Нуклеофил

Нуклеофил в химии ( «ядро»,  «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 (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−.

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 (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.
 
В данной реакции атака нуклеофила происходит со стороны, противоположной уходящей группе. Вследствие этого SN2-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). 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 SN2:

 
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

Уравнение Ричи 
Уравнение Ричи было выведено в 1972 году  и выражается следующим образом:

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

 

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. 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:

 

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).

{| class="simple" border="1"
 |+ Табл. 4. Параметры N и s для некоторых нуклеофилов
 !Нуклеофил
 !N (s)
 !Нуклеофил
 !N (s)
|-
 | 1
 |align="center" |−4,47 (1,32)
 | 2
 |align="center" |−0,41 (1,12)

|-
 | 3
 |align="center" |+0,96 (1)
 | 4
 |align="center" |−0,13 (1,21)
|-
 | 5
 |align="center" |+3,61 (1,11)
 | 6
 |align="center" |+7,48 (0,89)
|-
 | 7
 |align="center" |+13,36 (0,81)
 | PhC−(CN)CH3
 |align="center" |28,95 (0,58)
|}

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

 ,

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:

 

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

,

где sE — параметр чувствительности электрофила; sN — 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 sE = 1 (для карбокатионов) это уравнение эквивалентно оригинальному уравнению Майра — Патца;
 при sN = 0.6 (для большинства n-нуклеофилов):
 ,
 что эквивалентно уравнению Свена-Скотта:
 ;

 при sE = 1 и sN = 0.6 получим:
 
 что эквивалентно уравнению Ричи в немного измененном виде:

См. также 
 Реакции нуклеофильного замещения
 Реакции нуклеофильного присоединения
 Электрофил
 Основание Льюиса

Примечания 

Физическая органическая химия