Nucleofil

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 27 octombrie 2017; verificările necesită 7 modificări .

Nucleofilul în chimie ( lat. nucleu „nucleu”, alt grecesc φιλέω „a iubi”) este un reactiv care formează o legătură chimică cu un partener de reacție ( electrofil ) prin mecanismul donor-acceptor, oferind o pereche de electroni care formează o nouă legătură [1] . Datorită faptului că nucleofilii donează electroni, ei sunt prin definiție baze Lewis . Teoretic, toți ionii și moleculele neutre cu o pereche de electroni neîmpărțiți pot acționa ca nucleofili .

Un nucleofil este un reactiv chimic bogat în electroni, capabil să interacționeze cu compuși cu deficit de electroni ( electrofili ). Exemple de nucleofili sunt anionii (Cl- , Br- , I- ) și compușii cu o pereche de electroni singuri ( NH3 , H2O ) .

În cursul reacțiilor de substituție sau adiție , nucleofilul atacă la locul de încărcare pozitivă totală sau parțială a electrofilului . Numele „nucleofil” înseamnă „iubește nucleul” și reflectă această capacitate ( nucleul atomic este încărcat pozitiv). Reactivitatea relativă a nucleofililor se numește nucleofilitate . În același rând al sistemului periodic, bazele mai puternice (cu o valoare pKa mai mare a acidului conjugat) sunt nucleofile mai bune. În cadrul aceluiași grup, nucleofilitatea este influențată mai mult de polarizabilitate - ușurința cu care se deformează norul de electroni al unui atom sau al unei molecule. De exemplu, în soluții apoase, ionul de iodură I - este mai nucleofil decât fluorura F - [2] .

Nucleofilii ambidenți au doi sau mai mulți centri reactivi. De exemplu, ionul tiocianat SCN - poate ataca un electrofil fie cu un atom de sulf, fie cu un atom de azot. Reacțiile haloalcanilor cu SCN − conduc adesea la formarea unui amestec de RSCN (alchil tiocianat) și RNCS (alchil izotiocianat).

Termenii „nucleofil” și „electrofil” au fost introduși în 1929 de Christopher Ingold [3] , înlocuind „cationoid” și „anionoid” [4] Lapworth propus anterior (în 1925) .

Exemple

În exemplul de substituție nucleofilă bimoleculară prezentat mai jos (S N 2), atomul de oxigen al ionului hidroxid donează o pereche de electroni pentru a se lega de atomul de carbon din molecula de brometan. Legătura dintre atomii de carbon și brom este ruptă printr-un mecanism heterolitic: bromul acceptă ambii electroni ai acestei legături și pleacă sub forma ionului Br- . În această reacție , OH- este un nucleofil, iar CH3CH2Br este un electrofil .

În această reacție, nucleofilul atacă din partea opusă grupului de plecare. Ca rezultat, procesele S N 2 sunt însoțite de inversarea configurației (inversie).

Clasificare

Nucleofilii pot fi clasificați în mai multe moduri: după tipul de orbital din care sunt donați electronii și după natura atomului care formează legătura .

După tipul de orbital de reacție

În funcție de natura orbitalului pe care au fost localizați electronii, care au format o legătură cu un electrofil , se poate distinge:

π-nucleofili (electronii au părăsit orbitalul π):
- alchene , diene , alchine ;
- alilsilani, alilgermani, alilstanani ;
- eteri alchil şi sililenol;
- compuși aromatici ;
n-nucleofili (electronii erau într-un orbital fără legături - o pereche de electroni singuratică):
- amine ;
- fosfine ;
- fosfiți ;
- anioni ;
σ-nucleofili (electronii au părăsit orbitalul σ):
- donatori de ioni hidrură H − .

Prin atomul de legătură

Nucleofili de carbon

Nucleofilii cu un centru reactiv pe un atom de carbon sunt:

Halogenuri de metal alchil și arii (de exemplu, CH3MgBr, PhMgCl etc.) în reacțiile Grignard , Reformatsky , Barbier etc.
reactivi organolitiu (PhLi) și anioni alchinici terminali (HC≡C − Li + );
enolii și enolații (RCH=CH−OH și RCH=CH−O − ) sunt nucleofili ambidenți și pot reacționa atât la atomul de carbon din poziția α cât și la atomul de oxigen. Reacțiile la atomul de carbon predomină de obicei (în acest caz, ionii de enolat sunt mai activi decât enolii [2] ). Enolii și enolații sunt adesea utilizați în reacțiile de condensare, cum ar fi reacția aldolă sau condensarea Claisen .

alte particule cu o sarcină negativă totală sau parțială asupra atomului de carbon (de exemplu, − CH 2 − NO 2 ).

Nucleofili de azot

Exemple de nucleofili de azot sunt amoniacul (NH3 ), aminele organice (RNH2 , R2NH , R3N ) şi azidele ( R -N3 ) .

Nucleofili de oxigen

Nucleofilii tipici de oxigen sunt apa (H 2 O), ionul hidroxid (OH - ), alcoolii (ROH) și alcoxizii (RO - ). În variația reacției Williamson prezentată mai jos , baza tare deprotonează alcoolul pentru a forma un alcoxid. Apoi, atomul de oxigen înlocuiește intramolecular gruparea scindabilă, ducând la formarea unui epoxid , un heterociclu cu trei membri cu un atom de oxigen:

Nucleofili de sulf

Compușii care conțin sulf sunt în general buni nucleofili, deoarece atomul de sulf este ușor polarizat, ceea ce facilitează transferul perechilor de electroni. Nucleofilii tipici din această clasă sunt tiolii (RSH) și tiolații (RS - ).

Scale de nucleofilitate

Există mai multe moduri de a descrie cantitativ reactivitatea nucleofililor. Metodele de mai jos se bazează pe studiul datelor experimentale privind vitezele anumitor reacții care implică un număr mare de nucleofili și electrofili . De regulă, reactivii cu efect alfa pronunțat nu sunt incluși în aceste corelații.

Ecuația Sven-Scott

Ecuația Sven-Scott a fost derivată în 1953 și este prima încercare de a descrie cantitativ reactivitatea nucleofililor în reacțiile S N 2 [5] [6] :

\lg {\left({\frac {k}{k_{0)}}\right)}=S\cdot n

În această ecuație, k este constanta de viteză a reacției unui substrat standard cu un nucleofil dat, k 0 este constanta de viteză a reacției unui substrat cu un nucleofil standard (apă), S este parametrul de sensibilitate al substratului la o modificare a nucleofilului (pentru CH3Br sau CH3I S este luată egală cu 1 ), n este parametrul de nucleofilitate (pentru apă n = 0, Tabelele 1, 2).

Deci pentru reacții

CH3I + H2O → CH3OH + HI CH3I + Nuc-H → CH3- Nuc + HI

ecuația Sven-Scott poate fi scrisă ca

\lg {\left({\frac {k_{CH_{3}I,NucH}}{k_{CH_{3}I,H_{2}O}}}\right)}=n

Tab. Fig. 1. Parametrii de nucleofilitate n pentru nucleofilul standard CH 3 Br și solventul standard H 2 O la 25°C [7]

Nucleofil	Valoarea n	Nucleofil	Valoarea n	Nucleofil	Valoarea n
SO 3 2−	5.16	CN- _	5.10	eu- _	5.04
SCN- _	4,77	HO- _	4.20	N 3 -	4.00
Br- _	3,89	HCO3 - _	3,80	Cl- _	3.04
CH 3 COO −	2,72	SO 4 2-	2.50	F- _	2.00
NR 3 -	1.03	CH3OH _ _	0,70	H2O _ _	0,00

Tab. Fig. 2. Parametrii de nucleofilitate n pentru nucleofilul standard CH 3 I și solventul standard MeOH la 25°C [8]

Nucleofil	Valoarea n	Nucleofil	Valoarea n	Nucleofil	Valoarea n
F- _	2.7	Cl- _	4,37	Br- _	5,79
eu- _	7.42	N 3 -	5,78	NC- _	6,70
CH3OH _ _	~0,00	H2O _ _	0,00	CH 3 CO 2 -	4.3
PhO- _	5,75	CH 3 O -	6.29	piridină	5.23
Anilină	5,70	Trietilamina	6,66	PhSH	5.7

Ecuația lui Ritchie

Ecuația lui Ritchie a fost derivată în 1972 [9] și este exprimată după cum urmează [10] :

\lg \left({\frac {k}{k_{0))}\right)=N^{+}

unde este constanta de viteză a reacției unui cation standard (de obicei o sare de diazoniu) cu un nucleofil standard ( apă ) într-un mediu apos, este constanta de viteză a reacției cu un nucleofil dat, este un parametru dependent de nucleofil (Tabel 3): $k_{0}$ $k$ $N^{+}$

Tab. 3. Parametrii de nucleofilitate N + la 25 °C [9]

Nucleofil (solvent)	N + valoare	Nucleofil (solvent)	N + valoare
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- ( H20 ) _ _	5.4	N3- ( MeOH )	8.5
PhS - ( DMSO )	13.1	PhS- ( MeOH)	10.7

O caracteristică importantă a ecuației Ritchie este absența parametrului de sensibilitate a substratului (σ în ecuația Sven-Scott). Astfel, se presupune că reactivitatea relativă a celor doi nucleofili este determinată numai de valoarea N + și nu depinde de partenerul de reacție. Acest lucru este în contrast puternic cu așa-numitul. principiul interdependenței reactivității și selectivității [11] . Din această cauză, ecuația lui Ritchie este uneori numită „relația de selectivitate constantă” [12] . Simplificarea evidentă a determinat o serie de publicații despre limitele aplicabilității sale [12] [13] .

Ecuația Mayr-Patz

În 1994 , G. Mayr și M. Patz, pe baza studiului reactivității cationilor diarilmetil și a altor compuși, au propus o ecuație care descrie reactivitatea unui număr destul de mare de nucleofili și electrofili [14] :

\lg \k=s(N+E)

În această ecuație , constanta k de viteză de reacție de ordinul doi , măsurată la 20 °C, este asociată cu parametrul de electrofilitate E (pentru cationul bis( p - metoxifenil)metil E = 0), parametrul de nucleofilitate N și cu factorul de sensibilitate s (pentru 2-metil- 1-pentenă s = 1). Pentru reacțiile nucleofilelor neîncărcate, constanta vitezei depinde slab de solvent, iar acesta din urmă nu este de obicei indicat.

Cationii diarilmetil au fost aleși ca electrofili standard deoarece activitatea lor poate fi controlată prin selectarea substituentului R în poziția para . Astfel, a fost posibil să se măsoare reactivitatea unor nucleofili foarte diferiți. Pentru compușii testați, parametrul N variază în intervalul de la -4,47 la 28,95 (Tabelul 4) [15] .

Tab. 4. Parametrii N și s pentru unii nucleofili [15]

Nucleofil	N ( s )	Nucleofil	N ( s )
unu	−4,47 (1,32)	2	−0,41 (1,12)
3	+0,96 (1)	patru	−0,13 (1,21)
5	+3,61 (1,11)	6	+7,48 (0,89)
7	+13,36 (0,81)	PhC − (CN)CH 3 [16]	28,95 (0,58)

Parametrul de electrofilitate E pentru unii carbocationi poate fi estimat aproximativ din următoarea ecuație [14] :

\E\aproximativ 1,241\lg k_{w}-5,80

unde k w este o constantă pseudo de ordinul întâi pentru reacția unui carbocation cu apa la 20 °C.

Nucleofilitatea lui N în ecuația Mayr-Patz este legată de parametrul Ritchie N + prin următoarea relație:

\N\aproximativ 1,20N_{+}+6,18

Ecuație combinată

În încercarea de a combina toate ecuațiile descrise mai sus, Mayr și colab. au propus următoarea expresie [17] :

$\ \lg k=s_{E}s_{N}(N+E)$ ,

unde s E este parametrul de sensibilitate al electrofilului; s N este parametrul de sensibilitate al nucleofilului; N și E au același sens ca în ecuația Mayr-Patz.

Cu ajutorul substituțiilor adecvate, această expresie poate fi transformată în orice ecuație descrisă mai devreme:

pentru s E = 1 (pentru carbocationi) această ecuație este echivalentă cu ecuația Mayr-Patz originală;
la s N = 0,6 (pentru majoritatea n-nucleofililor):

\ \lg k=0,6s_{E}N+0,6s_{E}E

, care este echivalent cu ecuația Sven-Scott:

\ \lg k=\lg k_{0}+s_{E}N

;

pentru s E = 1 și s N = 0,6 obținem:

\ \lg k=0,6N+0,6E

care este echivalent cu ecuația lui Ritchie într-o formă ușor modificată:

\ \lg k-\lg k_{0}=N^{+}

Vezi și

Note

↑ Definiție IUPAC .pdf Arhivat 26 septembrie 2009 la Wayback Machine
↑ 1 2 Carey F., Sandberg R. Curs avansat de chimie organică: Per. din engleza. = Chimie organică avansată / Ed. V. M. Potapova. - M .: Chimie, 1981. - T. 1. Structură şi mecanisme. — 520 s.
↑ Ingold, CK // Recl. Trav. Chim. Pays Bass. — 1929.
↑ Lapworth, A. // Natură . - 1925. - Vol. 115. - P. 625.
↑ C. Gardner Swain, Carleton B. Scott. Corelația cantitativă a ratelor relative. Comparația ionului hidroxid cu alți reactivi nucleofili față de halogenuri de alchil, esteri, epoxizi și halogenuri de acil // J. Am. Chim. soc. . - 1953. - Vol. 75. - P. 141-147.
↑ Ecuația Swain –Scott . IUPAC. Compendiu de terminologie chimică, ed. a II-a. („Cartea de Aur”) (7 septembrie 2009). Preluat la 22 august 2010. Arhivat din original la 7 mai 2012.
↑ Enciclopedie chimică./ Reacții nucleofile. // Redactor-șef I. L. Knunyants. - M .: „Enciclopedia Sovietică”, 1988. - T. 3.
↑ R. G. Pearson, H. Sobel, J. Songstad. Constante de reactivitate nucleofilă față de iodură de metil și trans -[Pt(py) 2 Cl 2 ] // J. Am. Chim. soc. . - 1968. - Vol. 90. - P. 319-326.
↑ 12 C. D. Ritchie . Reactivități nucleofile față de cationi (engleză) // Acc. Chim. Res. - 1972. - Vol. 5. - P. 348−354. doi : 10.1021 / ar50058a005 .
↑ Ecuația Ritchie . Compendiu de terminologie chimică, ed. a II-a. („Cartea de Aur”) . IUPAC. doi : 10.1351/goldbook.R05402 . Preluat la 22 august 2010. Arhivat din original la 7 mai 2012.
↑ „Cu cât reactivul este mai activ, cu atât este mai puțin selectiv.”
↑ 1 2 S. Minegishi, H. Mayr. Cât de constante sunt „Relațiile de selectivitate constantă” ale lui Ritchie? O scară generală de reactivitate pentru n-, π- și σ-nucleofili // J. Am. Chim. soc. . - 2003. - Vol. 125. - P. 286-295. doi : 10.1021 / ja021010y .
↑ P. Denton, CD Johnson. Selectivitatea și ecuația Ritchie // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. - 1995. - P. 477 - 481. - doi : 10.1039/P29950000477 .
↑ 1 2 H. Mayr, M. Patz. Scale de nucleofilitate și electrofilitate: un sistem pentru ordonarea reacțiilor polare organice și organometalice (engleză) // Angew. Chim. Int. Ed. Engleză - 1994. - Vol. 33. - P. 938−957. - doi : 10.1002/anie.199409381 .
↑ 1 2 H. Mayr et al. Baza de date Mayr a parametrilor de reactivitate . Consultat la 2 septembrie 2010. Arhivat din original pe 7 mai 2012.
↑ În DMSO .
↑ T. B. Phan, M. Breugst, H. Mayr. Spre o scară generală a nucleofilității? (engleză) // Angew. Chim. Int. Ed. - 2006. - Vol. 45. - P. 3869-3874. - doi : 10.1002/anie.200600542 .