Понятие нуклеофильного реагента
Нуклеофильные реагенты – это частицы, у которых есть занятая орбиталь с высокой энергией, то есть они имеют неподеленную электронную пару.
Такие частицы можно рассматривать как основания (в соответствии с классификацией Льюиса):
$Hal^-$, $OH^-$, $RO^-$, $RS^-$, $RCOO^-$, $NR_3$, $H_2O$, $CN^-$, $R^-$ и т.д.
Нуклеофильные реагены (нуклеофилы) способны атаковать субстрат с низкой электронной плотностью, в том участке, где заряд ядра атома не компенсирован орбитальными электронами. В органических реакциях нуклеофилы можно рассматривать как доноров электронов, отдающих их чаще всего углеродному атому.
Для преимущественного направления реакции достаточно даже слегка ассиметричного распределения электронов.
Реакции между электрофилом (ион или молекула, имеющая низкую по энергии свободную орбиталь) и нуклеофилом является кислотно – основным взаимодействием.
Некоторые реагенты, в зависимости от реакции, могут проявлять как нуклеофильные, так и электрофильные свойства.
Галогеноводороды, присоединяясь к кратным связям, ведут себя как электрофилы. При взаимодействии с эфирами ацетиленкарбоновых кислот процесс протекает как нуклеофильная реакция.
Действие карбаниона на алкилгалогенид является нуклеофильной атакой, однако действие алкилгалогенида на карбанион является электрофильной атакой. Сущность реакции при этом остается неизменной.
Нуклеофильный реагент может вступать в реакцию не только с положительно заряженным углеродным атомом, но и с атомом водорода, находящемся в $α$-положении. Это происходит, когда реакции нуклеофильного замещения сопровождаются реакциями нуклеофильного отщепления, при этом водород отщепляется в виде протона.
Ассиметричное распределение заряда может быть индуцировано взаимной поляризацией реагента и субстрата при их сближении.
Реакционная способность нуклеофильного реагента
Строение нуклеофила, а, следовательно, его реакционную способность можно изменить. Это возможно, в значительной степени, для реакций бимолекулярного нуклеофильного замещения.
Нуклеофильный агент присутствует в переходном состоянии определяющей скорость стадии. Поэтому при изменении природы нуклеофила будет меняться скорость реакции замещения.
Между реакционной способностью нуклеофила и его основностью прямой зависимости нет.
Например: Основность тиофенолят-иона (для тиофенола $pKa=9,43$) ниже, чем фенолят-иона (для фенола $pKa=10,0$), тогда как нуклеофильность тиофенолят-иона будет выше.
Галогенид-ионы в ряду нуклеофильности располагаются в порядке, обратном их основности. Это связывают с поляризуемостью нуклеофильного реагента.
При увеличении поляризуемости связь нуклеофила с реакционным центром происходит на большем расстоянии, поэтому стерическое отталкивание между субстратом и нуклеофилом уменьшается.
При использовании высокополяризуемых нуклеофильных реагентов наблюдается электростатическое отталкивание между уходящей группой и нуклеофилом, так как увеличивается расстояние между одноименными зарядами в активированном комплексе.
Например: При взаимодействии бензилхлорида с азотсодержащими нуклеофилами нейтральные нуклеофильные агенты на два порядка более реакционноспособны, чем анионные нуклеофилы с такой же основностью.
Реакционная способность нуклеофильного реагента в гораздо большей степени зависит от изменения сольватации нуклеофила, чем от его поляризуемости.
Стерические факторы
При увеличении эффективного объема нуклеофила происходит дестабилизация переходного состояния, то есть реакционная способность нуклеофильного реагента уменьшается.
Например: Введение алкильных заместителей в молекулу пиридина при взаимодействии алкилиодидов с алкилпиридинами в нитробензоле приводит к изменениям в скорости процесса
При введении алкильного заместителя в молекулу пиридина на реакционном центре нуклеофила повышается электронная плотность, что ведет к увеличению скорости реакции.
Если ввести заместитель в $α$-положение, то возрастают пространственные затруднения для взаимодействия атома азота нуклеофильного агента с углеродным атомом иодида.
Чем больше объем заместителя, тем тяжелее протекает реакция и тем меньше ее скорость. При введении одного и того же заместителя в нуклеофильный реагент роль пространственных затруднений будет расти в ряду:
$CH_3I$
При введении двух заместителей в α-положение пиридин не способен принимать участие в $SN2$-реакциях.
Электронные факторы
При переходе от первоначального состояния к активированному комплексу наблюдается частичное образование связей с нуклеофильным реагентом, сопровождающееся уменьшением отрицательного заряда на анионном нуклеофиле.
Если нуклеофильным агентом является нейтральная молекула, то в активированном комплексе на нуклеофиле появляется положительный заряд. Электроноакцепторный заместитель стабилизирует исходный нуклеофил больше, чем активированный комплекс, поэтому скорость реакции уменьшается. Введение электронодонорного заместителя приводит к повышению скорости реакции.
Реакции $SN2$-механизма характеризуются отрицательным значением реакционного параметра $ρ$ по нуклеофилу.
При введении в нуклеофил электронодонорных заместителей уменьшается его основность. Между основностью нуклеофильного агента и его реакционной способностью наблюдается симбатность.
Такая корреляция между основностью и нуклеофильностью соблюдается только для нуклеофилов, у которых реакционный центр расположен на одном и том же атоме.
Если строение нуклеофильного реагента изменяется в широких пределах, то основность нуклеофила не является единственным фактором, обозначающим его реакционную способность. Относительная нуклеофильность может значительно изменяться при варьировании растворителя.
