Нуклеофил

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Нуклеофил в химии (лат. nucleus «ядро», др.-греч. φιλέω «любить») — реагент, образующий химическую связь с партнером по реакции (электрофилом) по донорно-акцепторному механизму, предоставляя электронную пару, образующую новую связь[1]. 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 бóльшим 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[2].

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[3], заменив предложенные ранее (в 1925) Лэпворсом «катионоид» и «анионоид»[4].

Примеры[править | править вики-текст]

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.

Замещение брома на гидроксид в молекуле бромэтана

В данной реакции атака нуклеофила происходит со стороны, противоположной уходящей группе. Вследствие этого SN2-процессы сопровождаются обращением (инверсией) конфигурации.

Классификация[править | править вики-текст]

Нуклеофилы можно классифицировать несколькими способами: по типу орбитали, с которой донируются электроны, и по природе атома, который образует связь.

По типу реагирующей орбитали[править | править вики-текст]

В зависимости от природы орбитали, на которой располагались электроны, пошедшие на образование связи с электрофилом, можно выделить:

По атому, образующему связь[править | править вики-текст]

Углеродные нуклеофилы[править | править вики-текст]

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≡CLi+);
  • 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[2]). Енолы и еноляты часто применяются в реакциях конденсации, например, в альдольной реакции или конденсации Кляйзена.
Резонансные структуры енолят-иона
  • другие частицы с полным или частичным отрицательным зарядом на атоме углерода (например, CH2−NO2).

Азотные нуклеофилы[править | править вики-текст]

Примерами азотных нуклеофилов являются аммиак (NH3), органические амины (RNH2, R2NH, R3N) и азиды (R−N3).

Взаимодействие триэтиламина с первичным алкилиодидом

Кислородные нуклеофилы[править | править вики-текст]

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:

Образование эпоксида по реакции Вильямсона

Серные нуклеофилы[править | править вики-текст]

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).

Тиолят-ион в качестве нуклеофила

Шкалы нуклеофильности[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Уравнение Свена-Скотта было выведено в 1953 году и является первой попыткой количественно описать реакционную способность нуклеофилов в реакциях SN2[5][6]:

 \lg { \left ( \frac{k}{k_0} \right ) } = S\cdot n \,

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

 \lg { \left ( \frac{k_{CH_3I,NucH}}{k_{CH_3I,H_2O}} \right ) } = n \,
Табл. 1. Параметры нуклеофильности n для стандартного нуклеофила CH3Br и стандартного растворителя H2O при 25 °C[7]
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[8]
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[править | править вики-текст]

Уравнение Ричи было выведено в 1972 году [9] и выражается следующим образом[10]:

\lg\left(\frac{k}{k_0}\right) = N^+,

где k_0 — константа скорости реакции стандартного катиона (обычно соли диазония) с со стандартным нуклеофилом (водой) в водной среде, k — константа скорости реакции с заданным нуклеофилом, N^+ — параметр, зависящий от нуклеофила (табл. 3):

Реакции нуклеофилов с катионами диазония
Табл. 3. Параметры нуклеофильности N+ при 25 °C[9]
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[11]. Из-за этого уравнение Ричи иногда называется «соотношение постоянной селективности»[12]. Явная упрощенность вызвала ряд публикаций о пределах его применимости[12][13].

Уравнение Майра-Патца[править | править вики-текст]

Диарилметильный катион

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 [14]:

 \lg \ k = s(N + E)

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)[15].

Некоторые нуклеофилы, для которых измерены параметры нуклеофильности N
Табл. 4. Параметры N и s для некоторых нуклеофилов[15]
Нуклеофил N (s) Нуклеофил N (s)
 1 −4,47 (1,32)  2 −0,41 (1,12)
 3 +0,96 (1)  4 −0,13 (1,21)
 5 +3,61 (1,11)  6 +7,48 (0,89)
 7 +13,36 (0,81)  PhC(CN)CH3[16] 28,95 (0,58)

Параметр элекрофильности E для некоторых карбокатионов можно грубо оценить по следующему уравнению [14]:

\ E \approx 1.241 \lg k_w - 5.80,

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:

\ N \approx 1.20 N_+ + 6.18

Объединенное уравнение[править | править вики-текст]

В попытке объединить все вышеописанные уравнения Майр с сотрудниками предложили следующее выражение[17]:

\ \lg k = s_Es_N(N + E),

где sE — параметр чувствительности электрофила; sN — параметр чувствительности электрофила; 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):
\ \lg k = 0.6s_EN + 0.6s_EE,
что эквивалентно уравнению Свена-Скотта:
\ \lg k = \lg k_0 + s_EN;
  • при sE = 1 и sN = 0.6 получим:
\ \lg k = 0.6N + 0.6E
что эквивалентно уравнению Ричи в немного измененном виде:
\ \lg k - \lg k_0 = N^+

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Определение, данное ИЮПАК .pdf
  2. 1 2 Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органической химии: Пер. с англ. = Advanced Organic Chemistry / Под ред. В. М. Потапова. — М.: Химия, 1981. — Т. 1. Структура и механизмы. — 520 с.
  3. Ingold, C. K.  // Recl. Trav. Chim. Pays-Bas. — 1929.
  4. Lapworth, A.  // Nature. — 1925. — Vol. 115. — P. 625.
  5. C. Gardner Swain, Carleton B. Scott. Quantitative Correlation of Relative Rates. Comparison of Hydroxide Ion with Other Nucleophilic Reagents toward Alkyl Halides, Esters, Epoxides and Acyl Halides (англ.) // J. Am. Chem. Soc.. — 1953. — Vol. 75. — P. 141-147.
  6. Swain–Scott equation (англ.). IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (7 September 2009). Проверено 22 августа 2010. Архивировано из первоисточника 7 мая 2012.
  7. Химическая энциклопедия./ Нуклеофильные реакции. // Главный редактор И. Л. Кнунянц. — М.: «Советская энциклопедия», 1988 год. — Т. 3.
  8. R. G. Pearson, H. Sobel, J. Songstad. Nucleophilic reactivity constants toward methyl iodide and trans-[Pt(py)2Cl2(англ.) // J. Am. Chem. Soc.. — 1968. — Vol. 90. — P. 319-326.
  9. 1 2 C. D. Ritchie. Nucleophilic reactivities toward cations (англ.) // Acc. Chem. Res. — 1972. — Vol. 5. — P. 348−354. — DOI:10.1021/ar50058a005
  10. Ritchie equation (англ.). Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). IUPAC. doi:10.1351/goldbook.R05402. Проверено 22 августа 2010. Архивировано из первоисточника 7 мая 2012.
  11. «Чем более активен реагент, тем он менее селективен.»
  12. 1 2 S. Minegishi, H. Mayr. How Constant Are Ritchie's “Constant Selectivity Relationships”? A General Reactivity Scale for n-, π-, and σ-Nucleophiles (англ.) // J. Am. Chem. Soc.. — 2003. — Vol. 125. — P. 286−295. — DOI:10.1021/ja021010y
  13. P. Denton, C. D. Johnson. Selectivity and the Ritchie equation (англ.) // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. — 1995. — P. 477 - 481. — DOI:10.1039/P29950000477
  14. 1 2 H. Mayr, M. Patz. Scales of Nucleophilicity and Electrophilicity: A System for Ordering Polar Organic and Organometallic Reactions (англ.) // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. — 1994. — Vol. 33. — P. 938−957. — DOI:10.1002/anie.199409381
  15. 1 2 H. Mayr et al. Mayr's Database of Reactivity Parameters (англ.). Проверено 2 сентября 2010. Архивировано из первоисточника 7 мая 2012.
  16. В ДМСО.
  17. T. B. Phan, M. Breugst, H. Mayr. Towards a General Scale of Nucleophilicity? (англ.) // Angew. Chem. Int. Ed. — 2006. — Vol. 45. — P. 3869–3874. — DOI:10.1002/anie.200600542