Nukleofil: vlastnosti, mechanismy a význam v chemických reakcích

Termíny nukleofil a elektrofil zavedl Christopher Kelk Ingold v roce 1929 a nahradil jimi termíny kationoid a anionoid, které dříve navrhl A. J. Lapworth v roce 1925.

Slovo nukleofil je odvozeno od slova nucleus a řeckého slova φιλος, philos jako láska.

Obecně platí, že čím je ion v rámci jedné řady periodické tabulky bazičtější (čím vyšší je pK_a konjugované kyseliny), tím je reaktivnější jako nukleofil. V dané skupině je pro určení nukleofility důležitější polarizovatelnost. Jinými slovy, čím snadněji lze narušit elektronový oblak kolem atomu nebo molekuly, tím ochotněji bude reagovat. Například jodidový ion (I⁻) je nukleofilnější než fluoridový ion (F⁻).

Příkladem nukleofilů jsou anionty, například Cl⁻, nebo sloučeniny s osamělým párem elektronů, například NH₃ (amoniak).

V níže uvedeném příkladu kyslík hydroxidového iontu daruje elektronový pár pro vazbu s uhlíkem na konci molekuly brompropanu. Vazba mezi uhlíkem a bromem pak projde heterolytickým štěpením, přičemž atom bromu přijme darovaný elektron a stane se bromidovým iontem (Br⁻). Jedná se o _NS2 reakci, ke které dochází zpětným útokem. To znamená, že hydroxidový iont útočí na atom uhlíku z druhé strany, přesně naproti bromovému iontu. Díky tomuto backside útoku dochází při reakcích _NS2 k obrácení konfigurace elektrofilu. Pokud je elektrofil chirální, obvykle si zachovává svou chiralitu, ačkoli konfigurace produktu _NS2 je převrácená ve srovnání s konfigurací původního elektrofilu (Waldenova inverze).

Ambidentní nukleofil je nukleofil, který může útočit ze dvou nebo více míst, což vede ke dvěma nebo více produktům. Například thiokyanatanový iont (SCN⁻) může útočit buď z místa S, nebo z místa N. Z tohoto důvodu reakce _NS2 alkylhalogenidu s SCN ⁻často vede ke směsi RSCN (alkylthiokyanatanu) a RNCS (alkylisothiokyanatanu). K podobným směsím dochází i při Kolbeho nitrilové syntéze.

Uhlíkové nukleofily

Alkylhalogenidy kovů jsou nukleofily uhlíku, které se vyskytují v Grignardově reakci, Blaiseho reakci, Reformatského reakci a Barbierově reakci, organolithiová činidla a anionty terminálního alkynu.

Enoly jsou také nukleofily uhlíku. Vznik enolu je katalyzován kyselinou nebo zásadou. Enoly jsou ambidentní nukleofily, ale obecně jsou nukleofilní na atomu uhlíku vedle uhlíků s dvojnou vazbou (alfa atom uhlíku). Enoly se běžně používají v kondenzačních reakcích, včetně Claisenovy kondenzace a aldolové kondenzační reakce.

Kyslíkové nukleofily

Příklady nukleofilů kyslíku jsou voda (₂HO), hydroxidový aniont, alkoholy, alkoxidové anionty, peroxid vodíku a karboxylátové anionty.

Nukleofily síry

Ze sirných nukleofilů se nejčastěji používá sirovodík a jeho soli, thioly (RSH), thiolátové anionty (RS⁻), anionty thiolkarboxylových kyselin (RC(O)-S⁻) a anionty dithiokarbonátů (RO-C(S)-S⁻) a dithiokarbamátů (₂RN-C(S)-S). ⁻

Obecně je síra velmi nukleofilní, protože je díky své velikosti snadno polarizovatelná a její osamělé páry elektronů jsou snadno přístupné.

Nukleofily dusíku

Mezi dusíkaté nukleofily patří amoniak, azid, aminy a dusitany.

• Elektrofilní
• Základna Lewis