Nukleophile

Bei einer nukleophilen Substitutionsreaktion wird das Reaktantenmolekül, das die Abgangsgruppe im Substrat verdrängt, als Nukleophil bezeichnet.

Nukleophile sind elektronenreiche Spezies und per Definition Lewis-Basen. Das nukleophile Atom hat eine hohe Elektronendichte und gibt seine Elektronen an ein teilweise positives, elektronenarmes Zentrum ab, wodurch eine neue Bindung entsteht.

Nukleophile Reagenzien sind entweder anionisch oder neutral. Anionische Nukleophile sind negative Ionen, die ein oder mehrere einsame Paare gleicher Energie enthalten, normalerweise auf Heteroatomen. Die nicht bindenden Einzelpaare besetzen hochenergetische Molekülorbitale, wodurch sie weniger stabil und reaktionsschneller sind.

Zum Beispiel hat das anionische Kohlenstoffnukleophil wie das Cyanidion ein einzelnes Paar sowohl auf dem Kohlenstoff als auch auf dem Stickstoff. Da das sp-Orbital des Kohlenstoffs jedoch energiereicher ist als das des Stickstoffs, ist Kohlenstoff das nukleophile Zentrum.

Neutrale Nukleophile haben ein oder mehrere ungeteilte Elektronenpaare auf den höchsten besetzten Molekülorbitalen von meist Heteroatomen.

Darüber hinaus fungiert bei Spezies wie Alkenen, die keine einsamen Paare haben, ein Bereich mit hoher Elektronendichte – die Pi-Bindung – als nukleophile Stelle.

Ein neutrales Nukleophil ist weniger nukleophil als seine anionische Form, da keine negative Ladung vorhanden ist.

Im Allgemeinen können pK_a-Werte von Säuren verwendet werden, um die Stärke ihrer konjugierten Basen oder Nukleophile zu bewerten. Bei Molekülen, die das gleiche nukleophile Atom enthalten, ist das Nukleophil umso stärker, je höher der pK_as ihrer konjugierten Säuren ist.     

Das Produkt einer nukleophilen Substitutionsreaktion hängt von der Art des verwendeten Nukleophils ab.

Wenn ein anionisches Nukleophil mit dem Substrat reagiert, neutralisiert die gebildete kovalente Bindung die formale Ladung des Nukleophils, was zu einem neutralen Produkt führt.

Im Vergleich dazu erhält ein neutrales Nukleophil, wenn es mit dem Substrat reagiert, eine positive formale Ladung. Ein anschließender Deprotonierungsschritt schließt die Reaktion ab, wodurch ein neutrales Produkt entsteht.