6.3: Nucléophiles

Le mot “nucléophile” a une racine grecque et se traduit par “aimant le noyau”. Les nucléophiles sont des espèces chargées négativement ou neutres avec une paire d'électrons dans une orbitale moléculaire occupée à haute énergie (HOMO). Comme ces espèces ont tendance à donner des paires d’électrons, les nucléophiles sont également considérés comme des bases de Lewis. Les espèces chargées négativement, comme OH⁻, Cl⁻ ou HS⁻, avec une ou plusieurs paires d'électrons, sont généralement des nucléophiles. De même, les espèces neutres telles que l’ammoniac, les amines, l’eau et l’alcool ont des paires d’électrons non liantes et peuvent agir comme nucléophiles. De plus, les molécules sans doublet libre d’électrons peuvent toujours agir comme nucléophiles, comme les alcènes et les cycles aromatiques avec des orbitales π de liaison.

La puissance relative d'un nucléophile à déplacer un groupe partant dans une réaction de substitution est appelée nucléophile. Les espèces chargées négativement sont plus nucléophiles que leurs homologues neutres. En règle empirique, plus le pK_a d’un acide conjugué est élevé, meilleur est le nucléophile. Par exemple, l’ion hydroxyde – une base conjuguée de l’eau (pK_a 15,7) est un meilleur nucléophile que l’ion acétate – une base conjuguée de l’acide acétique (pK_a ~ 5).

Puisque la nucléophilie n’est pas une propriété inhérente attribuée à une espèce spécifique, elle est affectée par de nombreux facteurs, notamment le type de solvant dans lequel la réaction est réalisée. Dans les solvants protiques polaires, une solvatation élevée des anions réduit la disponibilité du nucléophile à participer aux réactions de substitution.

Lorsque l'on compare les halogénures, le fluorure, étant l'anion le plus petit et le plus électronégatif, est le plus solvaté, tandis que l'iodure, l'ion le plus gros et le moins électronégatif, est le moins solvaté. Ainsi, dans les solvants protiques polaires, l’iodure est le meilleur nucléophile. Cependant, dans les solvants polaires aprotiques, les anions sont “nus” en raison d’une mauvaise solvatation et peuvent participer librement à une attaque nucléophile. Dans les solvants polaires aprotiques, la basicité du nucléophile dicte sa nucléophilie, faisant du fluorure le meilleur nucléophile.

De plus, la polarisabilité des atomes affecte la nucléophilie. La polarisabilité décrit la facilité avec laquelle les électrons du nuage peuvent être déformés. Un nucléophile avec un gros atome a une plus grande polarisabilité, ce qui signifie qu'il peut donner une densité électronique plus élevée à l'électrophile par rapport à un petit atome, dont les électrons sont retenus plus étroitement.

Dans une réaction de substitution nucléophile, la molécule réactive qui déplace le groupe partant dans le substrat est appelée nucléophile.

Les nucléophiles sont des espèces riches en électrons et, par définition, des bases de Lewis. L’atome nucléophile a une densité électronique élevée et donne ses électrons à un centre partiellement positif et déficient en électrons, créant ainsi une nouvelle liaison.

Les réactifs nucléophiles sont soit anioniques, soit neutres. Les nucléophiles anioniques sont des ions négatifs contenant un ou plusieurs doublets non liants d’énergie égale, généralement sur des hétéroatomes. Les doublets non liants occupent des orbitales moléculaires de haute énergie, ce qui les rend moins stables et plus réactifs.

Par exemple, le nucléophile anionique du carbone, comme l’ion cyanure, a un doublet non liant à la fois sur le carbone et l’azote. Cependant, comme l’orbitale sp du carbone est plus élevée en énergie que celle de l’azote, le carbone est le centre nucléophile.

Les nucléophiles neutres ont une ou plusieurs paires d’électrons non partagées sur les orbitales moléculaires les plus occupées, principalement des hétéroatomes.

De plus, chez des espèces comme les alcènes qui n’ont pas de doublets non liants, une région à haute densité électronique – la liaison pi – fonctionne comme le site nucléophile.

Un nucléophile neutre est moins nucléophile que sa forme anionique, en raison de l’absence de charge négative.

En général, les valeurs pK_a des acides peuvent être utilisées pour évaluer la force de leurs bases conjuguées ou nucléophiles. Dans le cas de molécules contenant le même atome nucléophile, plus le pK_as de leurs acides conjugués est élevé, plus le nucléophile sera fort.     

Le produit d’une réaction de substitution nucléophile dépend du type de nucléophile utilisé.

Lorsqu’un nucléophile anionique réagit avec le substrat, la liaison covalente formée neutralise la charge formelle du nucléophile, ce qui donne un produit neutre.

En comparaison, lorsqu’un nucléophile neutre réagit avec le substrat, le nucléophile acquiert une charge formelle positive. Une étape de déprotonation qui suit complète la réaction, ce qui donne un produit neutre.