Нуклеофил в химии ( «ядро», «любить») — реагент, образующий химическую связь с партнером по реакции (электрофилом) по донорно-акцепторному механизму, предоставляя электронную пару, образующую новую связьОпределение, данное ИЮПАК .pdf . Вследствие того, что нуклеофилы отдают электроны, они по определению являются основаниями Льюиса. В роли нуклеофилов теоретически могут выступать все ионы и нейтральные молекулы с неподеленной электронной парой.
Нуклеофил — электроноизбыточный химический реагент, способный взаимодействовать с электронодефицитными соединениями (электрофилами). Примерами нуклеофилов являются анионы (Cl−, Br−, I−) и соединения с неподелённой электронной парой (NH3, H2O).
В ходе реакций замещения или присоединения нуклеофил атакует по месту полного или частичного положительного заряда на электрофиле. Название «нуклеофил» означает «любящий ядро» и отображает эту способность (атомное ядро заряжено положительно). Относительная реакционная способность нуклеофилов называется нуклеофильность. В пределах одного ряда периодической системы более сильные основания (с бо́льшим значением pKa сопряженной кислоты) являются лучшими нуклеофилами. В пределах одной группы на нуклеофильность большее влияние оказывает поляризуемость — лёгкость, с которой деформируется электронное облако атома или молекулы. К примеру, в водных растворах иодид-ион I− более нуклеофилен, чем фторид F−.
Амбидентные нуклеофилы имеют два и более реакционных центра. К примеру, тиоцианат-ион SCN− может атаковать электрофил либо атомом серы, либо атомом азота. Реакции галогеноалканов с SCN− часто приводят к образованию смеси RSCN (алкилтиоцианата) и RNCS (алкилизотиоцианата).
Термины «нуклеофил» и «электрофил» были введены в 1929 Кристофером Ингольдом, заменив предложенные ранее (в 1925) Лэпворсом «катионоид» и «анионоид».
Примеры В показанном ниже примере бимолекулярного нуклеофильного замещения (SN2) атом кислорода гидроксид-иона донирует пару электронов на связывание с атомом углерода в молекуле бромэтана. Связь между атомами углерода и брома разрывается по гетеролитическому механизму: бром принимает оба электрона этой связи и уходит в виде иона Br−. В данной реакции OH− является нуклеофилом, а CH3CH2Br — электрофилом.
В данной реакции атака нуклеофила происходит со стороны, противоположной уходящей группе. Вследствие этого SN2-процессы сопровождаются обращением (инверсией) конфигурации.
Классификация Нуклеофилы можно классифицировать несколькими способами: по типу орбитали, с которой донируются электроны, и по природе атома, который образует связь.
По типу реагирующей орбитали В зависимости от природы орбитали, на которой располагались электроны, пошедшие на образование связи с электрофилом, можно выделить:
π-нуклеофилы (электроны ушли с π-орбитали): алкены, диены, алкины; аллилсиланы, аллилгерманы, аллилстаннаны; алкил- и силиленоловые эфиры; ароматические соединения; n-нуклеофилы (электроны находились на несвязывающей орбитали — неподелённой электронной паре): амины; фосфины; фосфиты; анионы; σ-нуклеофилы (электроны ушли с σ-орбитали): доноры гидрид-иона H−.
По атому, образующему связь
Углеродные нуклеофилы Нуклеофилами с реакционным центром на атоме углерода являются: алкил- и арилметаллогалиды (например, CH3MgBr, PhMgCl и т. д.) в реакциях Гриньяра, Реформатского, Барбье и др. органолитиевые реагенты (PhLi) и анионы терминальных алкинов (HC≡C−Li+); енолы и еноляты (RCH=CH−OH и RCH=CH−O−) являются амбидентными нуклеофилами и могут реагировать как по атому углерода в α-положении, так и по атому кислорода. Обычно преобладают реакции по атому углерода (при этом енолят-ионы активнее енолов). Енолы и еноляты часто применяются в реакциях конденсации, например, в альдольной реакции или конденсации Кляйзена.
другие частицы с полным или частичным отрицательным зарядом на атоме углерода (например, −CH2−NO2).
Азотные нуклеофилы Примерами азотных нуклеофилов являются аммиак (NH3), органические амины (RNH2, R2NH, R3N) и азиды (R−N3).
Кислородные нуклеофилы Типичными кислородными нуклеофилами являются вода (H2O), гидроксид-ион (OH−), спирты (ROH) и алкоксиды (RO−). В показанной ниже разновидности реакции Вильямсона сильное основание депротонирует спирт с образованием алкоксида. Атом кислорода затем внутримолекулярно замещает уходящую группу, приводя к образованию эпоксида − трёхчленного гетероцикла с одним атомом кислорода:
Серные нуклеофилы Серосодержащие соединения обычно являются хорошими нуклеофилами, так как атом серы легко поляризуется, что облегчает передачу электронной пары. Типичные нуклеофилы этого класса — тиолы (RSH) и тиоляты (RS−).
Шкалы нуклеофильности Известно несколько способов количественного описания реакционной способности нуклеофилов. Приведенные ниже методы основаны на изучении экспериментальных данных о скорости определенных реакций с участием большого количества нуклеофилов и электрофилов. Как правило, реагенты с выраженным альфа-эффектом не включаются в эти корреляции.
Уравнение Свена — Скотта Уравнение Свена — Скотта было выведено в 1953 году и является первой попыткой количественно описать реакционную способность нуклеофилов в реакциях SN2:
В этом уравнении k — константа скорости реакции стандартного субстрата с данным нуклеофилом, k0 — константа скорости реакции субстрата со стандартным нуклеофилом (водой), S — параметр чувствительности субстрата к изменению нуклеофила (для CH3Br или CH3I S принимается равным 1), n — параметр нуклеофильности (для воды n = 0, табл. 1, 2).
Таким образом, для реакций CH3I + H2O → CH3OH + HI CH3I + Nuc−H → CH3−Nuc + HI уравнение Свена — Скотта можно записать как
+ Табл. 1. Параметры нуклеофильности n для стандартного нуклеофила CH3Br и стандартного растворителя H2O при 25 °CХимическая энциклопедия./ Нуклеофильные реакции. // Главный редактор И. Л. Кнунянц. — М.: «Советская энциклопедия», 1988 год. — Т. 3. Нуклеофил Значение n Нуклеофил Значение n Нуклеофил Значение n SO32− 5,16 CN− 5,10 I− 5,04 SCN− 4,77 HO− 4,20 N3− 4,00 Br− 3,89 HCO3− 3,80 Cl− 3,04 CH3COO− 2,72 SO42− 2,50 F− 2,00 NO3− 1,03 CH3OH 0,70 H2O 0,00 + Табл. 2. Параметры нуклеофильности n для стандартного нуклеофила CH3I и стандартного растворителя MeOH при 25 °C Нуклеофил Значение n Нуклеофил Значение n Нуклеофил Значение n F− 2,7 Cl− 4,37 Br− 5,79 I− 7,42 N3− 5,78 NC− 6,70 CH3OH ~0,00 H2O 0,00 CH3CO2− 4,3 PhO− 5,75 CH3O− 6,29 Пиридин 5,23 Анилин 5,70 Триэтиламин 6,66 PhSH 5,7
Уравнение Ричи Уравнение Ричи было выведено в 1972 году и выражается следующим образом:
, где — константа скорости реакции стандартного катиона (обычно соли диазония) с со стандартным нуклеофилом (водой) в водной среде, — константа скорости реакции с заданным нуклеофилом, — параметр, зависящий от нуклеофила (табл. 3):
+ Табл. 3. Параметры нуклеофильности N+ при 25 °C Нуклеофил(растворитель) Значение N+ Нуклеофил(растворитель) Значение N+ H2O (H2O) 0,0 MeOH (MeOH) 0,5 CN− (H2O) 3,8 CN− (MeOH) 5,9 HO− (H2O) 4,5 MeO− (MeOH) 7,5 N3− (H2O) 5,4 N3− (MeOH) 8,5 PhS− (ДМСО) 13,1 PhS− (MeOH) 10,7 Важной особенностью уравнения Ричи является отсутствие параметра чувствительности субстрата (σ в уравнении Свена-Скотта). Таким образом, принимается, что относительная реакционная способность двух нуклеофилов определяется только значением N+ и не зависит от партнера по реакции. Это находится в резком противоречии с т. н. принципом взаимозависимости реакционной способности и селективности«Чем более активен реагент, тем он менее селективен.». Из-за этого уравнение Ричи иногда называется «соотношение постоянной селективности». Явная упрощенность вызвала ряд публикаций о пределах его применимости.
Уравнение Майра — Патца
В 1994 г. Г. Майр и М. Патц, на основании исследования реакционной способности диарилметильных катионов и других соединений, предложили уравнение, описывающее реакционную способность достаточно большого количества нуклеофилов и электрофилов:
В этом уравнении константа скорости реакции второго порядка k, измеренная при 20 °C, связывается с параметром электрофильности E (для бис(п-метоксифенил)метильного катиона E = 0), параметром нуклеофильности N и фактором чувствительности s (для реакций 2-метил-1-пентена s = 1). Для реакций незаряженных нуклеофилов константа скорости слабо зависит от растворителя и последний обычно не указывается.
Диарилметильные катионы были выбраны в качестве стандартных электрофилов потому, что их активностью можно управлять подбором заместителя R в пара-положении. Таким образом, оказалось возможным измерить реакционную способность очень разных нуклеофилов. Для протестированных соединений параметр N изменяется в диапазоне от −4,47 до 28,95 (Табл. 4).
{| class="simple" border="1" |+ Табл. 4. Параметры N и s для некоторых нуклеофилов !Нуклеофил !N (s) !Нуклеофил !N (s) |- | 1 |align="center" |−4,47 (1,32) | 2 |align="center" |−0,41 (1,12)
| 3 |align="center" |+0,96 (1) | 4 |align="center" |−0,13 (1,21) |- | 5 |align="center" |+3,61 (1,11) | 6 |align="center" |+7,48 (0,89) |- | 7 |align="center" |+13,36 (0,81) | PhC−(CN)CH3В ДМСО. |align="center" |28,95 (0,58)
Параметр элекрофильности E для некоторых карбокатионов можно грубо оценить по следующему уравнению:
,
где kw — константа псевдопервого порядка для реакции карбокатиона с водой при 20 °C.
Нуклеофильность N в уравнении Майра — Патца связана с параметром Ричи N+ следующим соотношением:
Объединенное уравнение В попытке объединить все вышеописанные уравнения Майр с сотрудниками предложили следующее выражение:
,
где sE — параметр чувствительности электрофила; sN — параметр чувствительности нуклеофила; N и E'' имеют такое же значение, как и в уравнении Майра — Патца.
С помощью соответствующих подстановок данное выражение можно превратить в любое описанное ранее уравнение:
при sE = 1 (для карбокатионов) это уравнение эквивалентно оригинальному уравнению Майра — Патца; при sN = 0.6 (для большинства n-нуклеофилов): , что эквивалентно уравнению Свена-Скотта:
при sE = 1 и sN = 0.6 получим:
что эквивалентно уравнению Ричи в немного измененном виде:
См. также
Реакции нуклеофильного замещения Реакции нуклеофильного присоединения Электрофил Основание Льюиса
Примечания
Категория:Физическая органическая химия