดH₂ ออกไป ) ตัวอย่างเช่นกรดวิเศษซึ่งเป็นส่วนผสมของแอนติโมนีเพนตาฟลูออไรด์ ( SbF₄ ) และกรดฟลูออโรซัลฟิวริก(FSO) H) เปลี่ยนไอโซบิวเทนให้เป็นแคตไอออนไตรเมทิลคาร์เบเนียม(CH )ซี ⁺[ ^{18 ] [ 19 ]​}

คุณสมบัติเสริมในการทรงตัว

คา ร์โบแคตไอออนอาจเสถียรได้ด้วยการเรโซแนนซ์โดยพันธะคู่คาร์บอน-คาร์บอนหรือโดยอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของเฮเทอโรอะตอมที่อยู่ติดกับคาร์บอนที่แตกตัวเป็นไอออน แค ต ไอออนอัลลิล CH =CH−CH + 2และแคตไอออนเบนซิ ล C H −CH + 2มีเสถียรภาพมากกว่าไอออนคาร์เบเนียมอื่นๆ ส่วนใหญ่เนื่องจากการบริจาคความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจากระบบ π ไปยังศูนย์กลางแคตไอออน^{[ 20 ]}คาร์โบแคตไอออนเบนซิลลิกคู่และสามตัว ไดฟีนิลคาร์เบเนียมและ ไตร ฟีนิลคาร์เบเนียม (ไตรทิล) แคตไอออน มีเสถียรภาพเป็นพิเศษ ด้วยเหตุผลเดียวกัน ลักษณะ p บางส่วนของพันธะ C–C ที่ตึงเครียดในกลุ่มไซโคลโพรพิลยังช่วยให้สามารถบริจาคความหนาแน่นของอิเล็กตรอนได้^{[ 21 ]}และทำให้ แคตไอออน ไซโคลโพรพิลเมทิล (ไซโคลโพรพิลคาร์บินิล) มีเสถียรภาพ

ไอออนออกโซคาร์เบเนียมและไอออนอิมิเนียมมีโครงสร้างแคนอนิกทุติยภูมิที่สำคัญ (โครงสร้างเรโซแนนซ์) ซึ่งคาร์บอนมีประจุบวก ดังนั้น ตามคำจำกัดความของ IUPAC ไอออนเหล่านี้จึงเป็นคาร์โบแคตไอออน แม้ว่านักเคมีบางคนจะไม่ถือว่าพวกมันเป็นคาร์โบแคตไอออน "ที่แท้จริง" เนื่องจากตัวสร้างเรโซแนนซ์ที่สำคัญที่สุดของพวกมันมีประจุบวกอย่างเป็นทางการอยู่ที่อะตอมออกซิเจนหรือไนโตรเจนตามลำดับ

ไอออนโทรพิเลียมเป็น สารประกอบ อะโรมาติกที่มีสูตรเคมีC H ⁺ . ^{[ 22 ]}ชื่อของมันมาจากโมเลกุลโทรพีน(ซึ่งตั้งชื่อตามโมเลกุลอะโทรพีน) เกลือของแคตไอออนโทรพิเลียมสามารถเสถียรได้ เช่นเรต สามารถสร้างได้จากไซโคลเฮปตาไตรอีน(โทรพิลิดีน) และโบรมีนหรือฟอสฟอรัสเพนตาคลอไรด์ ^{[ 23 ]}

ไอออน นี้มีโครงสร้างระนาบ เป็นวงแหวน และมีรูปเจ็ดเหลี่ยมนอกจากนี้ยังมีอิเล็กตรอน π จำนวน 6 ตัว (4n +  2  โดยที่n  =  1) ซึ่งเป็นไปตามกฎความเป็นอะโรมาติกของฮักเคล และสามารถทำหน้าที่เป็นลิแกนด์ ประสาน กับอะตอมของโลหะ ได้

โครงสร้างที่แสดงนี้เป็นโครงสร้างที่ประกอบด้วยตัวสร้างเรโซแนน ซ์เจ็ดตัว โดยที่อะตอมคาร์บอนแต่ละตัวมีประจุบวกอยู่บางส่วน

ในปี พ.ศ. 2434 G.  Merling ได้เกลือที่ละลายน้ำได้จากปฏิกิริยาของไซโคลเฮปตาไตรอีนและโบรมีน^{[ 24 ]}โครงสร้างได้รับการอธิบายโดยEggers Doeringและ Knox ในปี พ.ศ. 2497 ^{[ 25 ] [ 26 ]}

ในทางกลับกันไอออนบวกไซโคลเพนตาไดอีนิลแอนติอะโรมาติก ( C5H + 5ลดลงประมาณ 40 กิโลแคลอรีต่อโมล 

ไอออนคาร์เบเนียมอะโรมาติกอีกชนิดหนึ่งคือไอออนไซโคลโพรพีนิลหรือไซโคลโพรพีเนียม C H ⁺ . ^{[ 27 ]}แม้ว่าจะมีความเสถียรน้อยกว่าแคตไอออนโทรพิเลียม แต่ไอออนคาร์เบเนียมนี้ก็สามารถสร้างเกลือได้ที่อุณหภูมิห้อง สารละลายของเกลือดังกล่าวแสดงคุณสมบัติทางสเปกโทรสโกปีและทางเคมีแบบดั้งเดิม แคตไอออนไซโคลโพรพีเนียม (CH + 3 ) แม้ว่าจะไม่เสถียรบ้างเนื่องจากความเครียดเชิงมุม แต่ก็ยังคงเสถียรอย่างชัดเจนเนื่องจากความเป็นอะโรมาติกเมื่อเปรียบเทียบกับอะนาล็อกแบบโซ่เปิดของมัน คือ แคตไอออนอัลลิล

ความเสถียรของแคตไอออนที่แตกต่างกันเหล่านี้ ซึ่งขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอน π ในระบบวงแหวน อาจเป็นปัจจัยสำคัญในจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาได้เช่นกัน การก่อตัวของคาร์โบแคตไอออนอะโรมาติกนั้นเร็วกว่าการก่อตัวของคาร์โบแคตไอออนแอนติอะโรมาติกหรือคาร์โบแคตไอออนแบบโซ่เปิดมาก

ไอออนอารีเนียมคือแคตไอออนไซโคลเฮกซาไดอีนิลที่ปรากฏเป็นตัวกลางที่เกิดปฏิกิริยาในการแทนที่อะโรมาติกแบบอิเล็กโทรฟิลิก [ ^{28 ] ด้วย}เหตุผลทางประวัติศาสตร์ คอมเพล็กซ์นี้ยังเรียกว่า^{ตัวกลาง} Wheland [ ^{29 ]}หรือคอมเพล็กซ์σ

อะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมที่เชื่อมต่อกับคาร์บอนหนึ่งอะตอมจะอยู่ในระนาบที่ตั้งฉากกับวงแหวนเบนซีน^{[ 30 ]}ไอออนอาเรเนียมไม่ใช่สปีชีส์อะโรมาติกอีกต่อไป อย่างไรก็ตาม มันค่อนข้างเสถียรเนื่องจากการกระจายตัว: ประจุบวกกระจายตัวไปทั่วอะตอมคาร์บอน 5 อะตอม นอกจากนี้ พลังงานที่ได้รับจากพันธะ Ce ที่แข็งแรง (E = อิเล็กโทรไฟล์) ยังช่วยให้ไอออนอาเรเนียมมีความเสถียรอีกด้วย

ไอออนอะเรเนียม ที่เล็กที่สุดคือเบนซีน ที่ถูกโปรตอน C H ⁺ ไอออนเบนซีเนียมสามารถแยกได้เป็นสารประกอบที่เสถียรเมื่อเบนซีนถูกโปรตอนโดยซูเปอร์แอซิดคาร์โบเรนH(CBH(CH)Br) ^{[ 31 ]}เกลือเบนซีเนียมเป็นผลึกที่มีความเสถียรทางความร้อนสูงถึง 150 °Cความยาวพันธะที่อนุมานจากผลึกศาสตร์รังสีเอกสอดคล้องกับโครงสร้างแคตไอออนไซโคลเฮกซาได

ไอออนอะซิเลียมเป็นแคตไอออนที่มีสูตร RCO ⁺ [ ^{32 ]}โครงสร้างอธิบายได้เป็น R−C≡O ⁺หรือ R− + C =O เป็นอะซิลคาร์โบแคตไอออน แต่โครงสร้างจริงมีออกซิเจนและคาร์บอนเชื่อมต่อกันด้วยพันธะสาม สารประกอบดังกล่าวเป็นตัวกลางปฏิกิริยาทั่วไป เช่น ใน^{ปฏิกิริยา} อะซิเลชันของ Friedel−Crafts และใน ปฏิกิริยาอินทรีย์อื่นๆ อีกมากมายเช่นการจัดเรียงตัวใหม่ของ Hayashiเกลือที่มีไอออนอะซิเลียมสามารถสร้างขึ้นได้โดยการกำจัดเฮไลด์ออกจากอะซิลเฮไลด์ :

RCOCl + SbCl → RCO ⁺ SbCl ⁻

ระยะห่าง C–O ในแคตไอออนเหล่านี้อยู่ใกล้ 1.1 อังสตรอมซึ่งสั้นกว่าในคาร์บอนมอนอกไซด์เสีย อีก ^{[ 33 ]}แคตไอออนอะซิเลียมเป็นชิ้นส่วนลักษณะเฉพาะที่สังเกตได้ในสเปกตรัมมวล EI ของคีโตน

จากความสัมพันธ์ของไอออนไฮไดรด์ ไวนิลแคตไอออนหลัก (HIA = 287kJ/mol) มีเสถียรภาพน้อยกว่าคาร์โบแคตไอออนปฐมภูมิ (HIA = 266kJ/mol) ในขณะที่ไวนิลแคตไอออนที่ถูกแทนที่ด้วยแอลคิลอัลฟา (HIA = 258kJ/mol) มีเสถียรภาพที่อยู่ระหว่างคาร์โบแคตไอออนปฐมภูมิและทุติยภูมิ^{[ 34 ]}

ดังนั้น ไวนิลแคตไอออนจึงเป็นสารตัวกลางที่พบได้ค่อนข้างน้อย สามารถเกิดขึ้นได้จากการแตกตัวเป็นไอออนของไวนิลอิเล็กโทรไฟล์ โดยมีเงื่อนไขว่าหมู่ที่หลุดออกนั้นดีพอ (เช่นTfO ^{− )}, IPh หรือN ) พวกมันถูกระบุว่าเป็นตัวกลางในปฏิกิริยาการแทนที่ไวนิลบางอย่าง (กำหนดให้เป็น S1(vinyl)) และเป็นตัวกลางในปฏิกิริยาการเติมอิเล็กโทรฟิลิกของอะริลอัลไคน์ ยกเว้นไวนิลแคตไอออนดั้งเดิม ซึ่งเชื่อว่าเป็นชนิดที่มีสะพานเชื่อม และไวนิลแคตไอออนแบบวงแหวนที่มีข้อจำกัดทางเรขาคณิต ไวนิลแคตไอออนส่วนใหญ่จะมีการผสมแบบ sp และมีโครงสร้างเป็นเส้นตรง

แคตไอออนอะริลมีเสถียรภาพน้อยกว่าแคตไอออนไวนิลเนื่องจากการบิดเบี้ยวที่ถูกบังคับโดยวงแหวนไปสู่รูปทรงเรขาคณิตที่ไม่เป็นเส้นตรงและลักษณะ sp ² โดยประมาณ ของออร์บิทัลที่ว่างอยู่ มีเพียง N ใน เกลือ อะริลไดอะโซเนียม เท่านั้น ที่เป็นหมู่ที่หลุดออกได้ดีพอสำหรับการสร้างแคตไอออนอะริลทางเคมี^{[ 35 ]}

แคตไอออนอัลคินิลนั้นไม่เสถียรอย่างยิ่ง เสถียรน้อยกว่าCH ⁺ มาก (ความสัมพันธ์ของไอออนไฮไดรด์ 386  กิโลแคลอรี/โมล เทียบกับ 312  กิโลแคลอรี/โมล สำหรับCH ⁺ ) และไม่สามารถสร้างขึ้นได้ด้วยวิธีการทางเคมีล้วนๆ อย่างไรก็ตาม สามารถสร้างขึ้นได้ด้วยวิธีทางรังสีเคมีผ่านการสลายตัวแบบเบตาของทริเทียม : ^{[ 36 ]}

${\displaystyle {\ce {RC#CT -> [RC#C^3 He]+ + e-}}+{\bar {\nu }__{e}\longrightarrow {\ce {RC#C+ + ^{3}He + e-}}+{\bar {\nu }__{e}}$