Корреляция параметров нуклеофильности.

Любая нейтральная или отрицательно заряженная частица, несущая неподеленную пару электронов, представляет собой нуклеофил. Однако термин “нуклеофильность”, т.е. количественная мера силы нуклеофила в реакциях присоединения и замещения, не имеет строгого определения, поскольку зависит от многих факторов, например, от природы электрофильного центра, эффектов сольватации, типа замещения (S_N1, S_N2, S_NAr, S_NAc и т.д .). Для реакций S_N2 можно выделить несколько основных факторов, оп­ре­деляющих нуклеофильность. К ним относятся: 1) основность; 2) поляризуемость; 3) электроотрицательность атакующего атома; 4) энергия сольватации нуклеофила; 5) пространственные факторы; 6) т.н. “ α- эффект“, т.е. присутствие рядом с нуклеофиль­ным центром гетероатомов с неподеленными парами электронов.

В определенных, ограниченных по структуре рядах нуклеофилов существует сим­бат­ность между основностью, т.е. термодинамической величиной, характеризующей константу равновесия взаимодействия нуклеофила с протоном, и нуклеофильностью как кинетической характеристикой основания (т.е. скоростью реакции нуклеофиль­но­­­го присоединения или замещения) по отношению к конкретному электрофильному центру.

Поляризуемость нуклеофила зависит от того, насколько легко его электронная обо­­лоч­ка деформируется (поляризуется) при действии внешнего электромагнитного поля. Как правило, поляризуемость возрастает при движении сверху вниз в пределах одной группы элементов периодической системы, например, I¯> Br¯> Cl¯> F¯;

R-Se¯> RS¯> RO¯; R₃P> R₃N, что отражает большую деформируемость удаленной от ядра и, следовательно, слабее связанной электростатически внешней электронной оболочки.

Электроотрицательность по Полингу выражается формулой

Электроотрицательность возрастает при движении в пределах одного периода таб­ли­цы Менделеева слева направо и в пределах одной группы снизу вверх. Более электро­от­рицательный атом прочнее удерживает свою электронную пару, чем менее электро­отрицательный, что понижает скорость реакции S_N2, т.е нуклеофильность реагента.

Большая теплота сольватации нуклеофила понижает его энергию относительно пере­ходного состояния, что приводит к понижению скорости нуклеофильного заме­щения, а десольватация реагента, наоборот, способствует ускорению реакции. Нуклеофильный реагент большого объема менее реакционноспособен, чем нуклео­фил небольшого размера, из-за пространственных препятствий, возникающих в бипи­рамидальном переходном состоянии S_N2 –процесса.

Эмпирически нуклеофильность может быть определена из данных по относи­тельным скоростям реакции стандартного субстрата с различными нуклеофилами в одном и том же растворителе. Суэйн и Скотт вывели эмпирическое уравнение

Таким образом, константа нуклеофильности равна

Ниже даны значения параметра для ряда нейтральных и заряженных нуклео­филов.

Таблица 4.1 - Нуклеофильность по отношению к CH₃I в метаноле *)

Нуклеофил		pKaBH+	Нуклеофил		pKaBH+
CH3OH	0.0	-1.7	CH3O¯	6.3	16.0
NO3¯	1.5	-1.3	HO¯	6.5	15.7
F¯	2.7	3.4	NH2OH	6.6	5.8
CH3COO¯	4.3	4.8	NH2NH2	6.6	7.9
Cl¯	4.4	-5.7	Et3N	6.7	10.7
NH3	5.5	9.25	CN¯	6.7	9.3
N3¯	5.8	4.74	I¯	7.4	-10.7
C6H5O¯	5.8	9.9	HOO¯	7.8	11.2
Br¯	5.8	-7.7	C6H5S¯	9.9	6.6

*) Примечание: pK a^BH+ -показатель кислотности сопряженной кислоты нуклеофила:

pK _{B –}показатель основности: pK _B =14- pK a^BH+

Из таблицы видно, что качественная корреляция величины и pK a^BH+ наблюдается только для нуклеофилов с одинаковым донорным атомом, например, CH₃O¯ > C₆H₅O ¯ > CH₃COO¯ > NO₃¯.

Однако N₃¯, C₆H₅O¯ и Br¯обладают одинаковой нуклеофильностью, а основность их различается на 18 порядков. С другой стороны, N₃¯и CH₃COO¯ обладают одина­ковой основностью, но нуклеофильность азид-иона значительно выше, чем ацетата.

Повышение нуклеофильности при движении сверху вниз в пределах одной группы таблицы Менделеева (I¯>Br¯>Cl¯>F¯) можно объяснить более высокой поля­ри­зуемостью атомов (ионов) большого размера.

Более высокая нуклеофильность пероксид-иона, гидроксиламина и гидразина (т.н.

“α-нуклеофилов“) по сравнению соответственно с гидроксил (метоксил)-ионами и аминами обусловлена эффектом отталкивания расположенных рядом заполненных не­свя­зывающих р -орбиталей неподеленных пар электронов гетероатомов, что при­водит к повышению энергии верхней занятой молекулярной орбитали (ВЗМО). Это способствует переносу электронов в переходном состоянии на нижнюю вакантную МО электрофила и таким образом ускоряет реакцию S_N2.

Нуклеофильность в огромной степени зависит от сольватации. Приведенные в табли­це данные получены в протонном растворителе - метаноле, в котором нуклеофилы специфически сольватированы за счет водородных связей, что может существенно по­ни­зить их реакционную способность, особенно для ионов малого радиуса с лока­лизованным зарядом.

При переходе к полярным апротонным растворителям, неспособным быть донорами водородной связи (диметилформамид, диметилсульфоксид и др.),ряд нуклео­филь­ности галогенид - ионов меняется на обратный: F¯> Cl¯> Br¯>I¯.

Влияние уходящих групп (нуклеофугов) в процессах S_N1 может быть выражено в отно­сительных константах скорости сольволиза 1-фенилэтиловых эфиров и 1-фенил­этил­галогенидов в 80%-ном этаноле (стандартный растворитель) при 75^оС (см.табл. 4.2):

Относительный ряд нуклеофильности соблюдается как для S_N1, так и для S_N2 про­цессов, но реакция S_N1 более чувствительна к природе уходящей группы ввиду большей степени разрыва связи C-X в переходном состоянии.

Таблица 4.2 - Относительные нуклеофугности уходящих групп

Уходящая группа X	k отн.	Уходящая группа X	k отн.
CF3SO3¯	1.4*108	CF3COO¯	2.1
	4.4*105	Cl¯	1.0(стандарт)
	3.7*104	F¯	9.0*10-6
CH3SO3¯	3.0*104		5.5*10-6
I¯		CH3COO¯	1.4*10-6
Br¯

Как и в случае корреляции параметров нуклеофильности, нуклеофугность в преде­лах относительно узких реакционных серий, например, алкил- и арилсульфо­натов, кор­релирует с величинами рКа сопряженных кислот нуклеофугов.

Однако большое влияние на это оказывает сольватация, особенно при сравнении анионных и незаряженных уходящих групп.

Модификацией уходящей группы можно катализировать реакции нуклеофильного замещения, например, с помощью протонирования кислотами Бренстеда:

или при электрофильном катализе ионами металлов (Ag⁺, Hg²⁺) и кислотами Льюиса (AlCl₃):

где Nu: - нейтральный нуклеофил

Для реакций типа S_N1 карбониевых ионов с карбанионами или нейтральными π-нук­леофилами Г.Майром было предложено следующее корреляционное уравнение:

В качестве стандартного электрофила выбран п -метоксибензгидрильный катион (п -CH₃OC₆H₄)₂CH⁺, для которого E принят равным нулю. В качестве стандартного нуклеофила выбран 2-метилбутен-1 [CH₂=C(CH₃)C₂H₅], для которого S=1. Стандарт­ным растворителем считают ДМСО.

Уравнение охватывает 30 порядков величины константы скорости и позволяет срав­­нивать π, n и σ- нуклеофилы. Ряд увеличения нуклеофильности (в скобках – величина N) имеет вид:

Это уравнение не учитывает стерические эффекты, поскольку выведено для реакций S_N1, где они не играют существенной роли.