6.3: Nucleófilos

La palabra "nucleófilo" tiene una raíz griega y se traduce como amante del núcleo. Los nucleófilos son especies neutras o cargadas negativamente con un par de electrones en un orbital molecular ocupado de alta energía (HOMO). Como estas especies tienden a donar pares de electrones, los nucleófilos también se consideran bases de Lewis. Las especies cargadas negativamente, como OH⁻, Cl⁻ o HS⁻, con uno o varios pares de electrones, suelen ser nucleófilos. De manera similar, las especies neutras como el amoníaco, las aminas, el agua y el alcohol tienen pares de electrones solitarios no enlazantes y pueden actuar como nucleófilos. Además, las moléculas sin un par de electrones solitarios aún pueden actuar como nucleófilos, como los alquenos y los anillos aromáticos con orbitales π enlazantes.

La fuerza relativa de un nucleófilo para desplazar a un grupo saliente en una reacción de sustitución se llama nucleofilicidad. Las especies con carga negativa son más nucleófilas que sus especies neutrales. Como regla empírica, cuanto mayor sea el pK_a de un ácido conjugado, mejor será el nucleófilo. Por ejemplo, el ion hidróxido, una base conjugada de agua (pK_a 15,7), es mejor nucleófilo que el ion acetato, una base conjugada de ácido acético (pK_a~5).

Dado que la nucleofilicidad no es una propiedad inherente otorgada a una especie específica, se ve afectada por muchos factores, incluido el tipo de disolvente en el que se lleva a cabo la reacción. En los disolventes próticos polares, la alta solvatación de aniones reduce la disponibilidad del nucleófilo para participar en reacciones de sustitución.

Al comparar los haluros, el fluoruro, que es el anión más pequeño y electronegativo, es el que se solvata más fuerte, mientras que el yoduro, el ion más grande y menos electronegativo, es el que menos se solvata. Por tanto, en los disolventes próticos polares, el yoduro es el mejor nucleófilo. Sin embargo, en los disolventes apróticos polares, los aniones están "desnudos" debido a una mala solvatación y pueden participar libremente en un ataque nucleofílico. En los disolventes apróticos polares, la basicidad del nucleófilo dicta su nucleofilicidad, lo que convierte al fluoruro en el mejor nucleófilo.

Además, la polarizabilidad de los átomos afecta la nucleofilicidad. La polarizabilidad describe la facilidad con la que se pueden distorsionar los electrones en la nube. Un nucleófilo con un átomo grande tiene una mayor polarizabilidad, lo que significa que puede donar una mayor densidad de electrones al electrófilo en comparación con un átomo pequeño, cuyos electrones están retenidos con mayor fuerza.

En una reacción de sustitución nucleofílica, la molécula reactiva que desplaza al grupo saliente en el sustrato se denomina nucleófilo.

Los nucleófilos son especies ricas en electrones y, por definición, bases de Lewis. El átomo nucleofílico tiene una alta densidad de electrones y dona sus electrones a un centro parcialmente positivo y deficiente en electrones, formando así un nuevo enlace.

Los reactivos nucleofílicos pueden ser aniónicos o neutros. Los nucleófilos aniónicos son iones negativos que contienen uno o más pares solitarios de igual energía, generalmente en heteroátomos. Los pares solitarios no enlazantes ocupan orbitales moleculares de alta energía, lo que los hace menos estables y más reactivos.

Por ejemplo, el nucleófilo de carbono aniónico, al igual que el ion cianuro, tiene un par solitario tanto en el carbono como en el nitrógeno. Sin embargo, dado que el orbital sp del carbono es más alto en energía que el del nitrógeno, el carbono es el centro nucleofílico.

Los nucleófilos neutros tienen uno o más pares de electrones no compartidos en los orbitales moleculares ocupados más altos de, en su mayoría, heteroátomos.

Además, en especies como los alquenos que no tienen pares solitarios, una región de alta densidad de electrones, el enlace pi, funciona como sitio nucleofílico.

Un nucleófilo neutro es menos nucleofílico que su forma aniónica, debido a la ausencia de una carga negativa.

En general, los valores de pK_a de los ácidos se pueden utilizar para evaluar la fuerza de sus bases conjugadas o nucleófilos. En el caso de moléculas que contienen el mismo átomo nucleofílico, cuanto mayor sea el pK_as de sus ácidos conjugados, más fuerte será el nucleófilo.     

El producto de una reacción de sustitución nucleofílica depende del tipo de nucleófilo utilizado.

Cuando un nucleófilo aniónico reacciona con el sustrato, el enlace covalente formado neutraliza la carga formal del nucleófilo, lo que da como resultado un producto neutro.

En comparación, cuando un nucleófilo neutro reacciona con el sustrato, el nucleófilo obtiene una carga formal positiva. Un paso de desprotonación que sigue completa la reacción, lo que da como resultado un producto neutro.