6.3
Słowo "nukleofil" ma grecki źródłosłów i oznacza miłośnika jąder atomowych. Nukleofile to gatunki naładowane ujemnie lub obojętne, posiadające parę el…
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 pKa kwasów można wykorzystać do oceny siły ich sprzężonych zasad lub nukleofilów. W przypadku cząsteczek zawierających ten sam atom nukleofilowy, im wyższa wartość pKas 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.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What makes a nucleophile electron-rich and why does it act as a Lewis base?
Nucleophiles are electron-rich species with high electron density on their nucleophilic atom. They donate electron pairs to electron-deficient centers, forming new bonds. Because nucleophiles donate electrons, they function as Lewis bases by definition. This electron-donating behavior is fundamental to nucleophilic substitution reactions.
Q2: How do anionic and neutral nucleophiles differ in their reactivity?
Anionic nucleophiles are negatively charged ions with lone pairs on heteroatoms, occupying high-energy molecular orbitals that make them more reactive. Neutral nucleophiles have unshared electron pairs but lack the negative charge, making them less nucleophilic than their anionic counterparts. When anionic nucleophiles react, they form neutral products; neutral nucleophiles gain positive formal charge, requiring deprotonation to complete the reaction.
Q3: Why is the pKa of a conjugate acid useful for predicting nucleophile strength?
The pKa of conjugate acids helps evaluate nucleophile strength because higher pKa values indicate stronger nucleophiles. For molecules with the same nucleophilic atom, comparing pKa values reveals which conjugate base is more stable and therefore more reactive. This relationship allows chemists to predict nucleophilicity without directly measuring it.
Q4: How does solvent type affect the nucleophilicity of halide ions?
In polar protic solvents, anions are heavily solvated, reducing their availability for nucleophilic attack. Fluoride, being smallest and most electronegative, is solvated strongest, while iodide is solvated least, making iodide the best nucleophile in polar protic solvents. In polar aprotic solvents, anions are poorly solvated and remain naked, allowing basicity to dictate nucleophilicity, making fluoride the best nucleophile.
Q5: What role does atom polarizability play in nucleophilic reactivity?
Polarizability describes how easily electrons in an atom's electron cloud can be distorted. Larger atoms have greater polarizability, allowing them to donate higher electron density to electrophiles compared to smaller atoms, whose electrons are held more tightly. This increased electron availability makes nucleophiles with larger atoms more reactive in nucleophilic substitution reactions.
Q6: Can species without lone pairs act as nucleophiles?
Yes, species like alkenes and aromatic rings without lone pairs can act as nucleophiles. These molecules have high electron density regions in their pi bonds that function as nucleophilic sites. The pi electrons can be donated to electron-deficient centers, allowing these species to participate in nucleophilic reactions despite lacking traditional lone pairs.
Q7: How do nucleophiles interact with electrophiles in substitution reactions?
Nucleophiles donate electron pairs to electrophiles, which are electron-deficient centers. The nucleophilic atom, with high electron density, forms a new covalent bond with the electrophile while displacing the leaving group from the substrate. This electron transfer from nucleophile to electrophile is the fundamental mechanism driving nucleophilic substitution reactions.