Нуклеофил

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 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^−[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

В показанном ниже примере бимолекулярного нуклеофильного замещения (S_N2) 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 S_N2-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^[2]). 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 S_N2^[5][6]:

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

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

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

Табл. 1. Параметры нуклеофильности n для стандартного нуклеофила 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

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

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

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^[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

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]:

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

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)^[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]:

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

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^[17]:

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

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