Нуклеофилы

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.