En química , un nucleófilo es una especie química que forma enlaces con electrófilos al donar un par de electrones . Todas las moléculas e iones con un par de electrones libres o al menos un enlace pi pueden actuar como nucleófilos. Debido a que los nucleófilos donan electrones, son bases de Lewis .
Nucleófilo describe la afinidad de un nucleófilo para unirse con núcleos atómicos cargados positivamente. La nucleofilia, a veces denominada fuerza nucleófila, se refiere al carácter nucleófilo de una sustancia y, a menudo, se utiliza para comparar la afinidad de los átomos. Las reacciones nucleofílicas neutras con disolventes como alcoholes y agua se denominan solvólisis . Los nucleófilos pueden participar en la sustitución nucleófila , por lo que un nucleófilo se siente atraído por una carga positiva total o parcial y una adición nucleófila . La nucleofilia está estrechamente relacionada con la basicidad .
Historia
Los términos nucleófilo y electrófilo fueron introducidos por Christopher Kelk Ingold en 1933, [1] reemplazando los términos anionoide y cationoide propuestos anteriormente por AJ Lapworth en 1925. [2] La palabra nucleófilo se deriva de núcleo y la palabra griega φιλος, philos , que significa amigo.
Propiedades
En general, en un grupo de la tabla periódica, cuanto más básico es el ion (cuanto mayor es el pK a del ácido conjugado), más reactivo es como nucleófilo. Dentro de una serie de nucleófilos con el mismo elemento atacante (por ejemplo, oxígeno), el orden de nucleofilia seguirá a la basicidad. El azufre es en general un mejor nucleófilo que el oxígeno.
Nucleofilia
Se han ideado muchos esquemas que intentan cuantificar la fuerza nucleofílica relativa. Los siguientes datos empíricos se han obtenido midiendo las velocidades de reacción de muchas reacciones que involucran a muchos nucleófilos y electrófilos. Los nucleófilos que muestran el llamado efecto alfa suelen omitirse en este tipo de tratamiento.
Ecuación de Swain-Scott
El primer intento de este tipo se encuentra en la ecuación de Swain-Scott [3] [4] derivada en 1953:
Esta relación de energía libre relaciona la constante de velocidad de reacción de pseudo primer orden (en agua a 25 ° C), k , de una reacción, normalizada a la velocidad de reacción, k 0 , de una reacción estándar con agua como nucleófilo, con un nucleófilo. constante n para un nucleófilo dado y un sustrato constante s que depende de la sensibilidad de un sustrato al ataque nucleófilo (definido como 1 para el bromuro de metilo ).
Este tratamiento da como resultado los siguientes valores para los aniones nucleofílicos típicos: acetato 2.7, cloruro 3.0, azida 4.0, hidróxido 4.2, anilina 4.5, yoduro 5.0 y tiosulfato 6.4. Las constantes típicas del sustrato son 0,66 para tosilato de etilo , 0,77 para β-propiolactona , 1,00 para 2,3-epoxipropanol , 0,87 para cloruro de bencilo y 1,43 para cloruro de benzoílo .
La ecuación predice que, en un desplazamiento nucleofílico sobre cloruro de bencilo , el anión azida reacciona 3000 veces más rápido que el agua.
Ecuación de Ritchie
La ecuación de Ritchie, derivada en 1972, es otra relación de energía libre: [5] [6] [7]
donde N + es el parámetro dependiente del nucleófilo y k 0 la constante de velocidad de reacción para el agua. En esta ecuación, un parámetro dependiente del sustrato como s en la ecuación de Swain-Scott está ausente. La ecuación establece que dos nucleófilos reaccionan con la misma reactividad relativa independientemente de la naturaleza del electrófilo, lo que viola el principio de reactividad-selectividad . Por esta razón, esta ecuación también se denomina relación de selectividad constante .
En la publicación original, los datos se obtuvieron mediante reacciones de nucleófilos seleccionados con carbocationes electrofílicos seleccionados , como los cationes tropilio o diazonio :
o iones (no mostrados) basados en verde malaquita . Desde entonces se han descrito muchos otros tipos de reacciones.
Los valores típicos de Ritchie N + (en metanol ) son: 0,5 para el metanol , 5,9 para el anión cianuro , 7,5 para el anión metóxido , 8,5 para el anión azida y 10,7 para el anión tiofenol . Los valores de las reactividades catiónicas relativas son -0,4 para el catión verde de malaquita, +2,6 para el catión bencenodiazonio y +4,5 para el catión tropylium .
Ecuación de Mayr-Patz
En la ecuación de Mayr-Patz (1994): [8]
La constante de velocidad de reacción de segundo orden k a 20 ° C para una reacción está relacionada con un parámetro de nucleofilia N , un parámetro de electrofilicidad E y un parámetro de pendiente dependiente de nucleófilo s . La constante s se define como 1 con 2-metil-1-penteno como nucleófilo.
Muchas de las constantes se han derivado de la reacción de los llamados iones benzhidrylium como electrófilos : [9]
y una colección diversa de π-nucleófilos:
- .
Los valores típicos de E son +6,2 para R = cloro , +5,90 para R = hidrógeno , 0 para R = metoxi y -7,02 para R = dimetilamina .
Los valores típicos de N con s entre paréntesis son -4,47 (1,32) para la sustitución aromática electrófila por tolueno (1), -0,41 (1,12) para la adición electrófila de 1-fenil-2-propeno (2) y 0,96 (1) para la adición. a 2-metil-1-penteno (3), -0,13 (1,21) para la reacción con trifenilalilsilano (4), 3,61 (1,11) para la reacción con 2-metilfurano (5), +7,48 (0,89) para la reacción con isobuteniltributilestannano (6 ) y +13,36 (0,81) para la reacción con la enamina 7. [10]
La gama de reacciones orgánicas también incluye reacciones SN2 : [11]
Con E = -9,15 para el ion S-metildibenzotiofenio , los valores nucleófilos típicos N (s) son 15,63 (0,64) para piperidina , 10,49 (0,68) para metóxido y 5,20 (0,89) para agua. En resumen, las nucleofilicidades hacia los centros sp 2 o sp 3 siguen el mismo patrón.
Ecuación unificada
En un esfuerzo por unificar las ecuaciones descritas anteriormente, la ecuación de Mayr se reescribe como: [11]
con s E el parámetro pendiente dependiente del electrófilo y s N el parámetro pendiente dependiente del nucleófilo. Esta ecuación se puede reescribir de varias formas:
- con s E = 1 para carbocationes, esta ecuación es igual a la ecuación original de Mayr-Patz de 1994,
- con s N = 0,6 para la mayoría de n nucleófilos, la ecuación se convierte en
- o la ecuación original de Scott-Swain escrita como:
- con s E = 1 para carbocationes ys N = 0.6 la ecuación se convierte en:
- o la ecuación de Ritchie original escrita como:
Tipos
Ejemplos de nucleófilos son aniones como Cl - , o un compuesto con un solo par de electrones como NH 3 (amoniaco), PR 3 .
En el siguiente ejemplo, el oxígeno del ion hidróxido dona un par de electrones para formar un nuevo enlace químico con el carbono al final de la molécula de bromopropano . El enlace entre el carbono y el bromo luego se somete a una fisión heterolítica , y el átomo de bromo toma el electrón donado y se convierte en el ión bromuro (Br - ), porque se produce una reacción S N 2 por ataque posterior. Esto significa que el ión hidróxido ataca al átomo de carbono desde el otro lado, exactamente opuesto al ión bromo. Debido a este ataque por la parte trasera, las reacciones S N 2 dan como resultado una inversión de la configuración del electrófilo. Si el electrófilo es quiral , normalmente mantiene su quiralidad, aunque la configuración absoluta del producto S N 2 se invierte en comparación con la del electrófilo original.
Un nucleófilo ambidente es aquel que puede atacar desde dos o más lugares, dando como resultado dos o más productos. Por ejemplo, el tiocianato de iones (SCN - ) puede atacar, ya sea del S o la N . Por esta razón, la S N reacción 2 de un haluro de alquilo con SCN - a menudo conduce a una mezcla de un tiocianato de alquilo (R-SCN) y un alquilo isotiocianato (R-NCS). Se aplican consideraciones similares en la síntesis de nitrilo de Kolbe .
Halógenos
Si bien los halógenos no son nucleófilos en su forma diatómica (por ejemplo, I 2 no es un nucleófilo), sus aniones son buenos nucleófilos. En los disolventes próticos polares, F - es el nucleófilo más débil e I - el más fuerte; este orden se invierte en los disolventes apróticos polares. [12]
Carbón
Los nucleófilos de carbono son a menudo reactivos organometálicos como los que se encuentran en la reacción de Grignard , la reacción de Blaise , la reacción de Reformatsky y la reacción de Barbier o reacciones que involucran reactivos de organolitio y acetiluros . Estos reactivos se utilizan a menudo para realizar adiciones nucleofílicas .
Los enoles también son nucleófilos de carbono. La formación de un enol es catalizada por un ácido o una base . Los enoles son nucleófilos ambidentes , pero, en general, nucleófilos en el átomo de carbono alfa . Los enoles se usan comúnmente en reacciones de condensación , incluida la condensación de Claisen y las reacciones de condensación aldólica .
Oxígeno
Ejemplos de nucleófilos de oxígeno son el agua (H 2 O), hidróxido de anión, alcoholes , alcóxidos aniones, peróxido de hidrógeno , y aniones carboxilato . El ataque nucleofílico no tiene lugar durante el enlace de hidrógeno intermolecular.
Azufre
De nucleófilos de azufre, sulfuro de hidrógeno y sus sales, tioles (RSH), aniones tiolato (RS - ), aniones de ácidos tiolcarboxílicos (RC (O) -S - ) y aniones de ditiocarbonatos (RO-C (S) -S - ) y ditiocarbamatos (R 2 N-C (S) -S - ) se utilizan con mayor frecuencia.
En general, el azufre es muy nucleofílico debido a su gran tamaño , lo que lo hace fácilmente polarizable, y sus pares de electrones solitarios son fácilmente accesibles.
Nitrógeno
Los nucleófilos de nitrógeno incluyen amoníaco , azida , aminas , nitritos , hidroxilamina , hidrazina , carbazida , fenilhidrazina , semicarbazida y amida .
Centros de metal
Aunque los centros metálicos (p. Ej., Li + , Zn 2+ , Sc 3+ , etc.) son más comúnmente de naturaleza catiónica y electrofílica (ácido de Lewis), ciertos centros metálicos (en particular los que se encuentran en un estado de baja oxidación y / o tienen una charge) se encuentran entre los nucleófilos más fuertes registrados y, a veces, se les denomina "supernucleófilos". Por ejemplo, utilizando yoduro de metilo como electrófilo de referencia, Ph 3 Sn - es aproximadamente 10000 más nucleófilo que I - , mientras que la forma Co (I) de la vitamina B 12 (vitamina B 12 ) es aproximadamente 10 7 veces más nucleófila. [13] Otros centros metálicos supernucleófilos incluyen aniones de metalato de carbonilo de bajo estado de oxidación (p. Ej., CpFe (CO) 2 - ). [14]
Ver también
- Electrófilo
- Ácidos y bases de Lewis
- Abstracción nucleofílica
- Adición a ligandos pi
Referencias
- ^ Ingold, CK (1933). "266. Importancia de la tautomería y de las reacciones de compuestos aromáticos en la teoría electrónica de reacciones orgánicas". Revista de la Sociedad Química (reanudación) : 1120. doi : 10.1039 / jr9330001120 .
- ^ Lapworth, A. (1925). "Reemplazabilidad de átomos de halógeno por átomos de hidrógeno". Naturaleza . 115 : 625.
- ^ Correlación cuantitativa de tasas relativas. Comparación del ion hidróxido con otros reactivos nucleófilos hacia haluros de alquilo, ésteres, epóxidos y haluros de acilo C. Gardner Swain, Carleton B. Scott J. Am. Chem. Soc. ; 1953 ; 75 (1); 141-147. Resumen
- ^ "Ecuación de Swain-Scott" . Libro de oro . IUPAC. 24 de febrero de 2014.
- ^ Enlace de definición de Libro de oro (Ritchie) [ enlace muerto permanente ]
- ^ Reactividades nucleofílicas hacia los cationes Calvin D. Ritchie Acc. Chem. Res .; 1972 ; 5 (10); 348-354. Resumen
- ^ Reacciones de combinación catiónica-aniónica. XIII. Correlación de las reacciones de nucleófilos con ésteres Calvin D. Ritchie J. Am. Chem. Soc. ; 1975 ; 97 (5); 1170-1179. Resumen
- ^ Mayr, Herbert; Patz, Matthias (1994). "Escalas de nucleofilia y electrofilia: un sistema para ordenar reacciones polares orgánicas y organometálicas". Angewandte Chemie International Edition en inglés . 33 (9): 938. doi : 10.1002 / anie.199409381 .
- ^ Mayr, Herbert; Bug, Thorsten; Tengo, Matthias F; Hering, Nicole; Irrgang, Bernhard; Janker, Brigitte; Kempf, Bernhard; Loos, Robert; Ofial, Armin R; Remennikov, Grigoriy; Schimmel, Holger (2001). "Escalas de referencia para la caracterización de electrófilos catiónicos y nucleófilos neutros" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 123 (39): 9500–12. doi : 10.1021 / ja010890y . PMID 11572670 . S2CID 8392147 .
- ^ Una base de datos de Internet para los parámetros de reactividad mantenidos por el grupo Mayr está disponible en http://www.cup.uni-muenchen.de/oc/mayr/
- ^ a b Phan, Thanh Binh; Breugst, Martin; Mayr, Herbert (2006). "¿Hacia una escala general de nucleofilia?". Angewandte Chemie International Edition . 45 (23): 3869–74. CiteSeerX 10.1.1.617.3287 . doi : 10.1002 / anie.200600542 . PMID 16646102 .
- ^ Chem 2401 Notas complementarias . Thompson, Alison y Pincock, James, Departamento de Química de la Universidad de Dalhousie
- ^ Schrauzer, GN; Deutsch, E .; Windgassen, RJ (abril de 1968). "La nucleofilia de la vitamina B (sub 12)" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 90 (9): 2441–2442. doi : 10.1021 / ja01011a054 . ISSN 0002-7863 . PMID 5642073 .
- ^ Dessy, Raymond E .; Pohl, Rudolph L .; King, R. Bruce (noviembre de 1966). "Electroquímica organometálica. VII. 1 Las nucleofilicidades de aniones metálicos y metaloidales derivados de metales de los grupos IV, V, VI, VII y VIII" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 88 (22): 5121–5124. doi : 10.1021 / ja00974a015 . ISSN 0002-7863 .