Nucleófilo

En química, un nucleófilo es una especie química que forma enlaces donando 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. Como 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 nucleofílico de una sustancia y, a menudo, se usa para comparar la afinidad de los átomos. Las reacciones nucleófilas neutras con disolventes como alcoholes y agua se denominan solvólisis. Los nucleófilos pueden participar en la sustitución nucleófila, en la que un nucleófilo se siente atraído por una carga positiva total o parcial, y en la adición nucleófila. La nucleofilia está estrechamente relacionada con la basicidad.

Historia

Los términos nucleófilo y electrófilo fueron introducidos por Christopher Kelk Ingold en 1933, reemplazando los términos anionoide y cationoide propuestos anteriormente por AJ Lapworth en 1925. 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 pKa _del ácido conjugado), más reactivo es como nucleófilo. Dentro de una serie de nucleófilos con el mismo elemento atacante (p. ej., oxígeno), el orden de nucleofilia seguirá al de basicidad. El azufre es en general un mejor nucleófilo que el oxígeno.

Nucleofilia

Se han ideado muchos esquemas que intentan cuantificar la fuerza nucleófila relativa. Los siguientes datos empíricos se han obtenido midiendo las velocidades de reacción de muchas reacciones en las que intervienen muchos nucleófilos y electrófilos. Los nucleófilos que muestran el llamado efecto alfa generalmente se omiten en este tipo de tratamiento.

Ecuación de Swain-Scott

El primer intento de este tipo se encuentra en la ecuación de Swain-Scott 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, a un nucleófilo constante n para un nucleófilo dado y una constante de sustrato s que depende de la sensibilidad de un sustrato al ataque nucleofílico (definida 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 de sustrato típicas 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 el 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:

donde N es el parámetro dependiente del nucleófilo y k ₀ la constante de velocidad de reacción del agua. En esta ecuación, está ausente un parámetro dependiente del sustrato como s en la ecuación de Swain-Scott. 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 cationes de tropilio o diazonio:

o (no mostrados) iones basados ​​en verde de malaquita. Desde entonces, se han descrito muchos otros tipos de reacciones.

Los valores típicos de Ritchie N (en metanol) son: 0,5 para 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 relativas de los cationes son -0,4 para el catión verde malaquita, +2,6 para el catión bencenodiazonio y +4,5 para el catión tropilio.

Ecuación de Mayr-Patz

En la ecuación de Mayr-Patz (1994):

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 electrofilia E y un parámetro de pendiente dependiente del 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 de benzhidrilio como electrófilos:

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 del tolueno (1), −0,41 (1,12) para la adición electrófila del 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.

La gama de reacciones orgánicas también incluye reacciones SN2:

Con E = -9,15 para el ion S-metildibenzotiofenio, los valores típicos de nucleófilos 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 nucleofilias 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:

con s _E el parámetro de pendiente dependiente de electrófilos y s _N el parámetro de pendiente dependiente de nucleófilos. Esta ecuación se puede reescribir de varias maneras:

• con s _E = 1 para los carbocationes, esta ecuación es igual a la ecuación original de Mayr-Patz de 1994,
• con s _N = 0,6 para la mayoría de los n nucleófilos, la ecuación se convierte en

o la ecuación original de Scott-Swain escrita como:

• con s _E = 1 para carbocationes y s _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 par de electrones solitario como NH ₃ (amoníaco), 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 sufre una fisión heterolítica, con el átomo de bromo tomando el electrón donado y convirtiéndose en el ion bromuro (Br), porque ocurre una reacción S _N 2 por ataque posterior. Esto significa que el ion hidróxido ataca al átomo de carbono desde el otro lado, exactamente opuesto al ion 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 el S _NLa configuración absoluta de 2 productos está invertida 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 ion tiocianato (SCN) puede atacar desde el azufre o el nitrógeno. Por esta razón, la reacción S _N 2 de un haluro de alquilo con SCN conduce a menudo a una mezcla de un tiocianato de alquilo (R-SCN) y un isotiocianato de alquilo (R-NCS). Se aplican consideraciones similares en la síntesis de nitrilo de Kolbe.

Halógenos

Mientras que los halógenos no son nucleófilos en su forma diatómica (p. ej., I ₂ no es un nucleófilo), sus aniones son buenos nucleófilos. En los disolventes próticos polares, F es el nucleófilo más débil y I el más fuerte; este orden se invierte en disolventes apróticos polares.

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 nucleófilas.

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, incluidas la condensación de Claisen y las reacciones de condensación aldólica.

Oxígeno

Ejemplos de nucleófilos de oxígeno son el agua (H ₂ O), el anión hidróxido, los alcoholes, los aniones alcóxido, el peróxido de hidrógeno y los aniones carboxilato. El ataque nucleófilo no tiene lugar durante el enlace de hidrógeno intermolecular.

Azufre

De nucleófilos de azufre, sulfuro de hidrógeno y sus sales, tioles (RSH), aniones de 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 nucleófilo 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, Sc, etc.) son más comúnmente de naturaleza catiónica y electrofílica (ácido de Lewis), ciertos centros metálicos (particularmente los que se encuentran en un estado de oxidación bajo y/o que tienen una carga negativa) se encuentran entre los nucleófilos registrados más fuertes y, a veces, se los denomina "supernucleófilos". Por ejemplo, usando yoduro de metilo como electrófilo de referencia, Ph ₃ Sn es aproximadamente 10000 más nucleofílico que I, mientras que la forma Co(I) de la vitamina B ₁₂ (vitamina B _12s) es aproximadamente 10 veces más nucleofílica. Otros centros metálicos supernucleofílicos incluyen aniones metalato de carbonilo de bajo estado de oxidación (p. ej., CpFe(CO) ₂).