6.3: Nucleófilos

A palavra “nucleófilo” tem raiz grega e se traduz como amante do núcleo. Os nucleófilos são espécies carregadas negativamente ou neutras com um par de elétrons em um orbital molecular ocupado de alta energia (HOMO). Como essas espécies tendem a doar pares de elétrons, os nucleófilos também são considerados bases de Lewis. Espécies carregadas negativamente, como OH⁻, Cl⁻ ou HS⁻, com um ou vários pares de elétrons, são tipicamente nucleófilos. Da mesma forma, espécies neutras como amônia, aminas, água e álcool têm pares de elétrons solitários não-ligantes e podem atuar como nucleófilos. Além disso, moléculas sem um par solitário de elétrons ainda podem atuar como nucleófilos, como alcenos e anéis aromáticos com orbitais π de ligação.

A força relativa de um nucleófilo para deslocar um grupo de saída em uma reação de substituição é chamada de nucleofilicidade. As espécies carregadas negativamente são mais nucleofílicas do que as espécies neutras. Como regra empírica, quanto maior o pK_a de um ácido conjugado, melhor será o nucleófilo. Por exemplo, o íon hidróxido – uma base conjugada de água (pK_a 15,7) é um nucleófilo melhor do que o íon acetato – uma base conjugada de ácido acético (pK_a ~ 5).

Como a nucleofilicidade não é uma propriedade inerente a uma espécie específica, ela é afetada por muitos fatores, incluindo o tipo de solvente no qual a reação é conduzida. Em solventes próticos polares, a alta solvatação de ânions reduz a disponibilidade do nucleófilo para participar de reações de substituição.

Ao comparar haletos, o fluoreto, sendo o ânion menor e mais eletronegativo, é solvatado mais fortemente, enquanto o iodeto, o maior e menos eletronegativo, é menos solvatado. Assim, em solventes próticos polares, o iodeto é o melhor nucleófilo. Em solventes apróticos polares, entretanto, os ânions ficam “nus” devido à fraca solvatação e podem participar livremente de um ataque nucleofílico. Em solventes apróticos polares, a basicidade do nucleófilo dita a sua nucleofilicidade, fazendo do fluoreto o melhor nucleófilo.

Além disso, a polarizabilidade dos átomos afeta a nucleofilicidade. A polarizabilidade descreve a facilidade com que os elétrons na nuvem podem ser distorcidos. Um nucleófilo com um átomo grande tem maior polarizabilidade, o que significa que pode doar uma maior densidade eletrônica ao eletrófilo em comparação com um átomo pequeno, cujos elétrons são mantidos com mais fortemente.

Em uma reação de substituição nucleofílica, a molécula reagente que desloca o grupo de saída no substrato é chamada de nucleófilo.

Os nucleófilos são espécies ricas em elétrons e, por definição, bases de Lewis. O átomo nucleofílico tem uma alta densidade de elétrons e doa seus elétrons para um centro parcialmente positivo e deficiente em elétrons, fazendo assim uma nova ligação.

Os reagentes nucleofílicos são aniônicos ou neutros. Nucleófilos aniônicos são íons negativos contendo um ou mais pares isolados de igual energia, geralmente em heteroátomos. Os pares isolados não ligantes ocupam orbitais moleculares de alta energia, o que os torna menos estáveis e mais reativos.

Por exemplo, o nucleófilo de carbono aniônico, como o íon cianeto, tem um par solitário tanto no carbono quanto no nitrogênio. No entanto, como o orbital sp do carbono é mais alto em energia do que o do nitrogênio, o carbono é o centro nucleofílico.

Os nucleófilos neutros têm um ou mais pares de elétrons não compartilhados nos orbitais moleculares ocupados mais altos de, principalmente, heteroátomos.

Além disso, em espécies como os alcenos que não têm pares isolados, uma região de alta densidade de elétrons - a ligação pi - funciona como o sítio nucleofílico.

Um nucleófilo neutro é menos nucleofílico do que sua forma aniônica, devido à ausência de carga negativa.

Em geral, os valores de pK_a dos ácidos podem ser usados para avaliar a força de suas bases conjugadas ou nucleófilos. No caso de moléculas contendo o mesmo átomo nucleofílico, quanto maior o pK_as de seus ácidos conjugados, mais forte será o nucleófilo.     

O produto de uma reação de substituição nucleofílica depende do tipo de nucleófilo usado.

Quando um nucleófilo aniônico reage com o substrato, a ligação covalente formada neutraliza a carga formal do nucleófilo, resultando em um produto neutro.

Em comparação, quando um nucleófilo neutro reage com o substrato, o nucleófilo ganha uma carga formal positiva. Uma etapa de desprotonação que se segue completa a reação, resultando em um produto neutro.