Nucleófilo

En química , un nucleófilo es una especie química que forma enlaces mediante la donación de 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 .

La nucleofilia describe la afinidad de un nucleófilo para unirse con núcleos atómicos cargados positivamente . La nucleofilia, a veces denominada fuerza nucleofílica, se refiere al carácter nucleofílico 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 nucleofílica , por la que un nucleófilo se siente atraído por una carga positiva total o parcial, y la adición nucleofílica . La nucleofilia está estrechamente relacionada con la basicidad . La diferencia entre las 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 catiónoide propuestos anteriormente por AJ Lapworth en 1925. ^[3] La palabra nucleófilo se deriva de núcleo y 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 pKa _del ácido conjugado), más reactivo es como nucleófilo. Dentro de una serie de nucleófilos con el mismo elemento atacante (por ejemplo, el oxígeno), el orden de nucleofilia seguirá a la basicidad. El azufre es, en general, un mejor nucleófilo que el oxígeno. ^{[ cita requerida ]}

Se han ideado muchos esquemas para intentar cuantificar la fuerza nucleofílica 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 suelen omitirse en este tipo de tratamiento. ^{[ cita requerida ]}

El primer intento de este tipo se encuentra en la ecuación de Swain-Scott ^{[4] [5]} derivada en 1953:

${\displaystyle \log _{10}\left({\frac {k}{k_{0}}}\right)=sn}$

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 una constante nucleofílica n para un nucleófilo dado y una constante de sustrato s que depende de la sensibilidad de un sustrato al ataque nucleofílico (definido como 1 para el 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 benzoilo .

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]}

${\displaystyle \log _{10}\left({\frac {k}{k_{0}}}\right)=N^{+}}$

donde N ⁺ es el parámetro dependiente del nucleófilo y _k0 la constante de velocidad de reacción para el agua. En esta ecuación, no existe 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 tropilio o diazonio :

o (no se muestran) 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]

${\displaystyle \log(k)=s(N+E)}$

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 : ^[10]

y una colección diversa de π-nucleófilos:

.

Los valores E típicos 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 electrofílica a tolueno (1), −0,41 (1,12) para la adición electrofílica a 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. ^[11]

La gama de reacciones orgánicas también incluye reacciones SN2 : ^[12]

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 nucleofilias hacia 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]

${\displaystyle \log(k)=s_{E}s_{N}(N+E)}$

donde s _{E es} el parámetro de pendiente dependiente del electrófilo y s _{N es} el parámetro de pendiente dependiente del nucleófilo. Esta ecuación se puede reescribir de varias maneras:

• 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 los n nucleófilos la ecuación se convierte en

${\displaystyle \log(k)=0.6s_{E}N+0.6s_{E}E}$

o la ecuación original de Scott-Swain escrita como:

${\displaystyle \log(k)=\log(k_{0})+s_{E}N}$

• con s _E = 1 para carbocationes y s _N = 0,6 la ecuación se convierte en:

${\displaystyle \log(k)=0.6N+0.6E}$

o la ecuación original de Ritchie escrita como:

${\displaystyle \log(k)-\log(k_{0})=N^{+}}$

Ejemplos de nucleófilos son aniones como Cl ⁻ , o un compuesto con un par solitario de electrones como NH ₃ ( amoníaco ) y PR ₃ . ^{[ cita requerida ]}

En el ejemplo siguiente, el oxígeno del ion hidróxido dona un par de electrones para formar un nuevo enlace químico con el carbono en el extremo 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 posterior, 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 requerida ]}

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). Consideraciones similares se aplican en la síntesis de nitrilo de Kolbe . ^{[ cita requerida ]}

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 polares y próticos, el F ⁻ es el nucleófilo más débil y el I ⁻ el más fuerte; este orden se invierte en disolventes polares y apróticos. ^[13]

Los nucleófilos de carbono suelen ser 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 en reacciones que involucran reactivos de organolitio y acetiluros . Estos reactivos se utilizan a menudo para realizar adiciones nucleofílicas . ^{[ cita requerida ]}

Los enoles también son nucleófilos del 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 utilizan comúnmente en reacciones de condensación , incluidas la condensación de Claisen y las reacciones de condensación aldólica . ^{[ cita requerida ]}

Entre los ejemplos de nucleófilos de oxígeno se encuentran el agua (H2O ₎ , el anión hidróxido , los alcoholes , los aniones alcóxido , el peróxido de hidrógeno y los aniones carboxilato . El ataque nucleófilo no se produce durante los enlaces de hidrógeno intermoleculares.

Entre los nucleófilos de azufre, los más utilizados son el sulfuro de hidrógeno y sus sales, los tioles (RSH), los aniones tiolato (RS ⁻ ), los aniones de ácidos tiolcarboxílicos (RC(O)-S ⁻ ) y los aniones de ditiocarbonatos (RO-C(S)-S ⁻ ) y ditiocarbamatos (R ₂ N-C(S)-S ⁻ ).

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 nitrogenados incluyen amoníaco , azida , aminas , nitritos , hidroxilamina , hidrazina , carbazida , fenilhidrazina , semicarbazida y amida .

Aunque los centros metálicos (p. ej., Li ⁺ , Zn2 ⁺ , Sc3 ⁺ , etc.) son más comúnmente catiónicos y electrófilos (ácidos de Lewis) en la naturaleza, ciertos centros metálicos (particularmente los que están en un estado de oxidación bajo y/ o llevan una carga negativa) se encuentran entre los nucleófilos más fuertes registrados y a veces se los denomina "supernucleófilos". Por ejemplo, utilizando el yoduro de metilo como electrófilo de referencia, Ph3Sn– ^es _{aproximadamente} 10000 veces más nucleófilo que I– ^, mientras que la forma Co(I) de la vitamina B12 ₍ vitamina B12s ₎ es aproximadamente 107 ^veces más nucleófila. ^[14] Otros centros metálicos supernucleofílicos incluyen aniones de metalato de carbonilo de bajo estado de oxidación (p. ej., CpFe(CO) ^2– ₎ . ^[15]

La siguiente tabla muestra la nucleofilia de algunas moléculas con metanol como disolvente: ^[16]

• Electrófilo  : Especie química que acepta un par de electrones de un nucleófilo.
• Ácidos y bases de Lewis  : teoría del enlace químico
• Abstracción nucleófila  – Tipo de reacción organometálica
• Adición a ligandos pi  – Regla de la química organometálicaPáginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento