6.3: 亲核试剂

"亲核试剂"（"nucleophile"）一词源于希腊语，意为"亲核"。 亲核试剂是带负电或中性物质，在高能占据分子轨道 (HOMO) 中具有一对电子。 由于这些物质倾向于提供电子对，因此亲核试剂也被认为是路易斯碱。 带负电的物质，如 OH⁻、Cl⁻ 或 HS⁻，具有一对或多对电子，通常是亲核试剂。 同样，氨、胺、水和醇等中性物质具有非键合孤对电子，可以充当亲核试剂。 此外，没有孤对电子的分子仍然可以充当亲核试剂，例如具有键合 π 轨道的烯烃和芳环。

亲核试剂在取代反应中取代离去基团的相对强度称为亲核性。 带负电的物质比中性的对应物质更具亲核性。 根据经验规则，共轭酸的 pKa 越高，亲核试剂越好。 例如，氢氧根离子——水的共轭碱（pK_a 15.7）是比乙酸根离子——乙酸的共轭碱（pK_a~5）更好的亲核试剂。

由于亲核性不是特定物种的固有性质，因此它受到许多因素的影响，包括进行反应的溶剂类型。 在极性质子溶剂中，阴离子的高度溶剂化降低了亲核试剂参与取代反应的可用性。

当比较卤化物时，氟化物是最小且电负性最强的阴离子，其溶剂化最强，而碘化物是最大且电负性最小的离子，其溶剂化最少。 因此，在极性质子溶剂中，碘化物是最好的亲核试剂。 然而，在极性非质子溶剂中，阴离子由于溶剂化不良而"裸露"，并且可以自由参与亲核攻击。 在极性非质子溶剂中，亲核试剂的碱性决定了其亲核性，使氟化物成为最好的亲核试剂。

此外，原子的极化率影响亲核性。 极化率描述了云中电子扭曲的容易程度。 具有大原子的亲核试剂具有更大的极化性，这意味着与电子被更紧密地固定的小原子相比，它可以向亲电子试剂提供更高的电子密度。

在亲核取代反应中，取代底物中离去基团的反应物分子称为亲核试剂。

亲核试剂是富含电子的物种，根据定义，是 Lewis 碱基。亲核原子具有高电子密度，并将其电子提供给部分正的缺电子中心，从而形成新的键。

亲核试剂为阴离子或中性。阴离子亲核试剂是包含一个或多个等能的孤对电子的负离子，通常位于杂原子上。非键合孤对电子占据高能分子轨道，这使得它们不太稳定且反应性更强。

例如，阴离子碳亲核试剂和氰化物离子一样，在碳和氮上都有一个孤对电子。然而，由于碳的 sp 轨道的能量高于氮的能量，因此碳是亲核中心。

中性亲核试剂在大多数杂原子的最高占据分子轨道上具有一个或多个未共享的电子对。

此外，在烯烃等没有孤对电子的物种中，高电子密度区域 - π 键 - 充当亲核位点。

由于没有负电荷，中性亲核试剂的亲核性低于其阴离子形式。

通常，酸的 pK_a 值可用于评估其偶联碱基或亲核试剂的强度。在含有相同亲核原子的分子的情况下，其共轭酸的 pK_as 越高，亲核试剂就越强。    

亲核取代反应的产物取决于所使用的亲核试剂的类型。

当阴离子亲核试剂与底物反应时，形成的共价键中和了亲核试剂的正式电荷，从而产生中性产物。

相比之下，当中性亲核试剂与底物反应时，亲核试剂获得正的形式电荷。随后的去质子化步骤完成反应，产生中性产物。