В химии нуклеофил — это химическая разновидность , которая образует связи путем отдачи электронной пары . Нуклеофилами могут быть все молекулы и ионы , имеющие свободную пару электронов или хотя бы одну пи-связь . Поскольку нуклеофилы отдают электроны, они являются основаниями Льюиса .
Нуклеофильность описывает склонность нуклеофила связываться с положительно заряженными атомными ядрами. Нуклеофильность, иногда называемая силой нуклеофила, относится к нуклеофильному характеру вещества и часто используется для сравнения сродства атомов. Нейтральные нуклеофильные реакции с растворителями, такими как спирты и вода, называются сольволизом . Нуклеофилы могут принимать участие в нуклеофильном замещении , при котором нуклеофил притягивается к полному или частичному положительному заряду, а также в нуклеофильном присоединении . Нуклеофильность тесно связана с основностью . Разница между ними заключается в том, что основность является термодинамическим свойством (т.е. относится к состоянию равновесия), а нуклеофильность — это кинетическое свойство, которое связано со скоростями определенных химических реакций. [1]
Термины «нуклеофил» и «электрофил» были введены Кристофером Келком Ингольдом в 1933 году, [2] заменив термины «анионоид » и «катионоид» , предложенные ранее А. Дж. Лэпвортом в 1925 году . [3] Слово «нуклеофил» происходит от ядра и греческого слова φιλος, philos , что означает друг.
В целом, в группе периодической таблицы, чем более основной ион (чем выше pK a сопряженной кислоты), тем более реакционноспособен он как нуклеофил. Внутри ряда нуклеофилов с одним и тем же атакующим элементом (например, кислородом) порядок нуклеофильности будет соответствовать основности. Сера, как правило, является лучшим нуклеофилом, чем кислород.
Было разработано множество схем, пытающихся количественно оценить относительную нуклеофильную силу. Следующие эмпирические данные были получены путем измерения скоростей многих реакций с участием многих нуклеофилов и электрофилов. Нуклеофилы, обладающие так называемым альфа-эффектом , обычно не используются в этом типе лечения.
Первая такая попытка встречается в уравнении Суэйна–Скотта [4] [5] , полученном в 1953 году:
Это соотношение свободной энергии связывает константу скорости реакции псевдопервого порядка (в воде при 25 °C) k реакции, нормированную на скорость реакции k 0 стандартной реакции с водой в качестве нуклеофила, с нуклеофильным соединением. константа n для данного нуклеофила и константа субстрата s , которая зависит от чувствительности субстрата к нуклеофильной атаке (определяется как 1 для бромистого метила ).
Такая обработка приводит к следующим значениям типичных нуклеофильных анионов: ацетат 2,7, хлорид 3,0, азид 4,0, гидроксид 4,2, анилин 4,5, йодид 5,0 и тиосульфат 6,4. Типичные константы субстрата составляют 0,66 для этилтозилата , 0,77 для β-пропиолактона , 1,00 для 2,3-эпоксипропанола , 0,87 для бензилхлорида и 1,43 для бензоилхлорида .
Уравнение предсказывает, что при нуклеофильном замещении бензилхлорида азид - анион реагирует в 3000 раз быстрее , чем вода.
Уравнение Ричи, полученное в 1972 году, представляет собой еще одно соотношение свободной энергии: [6] [7] [8]
где N + – параметр, зависящий от нуклеофила, а k 0 – константа скорости реакции для воды. В этом уравнении отсутствует параметр, зависящий от подложки, такой как s в уравнении Свейна-Скотта. Уравнение гласит, что два нуклеофила реагируют с одинаковой относительной реакционной способностью независимо от природы электрофила, что нарушает принцип реакционной способности-селективности . По этой причине это уравнение также называют постоянным соотношением селективности .
В оригинальной публикации данные были получены путем реакции выбранных нуклеофилов с выбранными электрофильными карбокатионами , такими как катионы тропилия или диазония :
или (не показаны) ионы на основе малахитового зеленого . С тех пор были описаны многие другие типы реакций.
Типичные значения Ричи N + (в метаноле ) составляют: 0,5 для метанола , 5,9 для цианид- аниона, 7,5 для метоксид- аниона, 8,5 для азид- аниона и 10,7 для тиофенол- аниона. Значения относительной реакционной способности катионов составляют -0,4 для катиона малахитового зеленого, +2,6 для катиона бензолдиазония и +4,5 для катиона тропилия .
В уравнении Майра – Патца (1994 г.): [9]
Константа скорости реакции второго порядка k при 20 ° C для реакции связана с параметром нуклеофильности N , параметром электрофильности E и параметром наклона, зависящим от нуклеофила s . Константа s определяется как 1 с 2-метил-1-пентеном в качестве нуклеофила.
Многие константы были получены в результате реакции так называемых ионов бензгидрилия в качестве электрофилов : [ 10]
и разнообразная коллекция π-нуклеофилов:
.Типичные значения E составляют +6,2 для R = хлора , +5,90 для R = водорода , 0 для R = метокси и -7,02 для R = диметиламина .
Типичные значения N с s в скобках составляют -4,47 (1,32) для электрофильного ароматического замещения толуолу (1), -0,41 (1,12) для электрофильного присоединения к 1-фенил-2-пропену (2) и 0,96 (1) для присоединения. к 2-метил-1-пентену (3), -0,13 (1,21) для реакции с трифенилаллисиланом (4), 3,61 (1,11) для реакции с 2-метилфураном (5), +7,48 (0,89) для реакции с изобутенилтрибутилстаннаном (6 ) и +13,36 (0,81) для реакции с енамином 7. [11]
В круг органических реакций входят также реакции SN2 : [12]
При E = -9,15 для иона S-метилдибензотиофения типичные нуклеофильные значения N(s) составляют 15,63 (0,64) для пиперидина , 10,49 (0,68) для метоксида и 5,20 (0,89) для воды. Короче говоря, нуклеофильность по отношению к центрам sp 2 или sp 3 следует той же схеме.
В попытке унифицировать описанные выше уравнения уравнение Майра переписано в виде: [12]
где s E - параметр наклона, зависящий от электрофилов, и s N - параметр наклона, зависящий от нуклеофила. Это уравнение можно переписать несколькими способами:
Примерами нуклеофилов являются анионы, такие как Cl- , или соединения с неподеленной парой электронов, такие как NH 3 ( аммиак ) и PR 3 .
В приведенном ниже примере кислород гидроксид-иона отдает электронную пару для образования новой химической связи с углеродом на конце молекулы бромпропана . Связь между углеродом и бромом затем подвергается гетеролитическому делению , при этом атом брома забирает пожертвованный электрон и становится бромид- ионом (Br- ) , поскольку реакция S N 2 происходит посредством обратной атаки. Это означает, что гидроксид-ион атакует атом углерода с другой стороны, точно противоположной иону брома. Из-за этой обратной атаки реакции S N 2 приводят к инверсии конфигурации электрофила . Если электрофил хиральный , он обычно сохраняет свою хиральность, хотя абсолютная конфигурация продукта S N 2 переворачивается по сравнению с конфигурацией исходного электрофила.
Амбидентный нуклеофил — это тот, который может атаковать из двух или более мест, в результате чего образуются два или более продуктов. Например, тиоцианат- ион (SCN- ) может атаковать как серу, так и азот. По этой причине реакция S N 2 алкилгалогенида с SCN - часто приводит к смеси алкилтиоцианата (R-SCN) и алкилизотиоцианата ( R-NCS). Аналогичные соображения применимы и к синтезу нитрила Кольбе .
Хотя галогены не являются нуклеофильными в своей двухатомной форме (например, I 2 не является нуклеофилом), их анионы являются хорошими нуклеофилами. В полярных протонных растворителях F - самый слабый нуклеофил, а I - самый сильный; этот порядок меняется на обратный в полярных апротонных растворителях. [13]
Углеродные нуклеофилы часто представляют собой металлоорганические реагенты , такие как реакции Гриньяра , реакции Блеза , реакции Реформатского и реакции Барбье или реакции с участием литийорганических реагентов и ацетилидов . Эти реагенты часто используются для осуществления нуклеофильного присоединения .
Енолы также являются углеродными нуклеофилами. Образование енола катализируется кислотой или основанием . Енолы являются амбидентными нуклеофилами, но, как правило, нуклеофильны по альфа-атому углерода . Енолы обычно используются в реакциях конденсации , включая конденсацию Кляйзена и реакции альдольной конденсации .
Примерами нуклеофилов кислорода являются вода (H 2 O), гидроксид- анион, спирты , алкоксид- анионы, перекись водорода и карбоксилат-анионы . Нуклеофильная атака не происходит при межмолекулярной водородной связи.
Из нуклеофилов серы - сероводорода и его солей - тиолов (RSH), тиолат-анионов (RS - ), анионов тиолкарбоновых кислот (RC(O)-S - ), анионов дитиокарбонатов (RO-C(S)-S - ) и дитиокарбаматы (R 2 N-C(S)-S - ) используются чаще всего.
В целом сера очень нуклеофильна из-за своего большого размера , что делает ее легко поляризуемой, а ее неподеленные пары электронов легко доступны.
Азотные нуклеофилы включают аммиак , азид , амины , нитриты , гидроксиламин , гидразин , карбазид , фенилгидразин , семикарбазид и амид .
Хотя металлоцентры (например, Li + , Zn 2+ , Sc 3+ и т. д.) чаще всего являются катионными и электрофильными (кислоты Льюиса) по своей природе, некоторые металлоцентры (особенно те, которые находятся в низкой степени окисления и/или несут отрицательный заряд) заряд) являются одними из самых сильных зарегистрированных нуклеофилов, и их иногда называют «супернуклеофилами». Например, при использовании йодистого метила в качестве электрофила сравнения Ph 3 Sn – примерно в 10 000 раз более нуклеофильен, чем I – , тогда как форма Co(I) витамина B 12 (витамин B 12s ) примерно в 10 7 раз более нуклеофильна. [14] Другие супернуклеофильные металлоцентры включают карбонилметаллат-анионы с низкой степенью окисления (например, CpFe(CO) 2 – ). [15]
