В химии нуклеофил — это химический вид , который образует связи, отдавая электронную пару . Все молекулы и ионы со свободной парой электронов или хотя бы одной пи-связью могут действовать как нуклеофилы. Поскольку нуклеофилы отдают электроны, они являются основаниями Льюиса .
Нуклеофильный описывает сродство нуклеофила к связи 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, и нуклеофильном присоединении . Нуклеофильность тесно связана с основностью . Разница между ними заключается в том, что основность является термодинамическим свойством (т. е. относится к равновесному состоянию), а нуклеофильность является кинетическим свойством, которое относится к скоростям 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 слова «ядро» и греческого слова φιλος, philos , означающего «друг».
В целом, в группе по всей периодической таблице, чем более основный ион (чем выше pK a сопряженной кислоты), тем более он реактивен как нуклеофил. В ряду нуклеофилов с одним и тем же атакующим элементом (например, кислородом) порядок нуклеофильности будет следовать за основностью. Сера, как правило, является лучшим нуклеофилом, чем кислород. [ необходима цитата ]
Было разработано много схем, пытающихся количественно оценить относительную нуклеофильную силу. Следующие эмпирические данные были получены путем измерения скоростей реакций для многих реакций с участием многих нуклеофилов и электрофилов. Нуклеофилы, демонстрирующие так называемый альфа-эффект , обычно опускаются в этом типе обработки. [ необходима цитата ]
Первая такая попытка обнаружена в уравнении Суэйна–Скотта [4] [5], выведенном в 1953 году:
Это соотношение свободной энергии связывает константу скорости реакции псевдопервого порядка (в воде при 25 °C), k , реакции, нормализованную к скорости реакции, k0 , стандартной реакции с водой в качестве нуклеофила, с нуклеофильной константой n для данного нуклеофила и константой субстрата s , которая зависит от чувствительности субстрата к нуклеофильной атаке (определяемой как 1 для бромистого метила ).
Эта обработка приводит к следующим значениям для типичных нуклеофильных анионов: ацетат 2,7, хлорид 3,0, азид 4,0, гидроксид 4,2, анилин 4,5, иодид 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 на бензилхлориде азид - анион реагирует в 3000 раз быстрее, чем вода.
Уравнение Ричи, выведенное 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 субстрата, такой как s в уравнении Суэйна–Скотта. Уравнение утверждает, что два нуклеофила реагируют с одинаковой относительной реакционной способностью независимо от природы электрофила, что является нарушением принципа реакционной способности–селективности . По этой причине это уравнение также называют соотношением постоянной селективности .
В оригинальной публикации данные были получены в результате реакций выбранных нуклеофилов с выбранными электрофильными карбокатионами, такими как катионы тропилия или диазония :
или (не показано) ионы на основе малахитового зеленого . С тех пор было описано много других типов реакций.
Типичные значения Ritchie N + (в метаноле ): 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 реактивности катионов составляют −0,4 для катиона малахитового зеленого, +2,6 для катиона бензолдиазония и +4,5 для катиона тропилия .
В уравнении Майра–Паца (1994): [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 из реакции так называемых ионов бензгидрилия в качестве электрофилов : [10]
и разнообразный набор π-нуклеофилов:
.Типичные значения E составляют +6,2 для R = хлор , +5,90 для R = водород , 0 для R = метокси и −7,02 для R = диметиламин .
Типичные значения N с s в скобках составляют −4,47 (1,32) для электрофильного ароматического замещения в толуоле (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 трифенилаллилсиланом (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 спектр органических реакций также входят реакции SN2 : [12]
При E = −9,15 для иона S-метилдибензотиофения типичные значения нуклеофила 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 объединить вышеописанные уравнения уравнение Майра переписывается следующим образом: [12]
где s E — электрофил-зависимый параметр наклона, а s N — нуклеофил-зависимый параметр наклона. Это уравнение можно переписать несколькими способами:
Примерами нуклеофилов являются анионы, такие как Cl− , или соединения с неподеленной парой электронов, такие как NH3 ( аммиак ) и PR3 . [ необходима ссылка ]
В приведенном ниже примере кислород гидроксид-иона отдает электронную пару, образуя новую химическую связь с углеродом на конце молекулы бромпропана . Затем связь между углеродом и бромом подвергается гетеролитическому делению , при этом атом брома принимает отданный электрон и становится бромид -ионом (Br− ) , поскольку реакция S N 2 происходит путем обратной атаки. Это означает, что гидроксид-ион атакует атом углерода с другой стороны, точно напротив иона 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 перевернута по сравнению с конфигурацией исходного электрофила. [ необходима цитата ]
Амбидентный нуклеофил — это тот, который может атаковать из двух или более мест, что приводит к двум или более продуктам. Например, ион тиоцианата (SCN − ) может атаковать либо серы, либо азота. По этой причине реакция S N 2 алкилгалогенида с SCN − часто приводит к смеси алкилтиоцианата (R-SCN) и алкилизотиоцианата ( R-NCS). Аналогичные соображения применимы в синтезе нитрила Кольбе . [ необходима цитата ]
В то время как галогены не являются нуклеофильными в своей двухатомной форме (например, I 2 не является нуклеофилом), их анионы являются хорошими нуклеофилами. В полярных, протонных растворителях F − является самым слабым нуклеофилом, а I − самым сильным; этот порядок обратен в полярных, апротонных растворителях. [13]
Углеродные нуклеофилы часто являются металлоорганическими реагентами, такими как те, которые встречаются в реакциях Гриньяра , Блеза , Реформатского и Барбье или реакциях с участием литийорганических реагентов и ацетиленидов . Эти реагенты часто используются для выполнения нуклеофильных присоединений . [ требуется ссылка ]
Енолы также являются углеродными нуклеофилами. Образование енола катализируется кислотой или основанием . Енолы являются амбидентными нуклеофилами, но, в общем, нуклеофильны по альфа-атому углерода . Енолы обычно используются в реакциях конденсации , включая конденсацию Кляйзена и реакции альдольной конденсации . [ необходима цитата ]
Примерами кислородных нуклеофилов 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 наиболее часто используют сероводород и его соли, тиолы (RSH), тиолат-анионы (RS− ) , анионы тиолкарбоновых кислот (RC(O)-S− ) , а также анионы дитиокарбонатов (RO-C(S)-S− ) и дитиокарбаматов (R2N - C(S)-S− ) .
В целом сера очень нуклеофильна из-за своего большого размера , что делает ее легко поляризуемой, а ее неподеленные пары электронов легкодоступны.
К азотным нуклеофилам относятся аммиак , азид , амины , нитриты , гидроксиламин , гидразин , карбазид , фенилгидразин , семикарбазид и амид .
Хотя металлические центры (например, Li + , Zn 2+ , Sc 3+ , и т.д.) чаще всего являются катионными и электрофильными (кислотными по Льюису) по своей природе, некоторые металлические центры (особенно те, которые находятся в низкой степени окисления и/или несут отрицательный заряд) являются одними из самых сильных зарегистрированных нуклеофилов и иногда называются «супернуклеофилами». Например, при использовании метилйодида в качестве эталонного электрофила, Ph 3 Sn – примерно в 10000 раз более нуклеофилен, чем I – , в то время как форма Co(I) витамина B 12 (витамин B 12s ) примерно в 10 7 раз более нуклеофильна. [14] Другие супернуклеофильные металлические центры включают анионы карбонильного металлата с низкой степенью окисления (например, CpFe(CO) 2 – ). [15]
В следующей таблице показана нуклеофильность некоторых молекул с метанолом в качестве растворителя: [16]
