6.3: Nukleofile

Słowo "nukleofil" ma grecki źródłosłów i oznacza miłośnika jąder atomowych. Nukleofile to gatunki naładowane ujemnie lub obojętne, posiadające parę elektronów na orbitalu molekularnym zajętym o wysokiej energii (HOMO). Ponieważ gatunki te mają tendencję do oddawania par elektronów, nukleofile są również uważane za zasady Lewisa. Gatunki naładowane ujemnie, takie jak OH⁻, Cl⁻ lub HS⁻, z jedną lub kilkoma parami elektronów, są zazwyczaj nukleofilami. Podobnie związki obojętne, takie jak amoniak, aminy, woda i alkohol, mają niewiążące, wolne pary elektronów i mogą działać jako nukleofile. Co więcej, cząsteczki bez wolnej pary elektronów mogą nadal działać jako nukleofile, takie jak alkeny i pierścienie aromatyczne z wiążącymi orbitalami π.

Względna siła nukleofila do wyparcia grupy opuszczającej w reakcji podstawienia nazywana jest nukleofilowością. Gatunki naładowane ujemnie są bardziej nukleofilowe niż ich neutralne odpowiedniki. Z reguły wynika, że im wyższe pK_a sprzężonego kwasu, tym lepszy nukleofil. Na przykład jon wodorotlenkowy – sprzężona zasada wody (pK_a 15,7) jest lepszym nukleofilem niż jon octanowy – sprzężona zasada kwasu octowego (pK_a~5).

Ponieważ nukleofilowość nie jest nieodłączną właściwością danego gatunku, ma na nią wpływ wiele czynników, w tym rodzaj rozpuszczalnika, w którym prowadzona jest reakcja. W polarnych rozpuszczalnikach protonowych wysoka solwatacja anionów zmniejsza dostępność nukleofilów do udziału w reakcjach podstawienia.

Porównując halogenki, fluor, będący najmniejszym i najbardziej elektroujemnym anionem, ulega solwatacji najsilniej, podczas gdy jodek, największy i najmniej elektroujemny jon, ulega solwatacji najmniej. Zatem w polarnych rozpuszczalnikach protonowych jodek jest najlepszym nukleofilem. Jednakże w polarnych rozpuszczalnikach aprotonowych aniony są „nagie” z powodu słabej solwatacji i mogą swobodnie uczestniczyć w ataku nukleofilowym. W polarnych rozpuszczalnikach aprotonowych zasadowość nukleofila decyduje o jego nukleofilowości, co czyni fluor najlepszym nukleofilem.

Ponadto polaryzowalność atomów wpływa na nukleofilowość. Polaryzowalność opisuje, jak łatwo elektrony w chmurze mogą zostać zniekształcone. Nukleofil z dużym atomem ma większą polaryzowalność, co oznacza, że może przekazać elektrofilowi większą gęstość elektronów w porównaniu z małym atomem, którego elektrony są trzymane mocniej.

W reakcji substytucji nukleofilowej cząsteczka reagenta, która wypiera grupę opuszczającą w podłożu, nazywana jest nukleofilem.

Nukleofile są gatunkami bogatymi w elektrony i z definicji zasadami Lewisa. Atom nukleofilowy ma wysoką gęstość elektronową i przekazuje swoje elektrony do częściowo dodatniego centrum z niedoborem elektronów, tworząc w ten sposób nowe wiązanie.

Odczynniki nukleofilowe są anionowe lub obojętne. Nukleofile anionowe to jony ujemne zawierające jedną lub więcej samotnych par o równej energii, zwykle na heteroatomach. Niewiążące się samotne pary zajmują wysokoenergetyczne orbitale molekularne, co czyni je mniej stabilnymi i bardziej reaktywnymi.

Na przykład anionowy nukleofil węglowy, podobnie jak jon cyjanku, ma samotną parę zarówno na węglu, jak i azocie. Ponieważ jednak orbital sp węgla ma wyższą energię niż orbital azotu, węgiel jest centrum nukleofilowym.

Neutralne nukleofile mają jedną lub więcej niewspółdzielonych par elektronów na najwyższych zajmowanych orbitalach molekularnych, głównie heteroatomów.

Co więcej, w gatunkach takich jak alkeny, które nie mają samotnych par, obszar o wysokiej gęstości elektronów - wiązanie pi - działa jako miejsce nukleofilowe.

Obojętny nukleofil jest mniej nukleofilowy niż jego forma anionowa, ze względu na brak ładunku ujemnego.

Ogólnie rzecz biorąc, wartości pK_a kwasów można wykorzystać do oceny siły ich sprzężonych zasad lub nukleofilów. W przypadku cząsteczek zawierających ten sam atom nukleofilowy, im wyższa wartość pK_as ich sprzężonych kwasów, tym silniejszy będzie nukleofil.     

Produkt reakcji substytucji nukleofilowej zależy od rodzaju użytego nukleofilu.

Kiedy nukleofil anionowy reaguje z substratem, utworzone wiązanie kowalencyjne neutralizuje ładunek formalny nukleofila, w wyniku czego powstaje obojętny produkt.

Dla porównania, gdy obojętny nukleofil reaguje z substratem, nukleofil zyskuje dodatni ładunek formalny. Następujący po nim etap deprotonacji kończy reakcję, w wyniku której powstaje produkt obojętny.