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碳正离子，通常指的是价层只有6个电子的碳阳离子。其往往形成三个σ键，并带有一个空的p轨道。碳正离子是有机化学中一个非常重要的中间体，不少反应涉及到碳正离子，本篇就带大家了解碳正离子及其稳定性。
获得了1994年获得诺贝尔化学奖的乔治·欧拉对碳正离子做出了开拓性的研究，发现了叔丁基阳离子有着足够的稳定性。后来对碳正离子的研究发现，经典的碳正离子大都是平面型结构。
需要注意的是，绝大多数碳正离子都是不稳定的，会很快与周围的任何亲核试剂反应，所以下面对他们稳定性的比较都是相对的！常见的有三种稳定碳正离子的方式。
一、 烷基稳定碳正离子
根据欧拉的发现，他可以探测到叔丁基阳离子的光谱，但探测不到甲基阳离子的信号。这说明叔丁基阳离子比甲基阳离子稳定。我们知道，叔丁基阳离子比甲基阳离子多了两个甲基取代基，那么为什么这些额外的取代基能稳定阳离子中心？
带电荷的有机中间体（例如：碳正离子和碳负离子）往往不稳定性，所以碳正离子只有在有能稳定他的基团存在下才可能产生。在烷基取代的碳正离子中，烷基的σ键电子对阳离子的空的p轨道有“超共轭”的效应，可以用自己的σ电子来稳定缺电子的C原子，这种效应对于缺电子的碳有着稳定作用，可以使平面碳正离子结构获得额外的稳定性。
所以，在叔丁基阳离子中，其中的三个甲基在任何时候都可以通过这种超共轭效应来稳定正离子。如下图左二所示，C–H键在任何时候都会一定程度平行于空p轨道的一个波瓣，以此来产生超共轭效应。
此外，C-H键对空p轨道的超共轭效应并没有什么特异之处，因为C-C键也有对碳正离子的超共轭能力（如上图左三所示），而且有些键更好（例如C-Si键），但是一定有某种键才行。氢原子本身没有孤对电子，也没有σ键，所以它不能稳定阳离子，因而甲基阳离子极不稳定，甚至学界对其是否真正存在都有争议。
因此稳定程度：三级碳正离子>二级碳正离子>一级碳正离子
二、相邻的碳碳双键稳定碳正离子
上面的分析讲过，三级碳正离子比一级碳更稳定。但烷基取代基的超共轭效应不是唯一稳定碳正离子的方法，当空的p轨道与相邻的π电子或孤对电子之间共轭时，也会提供强大的稳定作用。 如下图所示：
简单来说，邻位双键的存在可以与正离子共轭，达到分散正电荷的作用，所以对碳正离子有稳定性作用。不过当这种碳正离子产生的时候，因为阳离子可以和双键共轭，往往会导致有多种反应位点产生，生成多种产物。
苄基阳离子（苯甲基阳离子）与烯丙基阳离子一样稳定，但不存在多种反应位点的可能性。如下图所示，正电荷可以在苯环内部离域，所以大大增加了碳正离子的稳定性。但是为了保留苯环的芳香性（破坏苯环芳香性需要巨大的能量），反应总是在侧链上进行。
三、带有孤对电子的杂原子稳定碳正离子
先来看一个例子，被称为甲基氯甲醚的烷基氯化物，MeOCH2Cl，与醇很好地反应生成醚。作为一种伯烷基氯化物，它却能很快地发生取代反应，是因为它能够形成很稳定的碳正离子，从而以Sn1的机理进行反应。
可以看出，氧的孤对电子踢掉了氯，生成了碳正离子，但是由于旁边的氧有孤对电子，可以和碳的空轨道共轭，因此可以用来稳定碳正离子，正电荷可以在碳原子和氧原子上离域，也能大大增加碳正离子的稳定性。这种稳定方式称为邻位孤对电子稳定。这种方式在很多反应中都存在，比如缩酮的水解反应：
同理，邻位的原子除了氧原子外，氮原子和硫原子也能有类似的稳定方式。
