6.3: Nucleofili

La parola “nucleofilo” ha una radice greca e si traduce in amante del nucleo. I nucleofili sono specie cariche negativamente o neutre con una coppia di elettroni in un orbitale molecolare occupato ad alta energia (HOMO). Poiché queste specie tendono a donare coppie di elettroni, anche i nucleofili sono considerati basi di Lewis. Le specie cariche negativamente, come OH⁻, Cl⁻ o HS⁻, con una o più coppie di elettroni, sono tipicamente nucleofili. Allo stesso modo, specie neutre come ammoniaca, ammine, acqua e alcol hanno coppie solitarie di elettroni che non si legano e possono agire come nucleofili. Inoltre, le molecole senza una coppia solitaria di elettroni possono ancora agire come nucleofili, come gli alcheni e gli anelli aromatici con orbitali π di legame.

La forza relativa di un nucleofilo di spostare un gruppo uscente in una reazione di sostituzione è chiamata nucleofilicità. Le specie caricate negativamente sono più nucleofile delle loro controparti neutre. Come regola empirica, maggiore è il pK_a di un acido coniugato, migliore è il nucleofilo. Ad esempio, lo ione idrossido, una base coniugata dell'acqua (pK_a 15,7), è un nucleofilo migliore dello ione acetato, una base coniugata dell'acido acetico (pK_a~5).

Poiché la nucleofilicità non è una proprietà intrinseca data ad una specie specifica, è influenzata da molti fattori, incluso il tipo di solvente in cui viene condotta la reazione. Nei solventi protici polari, l’elevata solvatazione degli anioni riduce la disponibilità del nucleofilo a partecipare alle reazioni di sostituzione.

Quando si confrontano gli alogenuri, il fluoruro, essendo l'anione più piccolo e più elettronegativo, è il più forte solvatato, mentre lo ioduro, lo ione più grande e meno elettronegativo, è il meno solvatato. Pertanto, nei solventi protici polari, lo ioduro è il miglior nucleofilo. Nei solventi polari aprotici, invece, gli anioni sono “nudi” a causa della scarsa solvatazione e possono partecipare liberamente ad un attacco nucleofilo. Nei solventi polari aprotici, la basicità del nucleofilo determina la sua nucleofilicità rendendo il fluoruro il miglior nucleofilo.

Inoltre, la polarizzabilità degli atomi influisce sulla nucleofilicità. La polarizzabilità descrive la facilità con cui gli elettroni nella nuvola possono essere distorti. Un nucleofilo con un atomo grande ha una maggiore polarizzabilità, il che significa che può donare una densità elettronica maggiore all'elettrofilo rispetto adun atomo piccolo, i cui elettroni sono trattenuti più strettamente.

In una reazione di sostituzione nucleofila, la molecola reagente che sposta il gruppo uscente nel substrato è chiamata nucleofilo.

I nucleofili sono specie ricche di elettroni e, per definizione, basi di Lewis. L'atomo nucleofilo ha un'alta densità di elettroni e dona i suoi elettroni a un centro parzialmente positivo, carente di elettroni, creando così un nuovo legame.

I reagenti nucleofili sono anionici o neutri. I nucleofili anionici sono ioni negativi contenenti una o più coppie solitarie di uguale energia, di solito su eteroatomi. Le coppie solitarie che non si legano occupano orbitali molecolari ad alta energia, il che le rende meno stabili e più reattive.

Ad esempio, il nucleofilo anionico del carbonio, come lo ione cianuro, ha una coppia solitaria sia sul carbonio che sull'azoto. Tuttavia, poiché l'orbitale sp del carbonio ha un'energia più alta di quella dell'azoto, il carbonio è il centro nucleofilo.

I nucleofili neutri hanno una o più coppie di elettroni non condivisi sugli orbitali molecolari più alti occupati, per lo più, di eteroatomi.

Inoltre, in specie come gli alcheni che non hanno coppie solitarie, una regione ad alta densità elettronica - il legame pi greco - funziona come sito nucleofilo.

Un nucleofilo neutro è meno nucleofilo della sua forma anionica, a causa dell'assenza di una carica negativa.

In generale, i valori di pK_a degli acidi possono essere utilizzati per valutare la forza delle loro basi coniugate o nucleofili. Nel caso di molecole contenenti lo stesso atomo nucleofilo, più alto è il pK_as dei loro acidi coniugati, più forte sarà il nucleofilo.     

Il prodotto di una reazione di sostituzione nucleofila dipende dal tipo di nucleofilo utilizzato.

Quando un nucleofilo anionico reagisce con il substrato, il legame covalente formato neutralizza la carica formale del nucleofilo, risultando in un prodotto neutro.

In confronto, quando un nucleofilo neutro reagisce con il substrato, il nucleofilo acquisisce una carica formale positiva. Una fase di deprotonazione che segue completa la reazione, risultando in un prodotto neutro.