6.3 : Nukleofile

Słowo "nukleofil" ma grecki źródłosłów i oznacza miłośnika jąder atomowych. Nukleofile to gatunki naładowane ujemnie lub obojętne, posiadające parę elektronów na orbitalu molekularnym zajętym o wysokiej energii (HOMO). Ponieważ gatunki te mają tendencję do oddawania par elektronów, nukleofile są również uważane za zasady Lewisa. Gatunki naładowane ujemnie, takie jak OH⁻, Cl⁻ lub HS⁻, z jedną lub kilkoma parami elektronów, są zazwyczaj nukleofilami. Podobnie związki obojętne, takie jak amoniak, aminy, woda i alkohol, mają niewiążące, wolne pary elektronów i mogą działać jako nukleofile. Co więcej, cząsteczki bez wolnej pary elektronów mogą nadal działać jako nukleofile, takie jak alkeny i pierścienie aromatyczne z wiążącymi orbitalami π.

Względna siła nukleofila do wyparcia grupy opuszczającej w reakcji podstawienia nazywana jest nukleofilowością. Gatunki naładowane ujemnie są bardziej nukleofilowe niż ich neutralne odpowiedniki. Z reguły wynika, że im wyższe pK_a sprzężonego kwasu, tym lepszy nukleofil. Na przykład jon wodorotlenkowy – sprzężona zasada wody (pK_a 15,7) jest lepszym nukleofilem niż jon octanowy – sprzężona zasada kwasu octowego (pK_a~5).

Ponieważ nukleofilowość nie jest nieodłączną właściwością danego gatunku, ma na nią wpływ wiele czynników, w tym rodzaj rozpuszczalnika, w którym prowadzona jest reakcja. W polarnych rozpuszczalnikach protonowych wysoka solwatacja anionów zmniejsza dostępność nukleofilów do udziału w reakcjach podstawienia.

Porównując halogenki, fluor, będący najmniejszym i najbardziej elektroujemnym anionem, ulega solwatacji najsilniej, podczas gdy jodek, największy i najmniej elektroujemny jon, ulega solwatacji najmniej. Zatem w polarnych rozpuszczalnikach protonowych jodek jest najlepszym nukleofilem. Jednakże w polarnych rozpuszczalnikach aprotonowych aniony są „nagie” z powodu słabej solwatacji i mogą swobodnie uczestniczyć w ataku nukleofilowym. W polarnych rozpuszczalnikach aprotonowych zasadowość nukleofila decyduje o jego nukleofilowości, co czyni fluor najlepszym nukleofilem.

Ponadto polaryzowalność atomów wpływa na nukleofilowość. Polaryzowalność opisuje, jak łatwo elektrony w chmurze mogą zostać zniekształcone. Nukleofil z dużym atomem ma większą polaryzowalność, co oznacza, że może przekazać elektrofilowi większą gęstość elektronów w porównaniu z małym atomem, którego elektrony są trzymane mocniej.