6.3: 求核試薬

「求核剤」という言葉はギリシャ語に語源があり、核に友好的であるという意味を持ちます。 求核試薬は、高エネルギー被占分子軌道 (HOMO) 内に一対の電子を持つ、負に帯電した種または中性種のいずれかです。 これらの種は電子対を供与する傾向があるため、求核剤もルイス塩基とみなされます。 OH⁻, Cl⁻、HS⁻ など、1 対または数対の電子を持つ負に荷電した種は、通常求核試薬です。 同様に、アンモニア、アミン、水、アルコールなどの中性種は非結合孤立電子対を持ち、求核剤として作用する可能性があります。 さらに、アルケンや結合π軌道を持つ芳香環など、孤立電子対を持たない分子でも求核剤として機能する可能性があります。

置換反応において脱離基を置換する求核剤の相対的な強さは、求核性と呼ばれます。 負に帯電した種は、中性の対応する種よりも求核性が高くなります。 経験則として、共役酸の pK_a が高いほど、求核剤は優れています。 たとえば、水の共役塩基である水酸化物イオン (pK_a 15.7) は、酢酸の共役塩基である酢酸イオン (pK_a ～ 5) よりも優れた求核剤です。

求核性は特定の種に固有の特性ではないため、反応が行われる溶媒の種類など、多くの要因の影響を受けます。 極性プロトン性溶媒では、アニオンの溶媒和が高いため、置換反応に参加する求核試薬の利用可能性が低下します。

ハロゲン化物を比較すると、最も小さく最も電気陰性度の高いアニオンであるフッ化物が最も強く溶媒和されますが、最も大きく最も電気陰性度の低いイオンであるヨウ化物は最も溶媒和されません。 したがって、極性プロトン性溶媒では、ヨウ化物が最良の求核剤となります。 しかし、極性非プロトン性溶媒では、アニオンは溶媒和が不十分なため「裸」であり、求核攻撃に自由に参加できます。 極性非プロトン性溶媒では、求核剤の塩基性がその求核性を決定し、フッ化物が最良の求核剤となります。

さらに、原子の分極率は求核性に影響します。 分極率は、雲内の電子がどれだけ簡単に歪むかを表します。 大きな原子を持つ求核剤は分極率が高く、電子がよりしっかりと保持されている小さな原子と比較して、より高い電子密度を求電子剤に供与できることを意味します。

求核置換反応では、基質内の脱離基を置換する反応分子を求核剤と呼びます。

求核剤は電子が豊富な種であり、定義上、ルイス塩基です。求核原子は電子密度が高く、その電子を部分的に正の電子欠乏中心に供与することで、新しい結合を形成します。

求核試薬は、アニオン性または中性のいずれかです。陰イオン性求核剤は、通常はヘテロ原子上に等しいエネルギーの1つ以上の孤立電子対を含むマイナスイオンです。非結合性の孤立電子対は高エネルギーの分子軌道を占めるため、安定性が低く、反応性が高くなります。

例えば、アニオン性炭素求核剤は、シアン化物イオンと同様に、炭素と窒素の両方に孤立電子対を持っています。しかし、炭素のsp軌道は窒素の軌道よりもエネルギーが高いため、炭素は求核中心です。

中性求核剤は、主にヘテロ原子の最も占められている分子軌道上に1つ以上の非共有電子対を持っています。

さらに、孤立電子対を持たないアルケンのような種では、電子密度の高い領域であるπ結合が求核部位として機能します。

中性求核剤は、負電荷がないため、その陰イオン型よりも求核性が低くなります。

一般に、酸のpK_a値を使用して、それらの共役塩基または求核剤の強度を評価できます。同じ求核原子を含む分子の場合、それらの共役酸のpK_asが高いほど、求核剤は強くなります。    

求核置換反応の生成物は、使用する求核剤の種類によって異なります。

陰イオン性求核剤が基質と反応すると、形成された共有結合が求核剤の形式電荷を中和し、中性生成物が得られます。

これに対し、中性の求核剤が基質と反応すると、求核剤は正の形式電荷を獲得します。その後の脱プロトン化ステップにより反応が完了し、中性生成物が得られます。