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 . 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 ( NH ₃ , H ₂ O ).

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 ⁻ .

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 (S _N 2) 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 CH ₃ CH ₂ Br — электрофилом .

В данной реакции атака нуклеофила происходит со стороны, противоположной уходящей группе. Вследствие этого S _N 2-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, ;
  • 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, CH ₃ MgBr, PhMgCl и т. д.) в реакциях Гриньяра , Реформатского , 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, ⁻ CH ₂ −NO ₂ ).

Азотные нуклеофилы

Примерами азотных нуклеофилов являются аммиак (NH ₃ ), органические амины (RNH ₂ , R ₂ NH, R ₃ N) и азиды (R−N ₃ ).

Кислородные нуклеофилы

Типичными кислородными нуклеофилами являются вода (H ₂ O), 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 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 S _N 2 :

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

В этом уравнении k — константа скорости реакции стандартного субстрата с данным нуклеофилом, k ₀ — константа скорости реакции субстрата со стандартным нуклеофилом (водой), S — параметр чувствительности субстрата к изменению нуклеофила (для CH ₃ Br или CH ₃ I S принимается равным 1), n — параметр нуклеофильности (для воды n = 0, табл. 1, 2).

Таким образом, для реакций

CH ₃ I + H ₂ O → CH ₃ OH + HI

CH ₃ I + Nuc−H → CH ₃ −Nuc + HI

уравнение Свена — Скотта можно записать как

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

Табл. 1. Параметры нуклеофильности n для стандартного нуклеофила CH ₃ Br и стандартного растворителя H ₂ O при 25 °C

Нуклеофил	Значение n	Нуклеофил	Значение n	Нуклеофил	Значение n
SO 3 2−	5,16	CN −	5,10	I −	5,04
SCN −	4,77	HO −	4,20	N 3 −	4,00
Br −	3,89	HCO 3 −	3,80	Cl −	3,04
CH 3 COO −	2,72	SO 4 2−	2,50	F −	2,00
NO 3 −	1,03	CH 3 OH	0,70	H 2 O	0,00

Табл. 2. Параметры нуклеофильности n для стандартного нуклеофила CH ₃ I 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	N 3 −	5,78	NC −	6,70
CH 3 OH	~0,00	H 2 O	0,00	CH 3 CO 2 −	4,3
PhO −	5,75	CH 3 O −	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 :

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

где ${\displaystyle k_{0}}$ — константа скорости реакции стандартного катиона (обычно соли диазония) с со стандартным нуклеофилом ( водой ) в водной среде, ${\displaystyle k}$ — константа скорости реакции с заданным нуклеофилом, ${\displaystyle N^{+}}$ — параметр, зависящий от нуклеофила (табл. 3):

Табл. 3. Параметры нуклеофильности N ⁺ при 25 °C

Нуклеофил (растворитель)	Значение N +	Нуклеофил (растворитель)	Значение N +
H 2 O (H 2 O)	0,0	MeOH ( MeOH )	0,5
CN − (H 2 O)	3,8	CN − (MeOH)	5,9
HO − (H 2 O)	4,5	MeO − (MeOH)	7,5
N 3 − (H 2 O)	5,4	N 3 − (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. . 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 :

${\displaystyle \lg \ k=s(N+E)}$

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) .

Табл. 4. Параметры N и s для некоторых нуклеофилов

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)CH 3	28,95 (0,58)

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

${\displaystyle \ E\approx 1.241\lg k_{w}-5.80}$ ,

где k _w — константа псевдопервого порядка для реакции карбокатиона с водой при 20 °C.

Нуклеофильность N в уравнении Майра — Патца связана с параметром Ричи N ₊ следующим соотношением:

${\displaystyle \ N\approx 1.20N_{+}+6.18}$

Объединенное уравнение

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

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

где s _E — параметр чувствительности электрофила; s _N — 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 s _E = 1 (для карбокатионов) это уравнение эквивалентно оригинальному уравнению Майра — Патца;
• при s _N = 0.6 (для большинства n-нуклеофилов):

${\displaystyle \ \lg k=0.6s_{E}N+0.6s_{E}E}$ ,

что эквивалентно уравнению Свена-Скотта:

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

• при s _E = 1 и s _N = 0.6 получим:

${\displaystyle \ \lg k=0.6N+0.6E}$

что эквивалентно уравнению Ричи в немного измененном виде:

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

См. также

• Реакции нуклеофильного замещения
• Реакции нуклеофильного присоединения
• Электрофил
• Основание Льюиса

Примечания