Nucleofili

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.