Nucleófilo

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Nucleófilo en química (del lat. núcleo "núcleo", otro griego φιλέω "amar") es un reactivo que forma un enlace químico con un compañero de reacción ( electrófilo ) mediante el mecanismo donante-aceptor, proporcionando un par de electrones que forma un nuevo enlace [1] . Debido a que los nucleófilos donan electrones, son por definición bases de Lewis . Teóricamente, todos los iones y moléculas neutras con un par de electrones no compartido pueden actuar como nucleófilos .

Un nucleófilo es un reactivo químico rico en electrones capaz de interactuar con compuestos deficientes en electrones ( electrófilos ). Ejemplos de nucleófilos son aniones (Cl - , Br - , I - ) y compuestos con un par de electrones solitario ( NH 3 , H 2 O ).

En el curso de las reacciones de sustitución o adición , el nucleófilo ataca en el sitio de carga positiva total o parcial del electrófilo . El nombre "nucleófilo" significa "amar el núcleo" y refleja esta capacidad ( el núcleo atómico está cargado positivamente). La reactividad relativa de los nucleófilos se denomina nucleofilia . Dentro de la misma fila del sistema periódico, las bases más fuertes (con un valor pKa más alto del ácido conjugado) son mejores nucleófilos. Dentro del mismo grupo, la nucleofilia está más influenciada por la polarizabilidad , la facilidad con la que se deforma la nube de electrones de un átomo o molécula. Por ejemplo, en soluciones acuosas, el ion yoduro I - es más nucleófilo que el fluoruro F - [2] .

Los nucleófilos ambidentes tienen dos o más centros reactivos. Por ejemplo, el ion tiocianato SCN − puede atacar un electrófilo con un átomo de azufre o un átomo de nitrógeno. Las reacciones de haloalcanos con SCN - a menudo conducen a la formación de una mezcla de RSCN (tiocianato de alquilo) y RNCS (isotiocianato de alquilo).

Los términos "nucleófilo" y "electrófilo" fueron introducidos en 1929 por Christopher Ingold [3] , reemplazando los términos "cationoide" y "anionoide" [4] propuestos previamente por Lapworth (en 1925) .

Ejemplos

En el ejemplo de sustitución nucleófila bimolecular que se muestra a continuación (S N 2), el átomo de oxígeno del ion hidróxido dona un par de electrones para unirse al átomo de carbono en la molécula de bromoetano. El enlace entre los átomos de carbono y bromo se rompe por un mecanismo heterolítico: el bromo acepta ambos electrones de este enlace y sale en forma de ion Br- . En esta reacción, OH - es un nucleófilo y CH 3 CH 2 Br es un electrófilo .

En esta reacción, el nucleófilo ataca desde el lado opuesto al grupo saliente. Como resultado, los procesos S N 2 van acompañados de una reversión de la configuración (inversión).

Clasificación

Los nucleófilos se pueden clasificar de varias maneras: por el tipo de orbital desde el que se donan los electrones y por la naturaleza del átomo que forma el enlace .

Según el tipo de orbital que reacciona

Dependiendo de la naturaleza del orbital en el que se ubicaron los electrones, que pasaron a formar un enlace con un electrófilo , se puede distinguir:

π-nucleófilos (los electrones abandonaron el orbital π):
- alquenos , dienos , alquinos ;
- alilsilanos, alilgermanos, alilestannanos ;
- éteres de alquilo y sililenol;
- compuestos aromáticos ;
n-nucleófilos (los electrones estaban en un orbital no enlazante, un par de electrones solitario):
- aminas ;
- fosfinas ;
- fosfitos ;
- aniones ;
σ-nucleófilos (los electrones abandonaron el orbital σ):
- donantes de iones hidruro H − .

Por el átomo enlazante

Nucleófilos de carbono

Los nucleófilos con centro reactivo en un átomo de carbono son:

haluros metálicos de alquilo y arilo (por ejemplo, CH 3 MgBr, PhMgCl, etc.) en reacciones de Grignard , Reformatsky , Barbier , etc.
reactivos de organolitio (PhLi) y aniones alquinos terminales (HC≡C − Li + );
Los enoles y enolatos (RCH=CH−OH y RCH=CH−O − ) son nucleófilos ambidentes y pueden reaccionar tanto en el átomo de carbono en la posición α como en el átomo de oxígeno. Generalmente predominan las reacciones en el átomo de carbono (en este caso, los iones enolato son más activos que los enoles [2] ). Los enoles y los enolatos se utilizan a menudo en reacciones de condensación, como la reacción aldólica o la condensación de Claisen .

otras partículas con una carga negativa total o parcial en el átomo de carbono (por ejemplo, − CH 2 − NO 2 ).

Nucleófilos nitrogenados

Ejemplos de nucleófilos nitrogenados son amoníaco (NH 3 ), aminas orgánicas (RNH 2 , R 2 NH, R 3 N) y azidas (R−N 3 ).

Nucleófilos de oxígeno

Los nucleófilos de oxígeno típicos son el agua (H 2 O), el ion hidróxido (OH - ), los alcoholes (ROH) y los alcóxidos (RO - ). En la variación de la reacción de Williamson que se muestra a continuación , la base fuerte desprotona el alcohol para formar un alcóxido. Luego, el átomo de oxígeno reemplaza intramolecularmente al grupo saliente, lo que lleva a la formación de un epóxido , un heterociclo de tres miembros con un átomo de oxígeno:

Nucleófilos de azufre

Los compuestos que contienen azufre son generalmente buenos nucleófilos, ya que el átomo de azufre se polariza fácilmente, lo que facilita la transferencia de pares de electrones. Los nucleófilos típicos de esta clase son los tioles (RSH) y los tiolatos (RS- ) .

Escalas de nucleofilia

Hay varias formas de describir cuantitativamente la reactividad de los nucleófilos. Los métodos a continuación se basan en el estudio de datos experimentales sobre las velocidades de ciertas reacciones que involucran una gran cantidad de nucleófilos y electrófilos . Por regla general, los reactivos con un efecto alfa pronunciado no se incluyen en estas correlaciones.

La ecuación de Sven-Scott

La ecuación de Sven-Scott se derivó en 1953 y es el primer intento de describir cuantitativamente la reactividad de los nucleófilos en las reacciones S N 2 [5] [6] :

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

En esta ecuación, k es la constante de velocidad de la reacción de un sustrato estándar con un nucleófilo dado, k 0 es la constante de velocidad de la reacción de un sustrato con un nucleófilo estándar (agua), S es el parámetro de sensibilidad del sustrato a un cambio en el nucleófilo (para CH 3 Br o CH 3 I S se toma igual a 1), n es el parámetro de nucleofilia (para agua n = 0, Tablas 1, 2).

Así que para las reacciones

CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HOLA CH 3 I + Nuc-H → CH 3 -Nuc + HI

la ecuación de Sven-Scott se puede escribir como

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

Pestaña. Fig. 1. Parámetros de nucleofilicidad n para el nucleófilo estándar CH 3 Br y el solvente estándar H 2 O a 25 °C [7]

nucleófilo	valor n	nucleófilo	valor n	nucleófilo	valor n
SO 3 2-	5.16	CN- _	5.10	yo- _	5.04
SCN- _	4.77	HO- _	4.20	N 3 -	4.00
Hermano- _	3.89	HCO3 - _	3.80	Cl- _	3.04
CH 3 COO −	2.72	SO 4 2-	2.50	F- _	2.00
Nº 3 -	1.03	CH3OH _ _	0.70	H2O _ _	0.00

Pestaña. Fig. 2. Parámetros de nucleofilicidad n para el nucleófilo estándar CH 3 I y el solvente estándar MeOH a 25°C [8]

nucleófilo	valor n	nucleófilo	valor n	nucleófilo	valor n
F- _	2.7	Cl- _	4.37	Hermano- _	5.79
yo- _	7.42	N 3 -	5.78	NC- _	6.70
CH3OH _ _	~0.00	H2O _ _	0.00	CH 3 CO 2 -	4.3
Fo- _	5.75	CH 3 O -	6.29	piridina	5.23
Anilina	5.70	trietilamina	6.66	PhSH	5.7

Ecuación de Ritchie

La ecuación de Ritchie se derivó en 1972 [9] y se expresa de la siguiente manera [10] :

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

donde es la constante de velocidad de la reacción de un catión estándar (generalmente una sal de diazonio) con un nucleófilo estándar ( agua ) en un medio acuoso, es la constante de velocidad de la reacción con un nucleófilo dado, es un parámetro dependiente del nucleófilo (Tabla 3): $k_{0}$ $k$ $N^{+}$

Pestaña. 3. Parámetros de nucleofilicidad N + a 25 °C [9]

Nucleófilo (disolvente)	N + valor	Nucleófilo (disolvente)	N + valor
H2O ( H2O ) _	0.0	MeOH ( MeOH )	0.5
CN - ( H2O )	3.8	CN- ( MeOH)	5.9
HO - ( H2O )	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

Una característica importante de la ecuación de Ritchie es la ausencia del parámetro de sensibilidad del sustrato (σ en la ecuación de Sven-Scott). Por tanto, se supone que la reactividad relativa de los dos nucleófilos está determinada únicamente por el valor de N + y no depende del compañero de reacción. Esto está en marcado contraste con el llamado. el principio de interdependencia de la reactividad y la selectividad [11] . Debido a esto, la ecuación de Ritchie a veces se denomina "relación de selectividad constante" [12] . La obvia simplificación provocó una serie de publicaciones sobre los límites de su aplicabilidad [12] [13] .

La ecuación de Mayr-Patz

En 1994 , G. Mayr y M. Patz, basándose en el estudio de la reactividad de los cationes diarilmetilo y otros compuestos, propusieron una ecuación que describe la reactividad de un número bastante grande de nucleófilos y electrófilos [14] :

\lg \k=s(N+E)

En esta ecuación , la constante de velocidad de reacción de segundo orden k , medida a 20 °C, está asociada con el parámetro de electrofilia E (para el catión bis( p - metoxifenil)metilo E = 0), el parámetro de nucleofilia N y el factor de sensibilidad s (para 2-metil-1-penteno s = 1). Para reacciones de nucleófilos sin carga, la constante de velocidad depende débilmente del solvente, y este último generalmente no se indica.

Los cationes diarilmetilo se eligieron como electrófilos estándar porque su actividad puede controlarse mediante la selección del sustituyente R en la posición para . Así, fue posible medir la reactividad de nucleófilos muy diferentes. Para los compuestos probados, el parámetro N varía en el rango de -4.47 a 28.95 (Tabla 4) [15] .

Pestaña. 4. Parámetros N y s para algunos nucleófilos [15]

nucleófilo	norte ( s )	nucleófilo	norte ( s )
una	−4,47 (1,32)	2	−0,41 (1,12)
3	+0.96 (1)	cuatro	−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)

El parámetro de electrofilia E para algunos carbocationes se puede estimar aproximadamente a partir de la siguiente ecuación [14] :

\E\aprox. 1,241\g k_{w}-5,80

donde k w es una constante de pseudo primer orden para la reacción de un carbocatión con agua a 20 °C.

La nucleofilia de N en la ecuación de Mayr-Patz está relacionada con el parámetro de Ritchie N + por la siguiente relación:

\N\aprox. 1,20N_{+}+6,18

Ecuación combinada

En un intento de combinar todas las ecuaciones descritas anteriormente, Mayr et al., propusieron la siguiente expresión [17] :

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

donde s E es el parámetro de sensibilidad del electrófilo; sN es el parámetro de sensibilidad del nucleófilo; N y E tienen el mismo significado que en la ecuación de Mayr-Patz.

Con la ayuda de sustituciones apropiadas, esta expresión se puede convertir en cualquier ecuación descrita anteriormente:

para s E = 1 (para carbocationes) esta ecuación es equivalente a la ecuación original de Mayr-Patz;
en s N = 0,6 (para la mayoría de los n-nucleófilos):

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

, que es equivalente a la ecuación de Sven-Scott:

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

;

para s E = 1 y s N = 0.6 obtenemos:

\ \lgk=0.6N+0.6E

que es equivalente a la ecuación de Ritchie en una forma ligeramente modificada:

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

Véase también

Notas

↑ Definición de IUPAC .pdf Archivado el 26 de septiembre de 2009 en Wayback Machine .
↑ 1 2 Carey F., Sandberg R. Curso avanzado de química orgánica: Per. De inglés. = Química Orgánica Avanzada / Ed. V. M. Potapova. - M .: Química, 1981. - T. 1. Estructura y mecanismos. — 520 s.
↑ Ingold, CK // Recl. Trav. quim. Paga bajo. — 1929.
↑ Lapworth, A. // Naturaleza . - 1925. - Vol. 115. - Pág. 625.
↑ C. Gardner Swain, Carleton B. Scott. Correlación Cuantitativa de Tasas Relativas. Comparación de iones de hidróxido con otros reactivos nucleófilos frente a haluros de alquilo, ésteres, epóxidos y haluros de acilo // J. Am. química soc. . - 1953. - vol. 75. - Pág. 141-147.
↑ Ecuación de Swain -Scott . IUPAC. Compendio de terminología química, 2ª ed. (el "Libro de Oro") (7 de septiembre de 2009). Consultado el 22 de agosto de 2010. Archivado desde el original el 7 de mayo de 2012.
↑ Enciclopedia química./ Reacciones nucleófilas. // Jefe de redacción I. L. Knunyants. - M .: "Enciclopedia soviética", 1988. - T. 3.
↑ R. G. Pearson, H. Sobel, J. Songstad. Constantes de reactividad nucleófila hacia el yoduro de metilo y trans -[Pt(py) 2 Cl 2 ] // J. Am. química soc. . - 1968. - vol. 90. - Pág. 319-326.
↑ 12 CD Ritchie . Reactividades nucleófilas hacia cationes (inglés) // Acc. química Res. - 1972. - vol. 5. - Pág. 348-354. doi : 10.1021 / ar50058a005 .
↑ Ecuación de Ritchie . Compendio de terminología química, 2ª ed. (el "Libro de Oro") . IUPAC. doi : 10.1351/goldbook.R05402 . Consultado el 22 de agosto de 2010. Archivado desde el original el 7 de mayo de 2012.
↑ "Cuanto más activo es el reactivo, menos selectivo es".
↑ 1 2 S. Minegishi, H. Mayr. ¿Qué tan constantes son las “relaciones de selectividad constante” de Ritchie? Una escala de reactividad general para nucleófilos n-, π- y σ // J. Am. química soc. . - 2003. - vol. 125. - Pág. 286-295. doi : 10.1021 / ja021010y .
↑ P. Denton, CD Johnson. Selectividad y la ecuación de Ritchie // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. - 1995. - P. 477 - 481. - doi : 10.1039/P29950000477 .
↑ 1 2 H. Mayr, M. Patz. Escalas de nucleofilia y electrofilia: un sistema para ordenar reacciones polares orgánicas y organometálicas (inglés) // Angew. química En t. ed. inglés - 1994. - vol. 33. - Pág. 938-957. - doi : 10.1002/anie.199409381 .
↑ 1 2 H. Mayr et al. Base de datos de parámetros de reactividad de Mayr . Consultado el 2 de septiembre de 2010. Archivado desde el original el 7 de mayo de 2012.
↑ En DMSO .
↑ T. B. Phan, M. Breugst, H. Mayr. ¿Hacia una Escala General de Nucleofilia? (Inglés) // Angew. química En t. ed. - 2006. - vol. 45. - Pág. 3869-3874. - doi : 10.1002/anie.200600542 .