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 nucleofilicidad, a veces denominada fuerza nucleófila, se refiere al carácter nucleofílico de una sustancia y se utiliza a menudo 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 , mediante la cual un nucleófilo se siente atraído por una carga positiva total o parcial, y en la adición nucleófila . La nucleofilicidad está estrechamente relacionada con la basicidad . La diferencia entre los dos es que la basicidad es una propiedad termodinámica (es decir, se relaciona con un estado de equilibrio), pero la nucleofilia es una propiedad cinética que se relaciona con las velocidades de ciertas reacciones químicas. [1]
Los términos nucleófilo y electrófilo fueron introducidos por Christopher Kelk Ingold en 1933, [2] reemplazando los términos anionoide y catiónico propuestos anteriormente por AJ Lapworth en 1925. [3] La palabra nucleófilo se deriva de núcleo y de la palabra griega φιλος, philos , que significa amigo.
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 nucleofilicidad seguirá el de basicidad. El azufre es en general un mejor nucleófilo que el oxígeno. [ cita necesaria ]
Se han ideado muchos esquemas que intentan cuantificar la fuerza nucleofílica relativa. Los siguientes datos empíricos se han obtenido midiendo velocidades de reacción para muchas reacciones que involucran a muchos nucleófilos y electrófilos. En este tipo de tratamiento normalmente se omiten los nucleófilos que presentan el llamado efecto alfa . [ cita necesaria ]
El primer intento de este tipo se encuentra en la ecuación de Swain-Scott [4] [5] 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 una constante de sustrato s que depende de la sensibilidad de un sustrato al ataque nucleofílico (definida como 1 para bromuro de metilo ).
Este tratamiento da como resultado los siguientes valores para 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 cloruro de bencilo , el anión azida reacciona 3000 veces más rápido que el agua.
La ecuación de Ritchie, derivada en 1972, es otra relación de energía libre: [6] [7] [8]
donde N + es el parámetro dependiente del nucleófilo y k 0 la constante de velocidad de reacción del 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, a esta ecuación también se le llama relación de selectividad constante .
En la publicación original, los datos se obtuvieron mediante reacciones de nucleófilos seleccionados con carbocationes electrófilos seleccionados , como cationes de tropilio o diazonio :
o (no mostrados) iones 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 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 .
En la ecuación de Mayr-Patz (1994): [9]
La constante de velocidad de reacción de segundo orden k a 20 °C para una reacción está relacionada con un parámetro de nucleofilicidad 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 de benzhidrilio como electrófilos : [10]
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 de 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 isobuteniltributilstanano (6 ) y +13,36 (0,81) para la reacción con la enamina 7. [11]
La gama de reacciones orgánicas también incluye reacciones SN2 : [12]
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 nucleofilicidades hacia los centros sp 2 o sp 3 siguen el mismo patrón.
En un esfuerzo por unificar las ecuaciones descritas anteriormente, la ecuación de Mayr se reescribe como: [12]
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:
Ejemplos de nucleófilos son aniones como Cl − o un compuesto con un par de electrones solitario como NH 3 ( amoníaco ) y PR 3 . [ cita necesaria ]
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 sufre entonces una fisión heterolítica , en la que el átomo de bromo toma el electrón donado y se convierte en el ion bromuro (Br − ), porque se produce 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 la configuración absoluta del producto S N 2 se invierte en comparación con la del electrófilo original. [ cita necesaria ]
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 − a menudo conduce 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 . [ cita necesaria ]
Si bien los halógenos no son nucleófilos en su forma diatómica (por ejemplo, el I 2 no es un nucleófilo), sus aniones son buenos nucleófilos. En disolventes próticos polares, F − es el nucleófilo más débil y I − el más fuerte; este orden se invierte en disolventes polares apróticos. [13]
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 . [ cita necesaria ]
Los enoles también son nucleófilos de carbono. La formación de un enol está 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 utilizan comúnmente en reacciones de condensación , incluidas las reacciones de condensación de Claisen y de condensación aldólica . [ cita necesaria ]
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 nucleofílico no tiene lugar durante los enlaces de hidrógeno intermoleculares.
De los nucleófilos de azufre, el 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 solitarios de electrones son fácilmente accesibles.
Los nucleófilos del nitrógeno incluyen amoníaco , azida , aminas , nitritos , hidroxilamina , hidrazina , carbazida , fenilhidrazina , semicarbazida y amida .
Aunque los centros metálicos (p. ej., Li + , Zn 2+ , Sc 3+ , etc.) son más comúnmente de naturaleza catiónica y electrófila (ácido de Lewis), ciertos centros metálicos (particularmente aquellos en un estado de oxidación bajo y/o que llevan un estado negativo) carga) 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 10.000 veces más nucleofílico que I – , mientras que la forma Co(I) de la vitamina B 12 (vitamina B 12s ) es aproximadamente 10,7 veces más nucleófila. [14] Otros centros metálicos supernucleofílicos incluyen aniones de metalato de carbonilo de bajo estado de oxidación (por ejemplo, CpFe(CO) 2 – ). [15]
