אלקטרופיל

בכימיה, אלקטרופיל ("אוהב אלקטרון") הוא מגיב הנמשך לאלקטרונים המשתתפים בתגובה כימית. משיכה זו היא באמצעות קליטת זוג אלקטרונים על מנת להיקשר אל נוקלאופיל. כיוון שאלקטרופילים קולטים אלקטרונים, הם עונים על ההגדרה של חומצות לואיס. רוב האלקטרופילים טעונים במטען חשמלי חיובי, יש להם אטום הנושא מטען חיובי חלקי, או שיש להם אטום שאין לו שמונה אלקטרונים (לפי כלל האוקטט). האלקטרופילים תוקפים את האזור בנוקלאופיל שבו צפיפות האלקטרונים היא הגבוהה ביותר. האלקטרופילים הנפוצים ביותר בסינתזות אורגניות הם קטיונים כגון פרוטון חופשי, חנקן חד-חמצני, מולקולות קוטביות נייטרליות כגון HCl, אלקיל הלידים, אציל הלידים, תרכובות קרבוניל, מולקולות קוטביות שיכולות לעבור קיטוב כגון Cl2 ו-Br2, גורמים מחמצנים כגון חומצה פרוקסידית אורגנית, תרכובות כימיות שלא ממלאות את כלל האוקטט כגון קרבנים ורדיקלים חופשיים, ומספר חומצות לואיס כגון BH3 ודי-איזו-בוטיל-אלומיניום הידריד. סיפוח אלקטרופילי הוא אחת מבין שלוש הצורות של תגובות אורגניות הקשורות לאלקנים. צורות אלה הן: הידרוגנציה על ידי סיפוח של מימן לקשר הכפול. תגובות סיפוח אלקטרופילי עם הלוגנים וחומצה גופרתית. הידרציה ליצירת כוהלים. סיפוח הלוגנים מתרחש בין אלקנים ואלקטרופילים, בתגובות הקרויות סיפוח הלוגנים. תגובות נפוצות כוללות שימוש במים ברומידיים לטיטור כנגד דגימה על מנת להסיק מהו מספר הקשרים הכפולים הקיימים. דוגמה לתגובה: C2H4 + Br2 → BrCH2CH2Br התגובה הזאת מתרחשת בשלושה שלבים כמפורט להלן: יצירת קומפלקס פאי: המולקולה האלקטרופילית Br-Br יוצרת קשר עם מולקולת האלקן עתירת האלקטרונים על מנת ליצור קומפלקס פאי (1). יצירת יון ברומוניום משולש: האלקן מתפקד כתורם אלקטרונים והברומין מתפקד כאלקטרופיל. נוצר יון ברומוניום משולש (2) המורכב משני אטומי פחמן ואטום ברום אחד תוך שחרור של Br-‎. תקיפת יון הברומיד: יון הברומוניום נפתח באמצעות התקפה של Br-‎ מהצד האחורי. דבר זה גורם ליצירה של די-ברומיד קרוב המצוי בקונפיגורציה אנטי-מישורית. כאשר נוקלאופילים אחרים כגון מים או אלכוהול נוכחים, הם עשויים לתקוף את 2 כדי ליצור אלכוהול או אתר. תהליך זה נקרא מנגנון AdE2. גם חומרים כגון יוד (I2), כלור (Cl2), יון סולפניל (RS+‎), קטיון כספית (Hg+2), ופחמן דו-כלורי (:CCl2) מגיבים באופן דומה. המעבר המדויק בין 1 ל-3 יופיע כאשר ה-Br-‎ יימצא בכמויות גדולות במדיום שבו מתרחשת התגובה. ייתכן ותוצר הביניים, יון β-ברומו קרבֵּניום, יועדף על פני 3 אם לאלקן יש מתמיר קטיוני-מייצב כגון קבוצת פניל. ישנה דוגמה של בידוד יון הברומוניום ב-2. הלידים של מימן כגון חומצת מימן כלורי (HCl) מתווספים לאלקנים כך שנוצרים אלקיל הליד בתהליך הנקרא הידרוהלוגנציה. לדוגמה, התגובה של HCl עם אֶתֶן מספקת כלורו-אתן. התגובה ממשיכה עם תיווך של קטיון, והיא שונה מסיפוח ההלוגן שלמעלה. להלן דוגמה לתגובה מסוג זה: פרוטון מתווסף (כיוון שהוא אלקטרופיל) לאחד מאטומי הפחמן על האלקן ליצירת הקטיון 1. יון כלוריד (Cl-) משתלב עם הקטיון 1 ליצירת התוצרים 2 ו-3. באופן זה, הסטראו-סלקטיביות של התוצר, כלומר, מאיזה צד ה-Cl- יתקוף, תלויה בסוג האלקנים ובתנאי התגובה. לכל הפחות, האטום שיותקף על ידי יון המימן נקבע בדרך כלל לפי כלל מרקובניקוב. באופן זה, יון המימן תוקף את אטום הפחמן שנושא פחות מתמירים כך שייווצר קרבו-קטיון יותר יציב (עם מתמירים יותר יציבים). תהליך זה נקרא מנגנון A-SE2. מימן פלואורי (HF) ויודיד המימן (HI) מגיבים עם אלקנים באותו אופן והתוצרים שיתקבלו בתגובות אלה יהיו לפי כלל מרקובניקוב. מימן ברומי (HBr) נוקט גם כן בנתיב זה, אולם, לפעמים יש למנגנון זה תחרות עם תהליך רדיקלי כך שנוצרת תערובת של איזומרים. אחת מתגובות ההידרציה המורכבות ביותר מנצלת חומצה גופרתית כזרז. תגובה זו מתרחשת באופן דומה לתגובת הסיפוח אבל יש לה שלב נוסף שבו הקבוצה OSO3H מוחלפת על ידי קבוצת הידרוקסיל, ומתקבל אלכוהול: C2H4 + H2O → C2H5OH כפי שניתן לראות, המולקולה H2SO4 לא משתתפת בתגובה הכוללת, אולם היא כן נוטלת חלק וכיוון שהיא נשארת באותה צורה, היא מסווגת כזרז. להלן תיאור יותר מפורט של התגובה: למולקולה H-OSO3H יש מטען חיובי על אטום המימן ההתחלתי, היא נמשכת אליו ומגיבה עם הקשר הכפול באותה דרך כפי שתואר. היון, OSO3H-, שנותר (מטען שלילי) נצמד אל הקרבו-קטיון. נוצר אתיל-מימן-גופרתי (הנתיב העליון באיור). כאשר מוסיפים מים ונוצר בתערובת אתנול, אטום המימן "העודף" מהמים "מחליף" את המימן "האבוד" ובכך יוצר מחדש את החומצה הגופרתית. ישנה עוד דרך שבה מולקולת מים משתלבת ישירות לתוצר הביניים הקרבו-קטיוני (הנתיב התחתון). דרך זו הופכת לדומיננטית כאשר עושים שימוש בחומצה גופרתית ממוימת. באופן כללי, התהליך הזה מוסיף מולקולת מים למולקולה של אתן. לתגובה זו יש חשיבות תעשייתית רבה כיוון שהיא מפיקה אתנול, שהוא כוהל בעל שימושים רבים כגון דלק וחומרים מציתים לכימיקלים אחרים. ערך מורחב – אלקטרושליליות קיימות כמה שיטות לדירוג האלקטרופילים בסדר של ריאקטיביות ואחת מהן פותחה על ידי רוברט פאר כאשר אינדקס האלקטרופיליות ω מתואר כך: ω = χ 2 2 η {\displaystyle \omega ={\frac {\chi ^{2}}{2\eta }}\,} כאשר χ {\displaystyle \chi \,} מסמל את האלקטרושליליות ו- η {\displaystyle \eta \,} את הקשיות הכימית. משוואה זו קשורה למשוואה אחרת העוסקת בכוח חשמלי: P = V 2 R {\displaystyle P={\frac {V^{2}}{R}}\,} כאשר R מסמלת התנגדות חשמלית (אוהם או Ω) ו-V מסמלת מתח חשמלי. במובן זה, אינדקס האלקטרופיליות הוא סוג של כוח אלקטרופילי. נמצאו התאמות בין אלקטרופיליות של מגוון תרכובות כימיות וקצבי תגובה במערכות ביוכימיות ותופעות מסוימות כגון דלקת עור אלרגנית. נוקלאופיל אלקטרופיל, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) Lenoir, D.; Chiappe, C. Chem. Eur. J. 2003, 9, 1036. Brown, R. S. Acc. Chem. Res. 1997, 30, 131. Electrophilicity Index Parr, R. G.; Szentpaly, L. v.; Liu, S. J. Am. Chem. Soc.; (Article); 1999; 121(9); 1922-1924. Electrophilicity Index Chattaraj, P. K.; Sarkar, U.; Roy, D. R. Chem. Rev.; (Review); 2006; 106(6); 2065-2091.