Nukleofil

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 27. oktober 2017; checks kræver 7 redigeringer .

Nukleofil i kemi ( lat. nucleus "kerne", andet græsk φιλέω "at elske") er et reagens, der danner en kemisk binding med en reaktionspartner ( elektrofil ) ved donor-acceptor-mekanismen, hvilket giver et elektronpar , der danner en ny binding [1] . På grund af det faktum, at nukleofiler donerer elektroner, er de per definition Lewis-baser . Teoretisk set kan alle ioner og neutrale molekyler med et ikke-delt elektronpar fungere som nukleofiler .

En nukleofil er et elektronrigt kemisk reagens, der er i stand til at interagere med elektronmangelfulde forbindelser ( elektrofiler ). Eksempler på nukleofiler er anioner (Cl - , Br - , I - ) og forbindelser med et enkelt elektronpar ( NH 3 , H 2 O ).

I løbet af substitutions- eller additionsreaktioner angriber nukleofilen stedet for fuld eller delvis positiv ladning på elektrofilen . Navnet "nukleofil" betyder "elsker kernen" og afspejler denne evne ( atomkernen er positivt ladet). Nukleofilers relative reaktivitet kaldes nukleofilicitet . Inden for den samme række af det periodiske system er stærkere baser (med en højere pKa - værdi af konjugatsyren) bedre nukleofiler. Inden for samme gruppe er nukleofilicitet mere påvirket af polariserbarhed - den lethed, hvormed elektronskyen af et atom eller molekyle deformeres. For eksempel i vandige opløsninger er iodidionen I - mere nukleofil end fluoridet F - [2] .

Ambident nukleofiler har to eller flere reaktive centre. For eksempel kan thiocyanationen SCN − angribe en elektrofil med enten et svovlatom eller et nitrogenatom. Reaktioner af haloalkaner med SCN − fører ofte til dannelsen af en blanding af RSCN (alkylthiocyanat) og RNCS (alkylisothiocyanat).

Udtrykkene "nukleofil" og "elektrofil" blev introduceret i 1929 af Christopher Ingold [3] , og erstattede den tidligere foreslåede (i 1925) Lapworth "kationoid" og "anionoid" [4] .

Eksempler

I det bimolekylære nukleofile substitutionseksempel vist nedenfor (S N 2) donerer oxygenatomet i hydroxidionen et par elektroner for at binde til carbonatomet i bromethanmolekylet. Bindingen mellem kulstof- og bromatomer brydes af en heterolytisk mekanisme: brom accepterer begge elektroner af denne binding og forlader i form af Br - ion . I denne reaktion er OH- en nukleofil, og CH3CH2Br er en elektrofil .

I denne reaktion angriber nukleofilen fra siden modsat afgangsgruppen. Som et resultat er S N 2-processer ledsaget af konfigurationsvending (inversion).

Klassifikation

Nukleofiler kan klassificeres på flere måder: efter den type orbital , som elektroner doneres fra , og efter arten af det atom, der danner bindingen .

I henhold til typen af reagerende orbital

Afhængigt af arten af den orbital, hvorpå elektronerne var placeret, som gik til at danne en binding med en elektrofil , kan man skelne:

π-nukleofiler (elektroner forlod π-orbitalen):
- alkener , diener , alkyner ;
- allylsilaner, allylgermaner, allylstannaner ;
- alkyl- og silylenolethere;
- aromatiske forbindelser ;
n-nukleofiler (elektroner var i en ikke-bindende orbital - et ensomt elektronpar):
- aminer ;
- fosfiner ;
- fosfitter ;
- anioner ;
σ-nukleofiler (elektroner forlod σ-orbitalen):
- hydridiondonorer H − .

Ved bindingsatomet

Kulstofnukleofiler

Nukleofiler med et reaktivt center på et carbonatom er:

alkyl- og arylmetalhalogenider (f.eks. CH3MgBr , PhMgCl, etc.) i Grignard , Reformatsky , Barbier -reaktioner osv.
organolithiumreagenser (PhLi) og terminale alkynanioner (HC≡C − Li + );
enoler og enolater (RCH=CH−OH og RCH=CH−O − ) er omgivende nukleofiler og kan reagere både ved carbonatomet i α-stillingen og ved oxygenatomet. Reaktioner ved carbonatomet dominerer normalt (i dette tilfælde er enolationer mere aktive end enoler [2] ). Enoler og enolater bruges ofte i kondensationsreaktioner, såsom aldol-reaktionen eller Claisen-kondensationen .

andre partikler med fuld eller delvis negativ ladning på carbonatomet (f.eks. − CH 2 − NO 2 ).

Nitrogennukleofiler

Eksempler på nitrogennukleofiler er ammoniak (NH 3 ), organiske aminer (RNH 2 , R 2 NH, R 3 N) og azider (R−N 3 ).

Iltnukleofiler

Typiske oxygennukleofiler er vand (H 2 O), hydroxidion (OH - ), alkoholer (ROH) og alkoxider (RO - ). I variationen af Williamson-reaktionen vist nedenfor , deprotonerer den stærke base alkoholen for at danne et alkoxid. Oxygenatomet erstatter derefter intramolekylært den afgående gruppe, hvilket fører til dannelsen af et epoxid , en tre-leddet heterocyklus med et oxygenatom :

Svovlnukleofiler

Svovlholdige forbindelser er generelt gode nukleofiler, da svovlatomet let polariseres, hvilket letter elektronparoverførsel. Typiske nukleofiler af denne klasse er thioler (RSH) og thiolater (RS - ).

Nukleofilisitetsskalaer

Der er flere måder at kvantitativt beskrive nukleofilers reaktivitet. Metoderne nedenfor er baseret på undersøgelsen af eksperimentelle data om hastigheden af visse reaktioner, der involverer et stort antal nukleofiler og elektrofiler . Som regel er reagenser med en udtalt alfa-effekt ikke inkluderet i disse korrelationer.

Sven-Scott-ligningen

Sven-Scott-ligningen blev udledt i 1953 og er det første forsøg på kvantitativt at beskrive nukleofilers reaktivitet i S N 2 -reaktioner [5] [6] :

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

I denne ligning er k hastighedskonstanten for reaktionen af et standardsubstrat med en given nukleofil, k 0 er hastighedskonstanten for reaktionen af et substrat med en standardnukleofil (vand), S er substratets følsomhedsparameter til en ændring i nukleofilen (for CH3Br eller CH3IS tages lig med 1 ) , n er nukleofilicitetsparameteren (for vand n = 0, tabel 1, 2).

Så til reaktionerne

CH3I + H2O → CH3OH + HI CH3I + Nuc-H → CH3- Nuc + HI

Sven-Scott ligningen kan skrives som

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

Tab. Fig. 1. Nukleofilicitetsparametre n for standardnukleofilen CH 3 Br og standardopløsningsmidlet H 2 O ved 25°C [7]

Nukleofil	Værdi n	Nukleofil	Værdi n	Nukleofil	Værdi n
SO 3 2-	5.16	CN- _	5.10	jeg- _	5.04
SCN- _	4,77	HO- _	4,20	N 3 -	4.00
Br- _	3,89	HCO3 - _	3,80	Cl- _	3.04
CH 3 COO −	2,72	SO 4 2-	2,50	F- _	2.00
NR 3 -	1.03	CH3OH _ _	0,70	H2O _ _	0,00

Tab. Fig. 2. Nukleofilicitetsparametre n for standardnukleofilen CH 3 I og standardopløsningsmidlet MeOH ved 25°C [8]

Nukleofil	Værdi n	Nukleofil	Værdi n	Nukleofil	Værdi n
F- _	2.7	Cl- _	4,37	Br- _	5,79
jeg- _	7,42	N 3 -	5,78	NC- _	6,70
CH3OH _ _	~0,00	H2O _ _	0,00	CH 3 CO 2 -	4.3
PhO- _	5,75	CH 3 O -	6,29	pyridin	5,23
Anilin	5,70	Triethylamin	6,66	PhSH	5.7

Ritchies ligning

Ritchies ligning blev udledt i 1972 [9] og er udtrykt som følger [10] :

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

hvor er hastighedskonstanten for reaktionen af en standardkation ( normalt et diazoniumsalt) med en standardnukleofil ( vand ) i et vandigt medium, er hastighedskonstanten for reaktionen med en given nukleofil, er en nukleofilafhængig parameter (tabel 3): $k_{0}$ $k$ $N^{+}$

Tab. 3. Nukleofilicitet parametre N + ved 25 °C [9]

Nukleofil (opløsningsmiddel)	N + værdi	Nukleofil (opløsningsmiddel)	N + værdi
H2O ( H2O ) _	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 - ( DMSO )	13.1	PhS- ( MeOH)	10.7

Et vigtigt træk ved Ritchie-ligningen er fraværet af substratfølsomhedsparameteren (σ i Sven-Scott-ligningen). Det antages således, at den relative reaktivitet af de to nukleofiler kun bestemmes af værdien af N + og ikke afhænger af reaktionspartneren. Dette står i skarp kontrast til den såkaldte. princippet om indbyrdes afhængighed af reaktivitet og selektivitet [11] . På grund af dette kaldes Ritchies ligning nogle gange for den "konstante selektivitetsrelation" [12] . Den åbenlyse forenkling forårsagede en række publikationer om grænserne for dens anvendelighed [12] [13] .

Mayr-Patz-ligningen

I 1994 foreslog G. Mayr og M. Patz, baseret på undersøgelsen af reaktiviteten af diarylmethylkationer og andre forbindelser, en ligning, der beskriver reaktiviteten af et ret stort antal nukleofiler og elektrofiler [14] :

\lg \k=s(N+E)

I denne ligning er andenordens reaktionshastighedskonstanten k , målt ved 20 °C, forbundet med elektrofilicitetsparameteren E (for bis( p - methoxyphenyl)methylkation E = 0), nukleofilicitetsparameteren N og følsomhedsfaktoren s (for 2-methyl-1-penten s = 1). For reaktioner af uladede nukleofiler afhænger hastighedskonstanten svagt af opløsningsmidlet, og sidstnævnte er normalt ikke angivet.

Diarylmethylkationer blev valgt som standardelektrofiler, fordi deres aktivitet kan kontrolleres ved udvælgelse af R-substituenten i para -stillingen. Det var således muligt at måle reaktiviteten af meget forskellige nukleofiler. For de testede forbindelser varierer parameteren N i området fra -4,47 til 28,95 (tabel 4) [15] .

Tab. 4. Parametre N og s for nogle nukleofiler [15]

Nukleofil	N ( er )	Nukleofil	N ( er )
en	−4,47 (1,32)	2	−0,41 (1,12)
3	+0,96 (1)	fire	−0,13 (1,21)
5	+3,61 (1,11)	6	+7,48 (0,89)
7	+13,36 (0,81)	PhC − (CN)CH 3 [16]	28,95 (0,58)

Elektrofilicitetsparameteren E for nogle karbokationer kan groft estimeres ud fra følgende ligning [14] :

\E\ca. 1.241\lg k_{w}-5.80

hvor k w er en pseudo-førsteordenskonstant for reaktionen af en carbocation med vand ved 20 °C.

Nukleofilicitet af N i Mayr-Patz-ligningen er relateret til Ritchie-parameteren N + ved følgende relation:

\N\ca. 1.20N_{+}+6.18

Kombineret ligning

I et forsøg på at kombinere alle ligningerne beskrevet ovenfor, foreslog Mayr et al. følgende udtryk [17] :

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

hvor s E er følsomhedsparameteren for elektrofilen; sN er følsomhedsparameteren for nukleofilen; N og E har samme betydning som i Mayr-Patz-ligningen.

Ved hjælp af passende substitutioner kan dette udtryk omdannes til en hvilken som helst ligning beskrevet tidligere:

for s E = 1 (for carbocations) er denne ligning ækvivalent med den oprindelige Mayr-Patz-ligning;
ved s N = 0,6 (for de fleste n-nukleofiler):

\ \lg k=0.6s_{E}N+0.6s_{E}E

, som svarer til Sven-Scott-ligningen:

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

;

for s E = 1 og s N = 0,6 får vi:

\ \lg k=0,6N+0,6E

hvilket svarer til Ritchies ligning i en let modificeret form:

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

Se også

Noter

↑ IUPAC definition .pdf Arkiveret 26. september 2009 på Wayback Machine
↑ 1 2 Carey F., Sandberg R. Videregående kursus i organisk kemi: Pr. fra engelsk. = Avanceret organisk kemi / Ed. V. M. Potapova. - M .: Kemi, 1981. - T. 1. Struktur og mekanismer. - 520 sek.
↑ Ingold, CK // Recl. Trav. Chim. Betaler bas. - 1929.
↑ Lapworth, A. // Nature . - 1925. - Bd. 115. - S. 625.
↑ C. Gardner Swain, Carleton B. Scott. Kvantitativ korrelation af relative rater. Sammenligning af hydroxidion med andre nukleofile reagenser mod alkylhalogenider, estere, epoxider og acylhalogenider // J. Am. Chem. soc. . - 1953. - Bd. 75. - S. 141-147.
↑ Swain -Scott-ligning . IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2. udg. ("Guldbogen") (7. september 2009). Hentet 22. august 2010. Arkiveret fra originalen 7. maj 2012.
↑ Kemisk encyklopædi./ Nukleofile reaktioner. // Chefredaktør I. L. Knunyants. - M .: "Sovjetisk encyklopædi", 1988. - T. 3.
↑ R. G. Pearson, H. Sobel, J. Songstad. Nukleofile reaktivitetskonstanter over for methyliodid og trans -[Pt(py) 2 Cl 2 ] // J. Am. Chem. soc. . - 1968. - Bd. 90. - S. 319-326.
↑ 12 C. D. Ritchie . Nukleofile reaktiviteter mod kationer (engelsk) // Acc. Chem. Res. - 1972. - Bd. 5. - S. 348−354. doi : 10.1021 / ar50058a005 .
↑ Ritchie ligning . Compendium of Chemical Terminology, 2. udg. ("Guldbogen") . IUPAC. doi : 10.1351/goldbook.R05402 . Hentet 22. august 2010. Arkiveret fra originalen 7. maj 2012.
↑ "Jo mere aktivt reagenset er, jo mindre selektivt er det."
↑ 1 2 S. Minegishi, H. Mayr. Hvor konstante er Ritchies "konstante selektivitetsforhold"? En generel reaktivitetsskala for n-, π- og σ-nukleofiler // J. Am. Chem. soc. . - 2003. - Bd. 125. - S. 286-295. doi : 10.1021 / ja021010y .
↑ P. Denton, CD Johnson. Selektivitet og Ritchie-ligningen // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. - 1995. - S. 477 - 481. - doi : 10.1039/P29950000477 .
↑ 1 2 H. Mayr, M. Patz. Skalaer af nukleofilicitet og elektrofilicitet: Et system til bestilling af polære organiske og metalorganiske reaktioner (engelsk) // Angew. Chem. Int. Ed. engelsk - 1994. - Bd. 33. - S. 938−957. - doi : 10.1002/anie.199409381 .
↑ 1 2 H. Mayr et al. Mayrs database over reaktivitetsparametre . Hentet 2. september 2010. Arkiveret fra originalen 7. maj 2012.
↑ I DMSO .
↑ T. B. Phan, M. Breugst, H. Mayr. På vej mod en generel skala af nukleofilicitet? (engelsk) // Angew. Chem. Int. Ed. - 2006. - Bd. 45. - P. 3869-3874. - doi : 10.1002/anie.200600542 .