6.3: Нуклеофилы

Слово «нуклеофил» имеет греческий корень и переводится как «любящий ядро». Нуклеофилы представляют собой либо отрицательно заряженные, либо нейтральные виды с парой электронов на высокоэнергетической занятой молекулярной орбитали (ВЗМО). Поскольку эти виды имеют тенденцию отдавать электронные пары, нуклеофилы также считаются основаниями Льюиса. Отрицательно заряженные частицы, такие как OH⁻, Cl⁻ или HS⁻, с одной или несколькими парами электронов, обычно являются нуклеофилами. Точно так же нейтральные вещества, такие как аммиак, амины, вода и спирт, имеют несвязывающие неподеленные пары электронов и могут действовать как нуклеофилы. Более того, молекулы без неподеленной пары электронов все еще могут действовать как нуклеофилы, такие как алкены и ароматические кольца со связывающими π-орбиталями.

Относительная способность нуклеофила замещать уходящую группу в реакции замещения называется нуклеофильностью. Отрицательно заряженные виды более нуклеофильны, чем их нейтральные аналоги. Эмпирическое правило: чем выше pK_a сопряженной кислоты, тем лучше нуклеофил. Например, гидроксид-ион — сопряженное основание воды (pK_a=15,7) является лучшим нуклеофилом, чем ацетат-ион — сопряженное основание уксусной кислоты (pK_a~5).

Поскольку нуклеофильность не является свойством, присущим конкретному виду, на нее влияют многие факторы, включая тип растворителя, в котором проводится реакция. В полярных протонных растворителях высокая сольватация анионов снижает доступность нуклеофила к участию в реакциях замещения.

При сравнении галогенидов фторид, являющийся наименьшим и наиболее электроотрицательным анионом, сольватируется сильнее всего, а йодид, самый крупный и наименее электроотрицательный ион, сольватируется наименее. Таким образом, в полярных протонных растворителях лучшим нуклеофилом является йодид. Однако в полярных апротонных растворителях анионы из-за плохой сольватации «голые» и могут свободно участвовать в нуклеофильной атаке. В полярных апротонных растворителях основность нуклеофила определяет его нуклеофильность, что делает фторид лучшим нуклеофилом.

Кроме того, поляризуемость атомов влияет на нуклеофильность. Поляризуемость описывает, насколько легко электроны в облаке могут быть искажены. Нуклеофил с большим атомом обладает большей поляризуемостью, то есть он может отдать электрофилу более высокую электронную плотность по сравнению с маленьким атомом, электроны которого удерживаются более плотно.

В реакции нуклеофильного замещения молекула реагента, которая вытесняет уходящую группу в субстрате, называется нуклеофилом.

Нуклеофилы являются богатыми электронами видами и, по определению, основаниями Льюиса. Нуклеофильный атом имеет высокую электронную плотность и отдает свои электроны частично положительному, электронно-дефицитному центру, тем самым создавая новую связь.

Нуклеофильные реагенты бывают либо анионными, либо нейтральными. Анионные нуклеофилы представляют собой отрицательные ионы, содержащие одну или несколько одиноких пар одинаковой энергии, обычно на гетероатомах. Несвязывающиеся одиночные пары занимают высокоэнергетические молекулярные орбитали, что делает их менее стабильными и более реакционноспособными.

Например, анионный углеродный нуклеофил, как и ионы цианида, имеет одну пару как на углероде, так и на азоте. Однако, поскольку sp-орбиталь углерода имеет более высокую энергию, чем у азота, углерод является нуклеофильным центром.

Нейтральные нуклеофилы имеют одну или несколько неразделенных электронных пар на самых занятых молекулярных орбиталях, в основном, гетероатомов.

Кроме того, у таких видов, как алкены, у которых нет одиноких пар, область с высокой электронной плотностью — пи-связь — функционирует как нуклеофильный центр.

Нейтральный нуклеофил менее нуклеофилен, чем его анионная форма, благодаря отсутствию отрицательного заряда.

В целом, значения pK_a кислот могут быть использованы для оценки силы их сопряженных оснований или нуклеофилов. В случае молекул, содержащих один и тот же нуклеофильный атом, чем выше pK_as их конъюгированных кислот, тем сильнее будет нуклеофил.     

Продукт реакции нуклеофильного замещения зависит от типа используемого нуклеофилина.

Когда анионный нуклеофил вступает в реакцию с субстратом, образующаяся ковалентная связь нейтрализует формальный заряд нуклеофилина, в результате чего образуется нейтральный продукт.

Для сравнения, когда нейтральный нуклеофил вступает в реакцию с субстратом, он получает положительный формальный заряд. Последующий этап депротонирования завершает реакцию, в результате чего получается нейтральный продукт.