Nukleofil

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 27. října 2017; kontroly vyžadují 7 úprav .

Nukleofil v chemii ( lat. nucleus "nucleus", jiné řecké φιλέω "milovat") je činidlo, které vytváří chemickou vazbu s reakčním partnerem ( elektrofilem ) mechanismem donor-akceptor a poskytuje elektronový pár , který tvoří novou vazbu. [1] . Vzhledem k tomu, že nukleofily darují elektrony, jsou z definice Lewisovy báze . Teoreticky všechny ionty a neutrální molekuly s nesdíleným elektronovým párem mohou působit jako nukleofily .

Nukleofil je chemické činidlo bohaté na elektrony schopné interagovat se sloučeninami s nedostatkem elektronů ( elektrofily ). Příklady nukleofilů jsou anionty (Cl- , Br- , I- ) a sloučeniny s osamoceným elektronovým párem ( NH 3 , H 2 O ).

V průběhu substitučních nebo adičních reakcí nukleofil útočí v místě plného nebo částečného kladného náboje na elektrofilu . Název "nukleofil" znamená "milovat jádro" a odráží tuto schopnost ( atomové jádro je kladně nabité). Relativní reaktivita nukleofilů se nazývá nukleofilita . Ve stejné řadě periodického systému jsou silnější báze (s vyšší hodnotou pKa konjugované kyseliny) lepšími nukleofily. Ve stejné skupině je nukleofilita více ovlivněna polarizovatelností - snadností, s jakou se deformuje elektronový mrak atomu nebo molekuly. Například ve vodných roztocích je jodidový iont I - nukleofilnější než fluorid F - [2] .

Ambientní nukleofily mají dvě nebo více reaktivních center. Například thiokyanátový iont SCN − může napadnout elektrofil buď atomem síry, nebo atomem dusíku. Reakce halogenalkanů s SCN − často vedou ke vzniku směsi RSCN (alkylthiokyanát) a RNCS (alkylisothiokyanát).

Termíny „nukleofil“ a „elektrofil“ byly zavedeny v roce 1929 Christopherem Ingoldem [3] , nahrazující dříve navrhovaný (v roce 1925) Lapworthův „kationoid“ a „anionoid“ [4] .

Příklady

V níže uvedeném příkladu bimolekulární nukleofilní substituce ( SN 2), atom kyslíku hydroxidového iontu daruje pár elektronů k navázání na atom uhlíku v molekule bromethanu. Vazba mezi atomy uhlíku a bromu je narušena heterolytickým mechanismem: brom přijímá oba elektrony této vazby a odchází ve formě iontu Br- . V této reakci je OH- nukleofil a CH3CH2Br je elektrofil .

V této reakci nukleofil útočí ze strany naproti odcházející skupině. Výsledkem je, že procesy SN 2 jsou doprovázeny změnou konfigurace (inverzí).

Klasifikace

Nukleofily lze klasifikovat několika způsoby: podle typu orbitalu , ze kterého jsou elektrony darovány , a podle povahy atomu, který tvoří vazbu .

Podle typu reagujícího orbitalu

V závislosti na povaze orbitalu, na kterém byly umístěny elektrony, které vytvořily vazbu s elektrofilem , lze rozlišit:

π-nukleofily (elektrony opustily π-orbital):
- alkeny , dieny , alkyny ;
- allylsilany, allylgermany, allylstannany ;
- alkyl a silylenol ethery;
- aromatické sloučeniny ;
n-nukleofily (elektrony byly v nevazebném orbitalu - osamocený elektronový pár):
- aminy ;
- fosfiny ;
- fosfity ;
- anionty ;
σ-nukleofily (elektrony opustily σ-orbital):
- donory hydridových iontů H − .

Podle vazebného atomu

Uhlíkové nukleofily

Nukleofily s reaktivním centrem na atomu uhlíku jsou:

halogenidy alkylových a arylových kovů (například CH3MgBr , PhMgCl atd.) v Grignardových , Reformatských , Barbierových reakcích atd.
organolithná činidla (PhLi) a terminální alkynové anionty (HC≡C − Li + );
enoly a enoláty (RCH=CH−OH a RCH=CH−O − ) jsou okolní nukleofily a mohou reagovat jak na atomu uhlíku v poloze α, tak na atomu kyslíku. Obvykle převažují reakce na atomu uhlíku (v tomto případě jsou enolátové ionty aktivnější než enoly [2] ). Enoly a enoláty se často používají v kondenzačních reakcích, jako je aldolová reakce nebo Claisenova kondenzace .

jiné částice s úplným nebo částečným záporným nábojem na atomu uhlíku (například − CH 2 − NO 2 ).

Dusíkové nukleofily

Příklady dusíkatých nukleofilů jsou amoniak (NH 3 ), organické aminy (RNH 2 , R 2 NH, R 3 N) a azidy (R−N 3 ).

Kyslíkové nukleofily

Typickými kyslíkovými nukleofily jsou voda (H 2 O), hydroxidový iont (OH - ), alkoholy (ROH) a alkoxidy (RO - ). Ve variantě Williamsonovy reakce uvedené níže silná báze deprotonuje alkohol za vzniku alkoxidu. Atom kyslíku pak intramolekulárně nahradí odstupující skupinu, což vede k vytvoření epoxidu , tříčlenného heterocyklu s jedním atomem kyslíku:

Nukleofily síry

Sloučeniny obsahující síru jsou obecně dobré nukleofily, protože atom síry se snadno polarizuje, což usnadňuje přenos elektronových párů. Typickými nukleofily této třídy jsou thioly (RSH) a thioláty (RS − ).

Váhy nukleofility

Existuje několik způsobů, jak kvantitativně popsat reaktivitu nukleofilů. Níže uvedené metody jsou založeny na studiu experimentálních dat o rychlostech určitých reakcí zahrnujících velké množství nukleofilů a elektrofilů . Zpravidla nejsou do těchto korelací zahrnuta činidla s výrazným alfa efektem .

Sven-Scottova rovnice

Sven-Scottova rovnice byla odvozena v roce 1953 a je prvním pokusem kvantitativně popsat reaktivitu nukleofilů v reakcích S N 2 [5] [6] :

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

V této rovnici je k rychlostní konstanta reakce standardního substrátu s daným nukleofilem, k 0 je rychlostní konstanta reakce substrátu se standardním nukleofilem (voda), S je parametr citlivosti substrátu na změna v nukleofilu (pro CH3Br nebo CH3IS se bere rovna 1), n je parametr nukleofility (pro vodu n = 0, tabulky 1, 2).

Takže k těm reakcím

CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI CH3I + Nuc-H -> CH3- Nuc + HI

Sven-Scottova rovnice může být zapsána jako

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

Tab. 1. Parametry nukleofility n pro standardní nukleofil CH 3 Br a standardní rozpouštědlo H 2 O při 25 °C [7] Obr.

Nukleofil	Hodnota n	Nukleofil	Hodnota n	Nukleofil	Hodnota n
SO 3 2−	5.16	CN- _	5.10	já- _	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
NE 3 -	1.03	CH3OH _ _	0,70	H2O _ _	0,00

Tab. 2. Parametry nukleofility n pro standardní nukleofil CH 3 I a standardní rozpouštědlo MeOH při 25 °C [8] Obr.

Nukleofil	Hodnota n	Nukleofil	Hodnota n	Nukleofil	Hodnota n
F- _	2.7	Cl- _	4.37	Br- _	5,79
já- _	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	pyridin	5.23
anilin	5,70	triethylamin	6.66	PhSH	5.7

Ritchieho rovnice

Ritchieho rovnice byla odvozena v roce 1972 [9] a je vyjádřena takto [10] :

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

kde je rychlostní konstanta reakce standardního kationtu (obvykle diazoniové soli) se standardním nukleofilem ( voda ) ve vodném prostředí, je rychlostní konstanta reakce s daným nukleofilem, je parametr závislý na nukleofilu (tab. 3): $k_{0}$ $k$ $N^{+}$

Tab. 3. Parametry nukleofility N + při 25 °C [9]

Nukleofil (rozpouštědlo)	N + hodnota	Nukleofil (rozpouštědlo)	N + hodnota
H2O ( H2O ) _	0,0	MeOH ( MeOH )	0,5
CN - ( H2O )	3.8	CN- ( MeOH)	5.9
HO - (H 2 O)	4.5	MeO - (MeOH)	7.5
N3- ( H20 ) _ _	5.4	N3- ( MeOH )	8.5
PhS − ( DMSO )	13.1	PhS- ( MeOH)	10.7

Důležitým rysem Ritchieho rovnice je absence parametru substrátové citlivosti (σ v rovnici Sven-Scott). Předpokládá se tedy, že relativní reaktivita dvou nukleofilů je určena pouze hodnotou N + a nezávisí na reakčním partnerovi. To je v ostrém kontrastu s tzv. princip vzájemné závislosti reaktivity a selektivity [11] . Z tohoto důvodu se Ritchieho rovnice někdy nazývá „vztah konstantní selektivity“ [12] . Zjevné zjednodušení způsobilo řadu publikací o mezích jeho použitelnosti [12] [13] .

Mayr-Patzova rovnice

V roce 1994 G. Mayr a M. Patz na základě studia reaktivity diarylmethylových kationtů a dalších sloučenin navrhli rovnici popisující reaktivitu poměrně velkého počtu nukleofilů a elektrofilů [14] :

\lg \k=s(N+E)

V této rovnici je konstanta reakční rychlosti k druhého řádu , měřená při 20 °C, spojena s parametrem elektrofility E (pro bis( p - methoxyfenyl)methyl kation E = 0), parametrem nukleofility N a faktorem citlivosti s (pro 2-methyl-1-penten s = 1). U reakcí nukleofilů bez náboje rychlostní konstanta slabě závisí na rozpouštědle a rozpouštědlo obvykle není indikováno.

Diarylmethylové kationty byly vybrány jako standardní elektrofily, protože jejich aktivita může být řízena výběrem R substituentu v para -poloze. Tak bylo možné měřit reaktivitu velmi odlišných nukleofilů. U testovaných sloučenin se parametr N pohybuje v rozmezí od −4,47 do 28,95 (tabulka 4) [15] .

Tab. 4. Parametry N a s pro některé nukleofily [15]

Nukleofil	N ( s )	Nukleofil	N ( s )
jeden	−4,47 (1,32)	2	−0,41 (1,12)
3	+0,96 (1)	čtyři	−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)

Parametr elektrofility E pro některé karbokationty lze zhruba odhadnout z následující rovnice [14] :

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

kde kw je pseudo konstanta prvního řádu pro reakci karbokationtu s vodou při 20 °C.

Nukleofilita N v Mayr-Patzově rovnici souvisí s Ritchieho parametrem N + následujícím vztahem:

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

Kombinovaná rovnice

Ve snaze zkombinovat všechny výše popsané rovnice, Mayr a kol., navrhli následující výraz [17] :

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

kde s E je parametr citlivosti elektrofilu; sN je parametr citlivosti nukleofilu; N a E mají stejný význam jako v Mayr-Patzově rovnici.

Pomocí vhodných substitucí lze tento výraz změnit na jakoukoli rovnici popsanou dříve:

pro s E = 1 (pro karbokationty) je tato rovnice ekvivalentní původní Mayr-Patzově rovnici;
při s N = 0,6 (pro většinu n-nukleofilů):

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

, což je ekvivalent Sven-Scottovy rovnice:

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

;

pro s E = 1 a s N = 0,6 dostaneme:

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

což je ekvivalentní Ritchieho rovnici v mírně upravené podobě:

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

Viz také

Poznámky

↑ Definice IUPAC .pdf Archivováno 26. září 2009 na Wayback Machine
↑ 1 2 Carey F., Sandberg R. Pokročilý kurz organické chemie: Per. z angličtiny. = Advanced Organic Chemistry / Ed. V. M. Potapová. - M .: Chemie, 1981. - T. 1. Struktura a mechanismy. — 520 s.
↑ Ingold, CK // Recl. Trav. Chim. Pays Bass. — 1929.
↑ Lapworth, A. // Příroda . - 1925. - Sv. 115. - S. 625.
↑ C. Gardner Swain, Carleton B. Scott. Kvantitativní korelace relativních sazeb. Srovnání hydroxidového iontu s jinými nukleofilními činidly s alkylhalogenidy, estery, epoxidy a acylhalogenidy // J. Am. Chem. soc. . - 1953. - Sv. 75. - S. 141-147.
↑ Swain – Scottova rovnice . IUPAC. Kompendium chemické terminologie, 2. vyd. ("Zlatá kniha") (7. září 2009). Získáno 22. srpna 2010. Archivováno z originálu 7. května 2012.
↑ Chemická encyklopedie./ Nukleofilní reakce. // Hlavní redaktor I. L. Knunyants. - M.: "Sovětská encyklopedie", 1988. - T. 3.
↑ R. G. Pearson, H. Sobel, J. Songstad. Konstanty nukleofilní reaktivity vůči methyljodidu a trans- [Pt(py ) 2Cl2 ] // J. Am . Chem. soc. . - 1968. - Sv. 90. - S. 319-326.
↑ 12 C. D. Ritchie . Nukleofilní reaktivity vůči kationtům (anglicky) // Acc. Chem. Res. - 1972. - Sv. 5. - S. 348−354. doi : 10.1021 / ar50058a005 .
↑ Ritchieho rovnice . Kompendium chemické terminologie, 2. vyd. („Zlatá kniha“) . IUPAC. doi : 10.1351/zlatá kniha.R05402 . Získáno 22. srpna 2010. Archivováno z originálu 7. května 2012.
↑ "Čím aktivnější je činidlo, tím je méně selektivní."
↑ 1 2 S. Minegishi, H. Mayr. Jak konstantní jsou Ritchieho „konstantní selektivní vztahy“? Obecná stupnice reaktivity pro n-, π- a σ-nukleofily // J. Am. Chem. soc. . - 2003. - Sv. 125. - S. 286-295. doi : 10.1021 / ja021010y .
↑ P. Denton, CD Johnson. Selektivita a Ritchieho rovnice // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. - 1995. - S. 477 - 481. - doi : 10.1039/P29950000477 .
↑ 1 2 H. Mayr, M. Patz. Váhy nukleofility a elektrofility: Systém pro uspořádání polárních organických a organometalických reakcí (anglicky) // Angew. Chem. Int. Ed. Angličtina - 1994. - Sv. 33. - S. 938−957. - doi : 10.1002/anie.199409381 .
↑ 1 2 H. Mayr a kol. Mayrova databáze parametrů reaktivity . Získáno 2. září 2010. Archivováno z originálu 7. května 2012.
↑ V DMSO .
↑ T. B. Phan, M. Breugst, H. Mayr. Směrem k obecné škále nukleofility? (anglicky) // Angew. Chem. Int. Ed. - 2006. - Sv. 45. - S. 3869-3874. - doi : 10.1002/anie.200600542 .