Вода это электрофил или нуклеофил

Нуклеофилы и электрофилы

Понятие кислоты и основания очень близко к понятиям электрофил и нуклеофил, которые широко используются в органической химии для обозначения характера реагирующих частиц.

Нуклеофил – это частица с электронодонорными свойствами, способная образовать связь со своим партнером в реакции (электрофилом), отдавая неподеленую электронную пару или пару связи. Нуклеофилы являются основаниями Льюса.

а) отрицательно заряженные:

Электрофил – это частица с электроноакцепторными свойствами, которая образует связь со своим партнером в реакции (нуклеофилом). У электрофила должна быть вакантная орбиталь или сильнополярная связь. Электрофилы являются кислотами Льюса.

а) положительно заряженные:

Для того чтобы прошла гетеролитическая реакция, нужны два реагента – нуклеофильный (донор электронов) и электрофильный (акцептор электронов).

Источник

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 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 − [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] .

Содержание

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] :

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

уравнение Свена-Скотта можно записать как

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
SO3 2−	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	SO4 2−	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]

0,00

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	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] :

,

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):

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

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] :

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] .

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] :

,

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:

Объединенное уравнение

В попытке объединить все вышеописанные уравнения Майр с сотрудниками предложили следующее выражение [17] :

,

где s_E — параметр чувствительности электрофила; s_N — параметр чувствительности электрофила; 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):

, что эквивалентно уравнению Свена-Скотта: ;

• при s_E = 1 и s_N = 0.6 получим:

что эквивалентно уравнению Ричи в немного измененном виде:

См. также

Примечания

1. ↑ Определение, данное ИЮПАК.pdf
2. ↑ 12Кери Ф., Сандберг Р. Углубленный курс органической химии: Пер. с англ. = Advanced Organic Chemistry / Под ред. В. М. Потапова. — М .: Химия, 1981. — Т. 1. Структура и механизмы. — 520 с.
3. ↑Ingold, C. K. // Recl. Trav. Chim. Pays-Bas. — 1929.
4. ↑Lapworth, A. // Nature. — 1925. — Vol. 115. — P. 625.
5. ↑C. Gardner Swain, Carleton B. Scott.Quantitative Correlation of Relative Rates. Comparison of Hydroxide Ion with Other Nucleophilic Reagents toward Alkyl Halides, Esters, Epoxides and Acyl Halides (англ.) // J. Am. Chem. Soc.. — 1953. — Vol. 75. — P. 141-147.
6. ↑Swain–Scott equation (англ.) . IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the «Gold Book») (7 September 2009). Архивировано из первоисточника 7 мая 2012.Проверено 22 августа 2010.
7. ↑ Химическая энциклопедия./ Нуклеофильные реакции. // Главный редактор И. Л. Кнунянц. — М.: «Советская энциклопедия», 1988 год. — Т. 3.
8. ↑R. G. Pearson, H. Sobel, J. Songstad.Nucleophilic reactivity constants toward methyl iodide and trans-[Pt(py)₂Cl₂] (англ.) // J. Am. Chem. Soc.. — 1968. — Vol. 90. — P. 319-326.
9. ↑ 12C. D. Ritchie.Nucleophilic reactivities toward cations (англ.) // Acc. Chem. Res. — 1972. — Vol. 5. — P. 348−354. — DOI:10.1021/ar50058a005
10. ↑Ritchie equation (англ.) . Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the «Gold Book»). IUPAC. doi:10.1351/goldbook.R05402. Архивировано из первоисточника 7 мая 2012.Проверено 22 августа 2010.
11. ↑ «Чем более активен реагент, тем он менее селективен.»
12. ↑ 12S. Minegishi, H. Mayr.How Constant Are Ritchie’s “Constant Selectivity Relationships”? A General Reactivity Scale for n-, π-, and σ-Nucleophiles (англ.) // J. Am. Chem. Soc.. — 2003. — Vol. 125. — P. 286−295. — DOI:10.1021/ja021010y
13. ↑P. Denton, C. D. Johnson.Selectivity and the Ritchie equation (англ.) // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. — 1995. — P. 477 — 481. — DOI:10.1039/P29950000477
14. ↑ 12H. Mayr, M. Patz.Scales of Nucleophilicity and Electrophilicity: A System for Ordering Polar Organic and Organometallic Reactions (англ.) // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. — 1994. — Vol. 33. — P. 938−957. — DOI:10.1002/anie.199409381
15. ↑ 12H. Mayr et al.Mayr’s Database of Reactivity Parameters (англ.) . Архивировано из первоисточника 7 мая 2012.Проверено 2 сентября 2010.
16. ↑ В ДМСО.
17. ↑T. B. Phan, M. Breugst, H. Mayr.Towards a General Scale of Nucleophilicity? (англ.) // Angew. Chem. Int. Ed. — 2006. — Vol. 45. — P. 3869–3874. — DOI:10.1002/anie.200600542

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Нуклеофил» в других словарях:

нуклеофил — nukleofilas statusas T sritis chemija apibrėžtis Dalelė, turinti laisvą elektronų porą ar didesnį elektronų tankį. atitikmenys: angl. nucleophile rus. нуклеофил … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Значение параметра нуклеофильности n для некоторых реагентов (вода, 25°С) — Нуклеофил Х: n S2O32 6,38 SO32 5,16 CN 5,10 … Химический справочник

Реакции нуклеофильного замещения — (англ. nucleophilic substitution reaction) реакции замещения, в которых атаку осуществляет нуклеофил реагент, несущий неподеленную электронную пару.[1] Уходящая группа в реакциях нуклеофильного замещения называется нуклеофуг. Все … Википедия

ТЕЛЕ-ЗАМЕЩЕНИЕ — замещение (обычно нуклеоф.) в аро матич. или гетероароматич. ряду, при к ром входящая группа вступает в положение, находящееся через один или более атомов от уходящей группы; обозначается … Химическая энциклопедия

НИТРОСОЕДИНEНИЯ — (С нитросоединения), содержат в молекуле одну или неск. нитрогрупп, непосредственно связанных с атомом углерода. Известны также N и О нитро соединения (см. Нитрамины и Нитраты органические). Нитрогруппа имеет строение, промежуточное между двумя… … Химическая энциклопедия

НУКЛЕОФИЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ — гетеролитич. р ции орг. соед. с нуклеоф. реагентами (нуклеофилами, от лат. nucleus ядро и греч. phileo люблю). К н у к л е о ф и л а м относят анионы и молекулы (орг. и неорг.), к рые при участии в р ции отдают свою пару электронов на образование … Химическая энциклопедия

Аммиак — Общие Химическая формул … Википедия

Реакции присоединения — (англ. addition reaction) в органической химии так называются химические реакции, в которых одни химические соединения присоединяются к кратным (двойным или тройным) связям другого химического соединения. Присоединение может… … Википедия

БЕНЗОПИРИЛИЯ СОЛИ — (соли хромилия), содержат в молекуле катион бензопирилия структуры I или II. Хим. св ва этих структур различны вследствие фенольного характера кислорода в I и кетонного во II Соед. I не обменивает атом кислорода на др. гетеро атомы и не превращ.… … Химическая энциклопедия

ВАГНЕРА-МЕЕРВЕЙНА ПЕРЕГРУППИРОВКИ — общее назв. р ций, протекающих с 1,2 миграцией группы R(H, алкил или алициклич. фрагмент, арил, ацил, алкоксикарбонил и др.) к карбкатионному центру, возникающему в молекуле при нуклеоф. замещении, присоединении к кратной связи или элиминировании … Химическая энциклопедия

Источник