НУКЛЕОФИ́ЛЬНЫЕ И ЭЛЕКТРОФИ́ЛЬНЫЕ РЕАГЕ́НТЫ

НУКЛЕОФИ́ЛЬНЫЕ И ЭЛЕКТРОФИ́ЛЬ­НЫЕ РЕАГЕ́НТЫ, два ти­па реа­ген­тов в ге­те­ро­ли­ти­че­ских ре­ак­ци­ях, раз­ли­чаю­щие­ся по ха­рак­те­ру их уча­стия в раз­ры­ве имею­щих­ся или в об­ра­зо­ва­нии но­вых хи­мич. свя­зей.

К нук­лео­филь­ным реа­ген­там или нук­лео­фи­лам (от лат. nucleus – яд­ро и ...фил) от­но­сят ос­но­ва­ния Льюи­са: анио­ны (Cl^–, Br^–, I^–, ОН^–, CN^–, NO₂–, RO^–, RS^–, RCOO^– и др.), ней­траль­ные мо­ле­ку­лы, об­ла­даю­щие сво­бод­ной па­рой элек­тро­нов (Н₂О, NH₃, R₃N, R₂S, R₃P, ROH, RCOOH и др.), со­еди­не­ния с крат­ны­ми свя­зя­ми, ме­тал­ло­ор­га­нич. со­еди­не­ния R─Me, спо­соб­ные ге­не­ри­ро­вать кар­ба­нио­ны R^–. Нук­лео­фи­лы в хи­мич. ре­ак­ци­ях от­да­ют свою па­ру элек­тро­нов на об­ра­зо­ва­ние но­вой свя­зи, ата­куя суб­страт по элек­тро­но­де­фи­цит­но­му цен­тру. Ре­ак­ция за­вер­ша­ет­ся при­сое­ди­не­ни­ем нук­лео­фи­ла или за­ме­ще­ни­ем им ухо­дя­щей груп­пы. Так, в ре­ак­ци­ях ти­па Y^–+RX→RY+X^– час­ти­ца Y^– яв­ля­ет­ся нук­лео­фи­лом, а ухо­дя­щую груп­пу Х^– при­ня­то на­зы­вать нук­лео­фу­гом (от лат. fugio – убе­гать). На ско­рость и ме­ха­низм нук­лео­филь­ных ре­ак­ций влия­ют ре­ак­ци­он­ная спо­соб­ность нук­лео­фи­ла (нук­лео­филь­ность), ре­ак­ци­он­ная спо­соб­ность ухо­дя­щей груп­пы Х^– (нук­лео­фуг­ность), при­ро­да суб­стра­та и ус­ло­вия ре­ак­ции (темп-ра, рас­тво­ри­тель, дав­ле­ние и т. д.). Нук­лео­филь­ность из­ме­ря­ет­ся от­но­сит. кон­стан­та­ми ско­ро­сти ре­ак­ций разл. нук­лео­филь­ных реа­ген­тов по от­но­ше­нию к об­ще­му суб­стра­ту. Прак­ти­че­ски все­гда анио­ны ОН^–, CN^–, RS^–, I^– и Вr^– про­яв­ля­ют се­бя как силь­ные нук­лео­фи­лы, а Н₂О, СН₃ОН, F^–, NO₃–, SО₄2– – как сла­бые.

Воз­мож­ны два ме­ха­низ­ма ре­ак­ций нук­лео­филь­но­го за­ме­ще­ния – мо­но­мо­ле­ку­ляр­ный S_N1 (двух­ста­дий­ный – уда­ле­ние од­но­го за­мес­ти­те­ля и при­сое­ди­не­ние дру­го­го про­ис­хо­дит по­оче­рёд­но) и би­мо­ле­ку­ляр­ный (син­хрон­ный) про­цесс S_N2 (од­но­ста­дий­ный – уда­ле­ние од­но­го за­мес­ти­те­ля и при­сое­ди­не­ние дру­го­го про­ис­хо­дит од­но­вре­мен­но):

Ме­ха­низм S_N1 реа­ли­зу­ет­ся в по­ляр­ных рас­тво­ри­те­лях (Н₂О, СН₃ОН, СН₃СООН и др.), спо­соб­ст­вую­щих ге­те­ро­ли­зу свя­зи С─Х, и в ре­ак­ци­ях с суб­стра­та­ми, со­дер­жа­щи­ми тре­тич­ный, ал­лиль­ный или бен­зиль­ный атом С. Про­цес­сы с ме­ха­низ­мом S_N2 мень­ше за­ви­сят от при­ро­ды рас­тво­ри­те­ля, они ха­рак­тер­ны для суб­стра­тов с пер­вич­ным ато­мом С. При мо­но­мо­ле­ку­ляр­ном про­цес­се пер­во­на­чаль­но под дей­ст­ви­ем рас­тво­ри­те­ля про­ис­хо­дит ио­ни­за­ция суб­стра­та с об­ра­зо­ва­ни­ем трёх­ко­ор­ди­на­ци­он­но­го кар­бка­тио­на и нук­лео­фу­га (эта ста­дия яв­ля­ет­ся ли­ми­ти­рую­щей и оп­ре­де­ля­ет ско­рость все­го про­цес­са), за­тем сле­ду­ет бы­ст­рая ста­дия свя­зы­ва­ния кар­бка­тио­на с нук­лео­фи­лом. Ата­ка нук­лео­фи­ла рав­но­ве­ро­ят­на с обе­их сто­рон, по­это­му в слу­чае асим­мет­ри­че­ско­го ре­ак­ци­он­но­го цен­тра об­ра­зу­ют­ся ра­це­ма­ты. В би­мо­ле­ку­ляр­ном про­цес­се фор­ми­ру­ет­ся пя­ти­ко­ор­ди­на­ци­он­ное пе­ре­ход­ное со­стоя­ние, при­чём ата­ка нук­лео­фи­ла осу­ще­ст­в­ля­ет­ся со сто­ро­ны, про­ти­во­по­лож­ной ухо­дя­ще­му за­мес­ти­те­лю, что при­во­дит к об­ра­ще­нию кон­фи­гу­ра­ции.

Нук­лео­филь­ное за­ме­ще­ние в али­фа­тич. ря­ду (гид­ро­лиз, ал­ко­го­лиз, аци­до­лиз, ами­ни­ро­ва­ние и т. д.) име­ет ис­клю­чи­тель­но важ­ное зна­че­ние для ор­га­нич. син­те­за, по­зво­ляя це­ле­на­прав­лен­но за­ме­нять функ­цио­наль­ные груп­пы, а так­же кон­ст­руи­ро­вать уг­ле­род­ный ске­лет мо­ле­ку­лы пу­тём ис­поль­зо­ва­ния C-нук­лео­фи­лов (напр., ме­тал­ло­ор­га­нич. со­еди­не­ний).

Наи­бо­лее важ­ны для ор­га­нич. син­те­за ре­ак­ции нук­лео­филь­но­го при­сое­ди­не­ния и за­ме­ще­ния у кар­бо­ниль­но­го ато­ма уг­ле­ро­да:

В не­ко­то­рых слу­ча­ях про­цесс ос­та­нав­ли­ва­ет­ся на ста­дии при­сое­ди­не­ния (напр., в ре­ак­ци­ях HCN с аль­де­ги­да­ми и ке­то­на­ми с по­лу­че­ни­ем ци­ан­гид­ри­нов). В др. слу­ча­ях (ко­гда Х^– хо­роший нук­лео­фуг) об­ра­зу­ют­ся про­дук­ты за­меще­ния. К это­му ти­пу про­цес­сов от­носят, напр., ре­ак­ции эте­ри­фи­ка­ции: RCOOH+ R′OH⇄ RCOOR′+ Н₂О (про­ис­хо­дят при ки­слот­ном ка­та­ли­зе).

К элек­тро­филь­ным реа­ген­там или элек­тро­фи­лам (от элек­трон и ...фил) от­но­сят ка­тио­ны и мо­ле­ку­лы, имею­щие дос­та­точ­но низ­кую по энер­гии ва­кант­ную ор­би­таль, – ки­сло­ты Льюи­са (Н⁺, D⁺, Li⁺, R⁺, Cl⁺, Br⁺, SO₃H⁺, NO₂+, HCl, H₂SO₄, BF₃, AlCl₃ и др.). При ре­ак­ции с суб­стра­том элек­тро­фи­лы при­ни­ма­ют элек­трон­ную па­ру на не­за­пол­нен­ную ор­би­таль и вы­тес­ня­ют ухо­дя­щую груп­пу в ви­де по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ной час­ти­цы. В ре­ак­ци­ях ти­па Y⁺+RX→RY+X⁺ элек­тро­фи­лом яв­ля­ет­ся час­ти­ца Y⁺, а Х⁺ (ухо­дя­щую элек­тро­но­дефи­цит­ную груп­пу) на­зы­ва­ют элек­тро­фу­гом. В ре­ак­ции с элек­тро­фи­ла­ми всту­па­ют ал­ке­ны, ал­ки­ны и аро­ма­тич. со­еди­не­ния, имею­щие сте­ри­че­ски дос­туп­ные цен­тры с по­вы­шен­ной элек­трон­ной плот­но­стью. Ре­ак­ци­он­ная спо­соб­ность элек­тро­филь­но­го реа­ген­та из­ме­ря­ет­ся от­но­сит. кон­стан­та­ми ско­ро­сти ре­ак­ций разл. элек­тро­филь­ных реа­ген­тов по от­но­ше­нию к об­ще­му суб­стра­ту. Силь­ны­ми элек­тро­фи­ла­ми яв­ля­ют­ся NO₂⁺, H₂OCl⁺, HSO₃+, H₂S₂O₇, ком­плек­сы Cl₂ или Br₂ с разл. ки­сло­та­ми Льюи­са (FeCl₃, AlBr₃, AlCl₃, SbCl₅ и т. д.) и др.; при­ме­ры сла­бых элек­тро­фи­лов – ка­ти­он диа­зо­ния C₆H₅N₂+, ка­ти­он нит­ро­зо­ния NO⁺, ди­ок­сид уг­ле­ро­да СО₂.

Воз­мож­ны три ме­ха­низ­ма ре­ак­ций элек­тро­филь­но­го за­ме­ще­ния: мо­но­мо­ле­ку­ляр­ный S_E1 и би­мо­ле­ку­ляр­ные S_E2 и S_Ei (обо­зна­че­ние ис­поль­зу­ет­ся для би­мо­ле­ку­ляр­ных ре­ак­ций с т. н. внут­рен­ним со­дей­ст­ви­ем, ко­гда реа­гент со­сто­ит из элек­тро­филь­ной и нук­лео­филь­ной час­тей):

В мо­но­мо­ле­ку­ляр­ном про­цес­се S_E1 суб­страт ио­ни­зи­ру­ет­ся с об­ра­зо­ва­ни­ем кар­ба­нио­на (эта ста­дия обыч­но оп­ре­де­ля­ет ско­рость ре­ак­ции), ко­то­рый за­тем бы­ст­ро реа­ги­ру­ет с элек­тро­фи­лом. В хо­де ре­ак­ций по это­му ме­ха­низ­му про­ис­хо­дит, как пра­ви­ло, ра­це­ми­за­ция. В би­мо­ле­ку­ляр­ных ре­ак­ци­ях, про­те­каю­щих по ме­ха­низ­мам S_E2 и S_Ei, воз­мож­на ата­ка элек­тро­фи­ла со сто­ро­ны ухо­дя­щей груп­пы (при этом кон­фи­гу­ра­ция суб­стра­та со­хра­ня­ет­ся) или с про­ти­во­по­лож­ной сто­ро­ны (кон­фи­гу­ра­ция об­ра­ща­ет­ся). По­вы­ше­ние по­ляр­но­сти рас­тво­ри­те­ля уве­ли­чи­ва­ет воз­мож­ность ио­ни­за­ции в ре­ак­ци­ях, про­те­каю­щих по ме­ха­низ­му S_E1, а так­же ус­ко­ря­ет ре­ак­ции ти­па S_E2, то­гда как на ре­ак­ции ти­па S_Ei влия­ет го­раз­до мень­ше. Боль­шое зна­че­ние име­ет при­ро­да элек­тро­фу­га. В слу­чае карб­ка­ти­он­ных элек­тро­фу­гов на­блю­да­ет­ся ме­ха­низм S_E1, то­гда как для ме­талл­со­дер­жа­щих групп – S_E2 или S_Ei. За­мес­ти­те­ли в суб­стра­те, об­ла­даю­щие от­ри­ца­тель­ным ин­дук­тив­ным и ме­зо­мер­ным эф­фек­та­ми, ус­ко­ря­ют ре­ак­ции ти­па S_E1. Ре­ак­ции ти­па S_E2 так­же ус­ко­ря­ют­ся при на­ли­чии за­мес­ти­те­лей с от­ри­ца­тель­ным ин­дук­тив­ным эф­фек­том и за­мед­ля­ют­ся при на­ли­чии за­мес­ти­те­лей с по­ло­жи­тель­ным ин­дук­тив­ным эф­фек­том.

Элек­тро­фи­лы всту­па­ют в один из важ­ней­ших ти­пов ре­ак­ций – элек­тро­филь­ное за­ме­ще­ние в ря­ду аро­ма­тич. со­еди­не­ний (га­ло­ге­ни­ро­ва­ние, нит­ро­ва­ние, суль­фи­ро­ва­ние, аци­ли­ро­ва­ние по Фри­де­лю – Краф­тсу и др.). В на­чаль­ной ста­дии

элек­тро­фил Y⁺ об­ра­зу­ет с аро­ма­тич. суб­стра­том про­ме­жу­точ­ный π -ком­плекс (I), в ко­то­ром Y⁺ рас­по­ло­жен над плос­ко­стью коль­ца, за­тем фор­ми­ру­ет­ся т. н. σ-ком­плекс (II, фор­ми­ро­ва­ние σ-ком­плек­са яв­ля­ет­ся, как пра­ви­ло, ли­ми­ти­рую­щей ста­ди­ей), пре­вра­щаю­щий­ся в ко­неч­ный про­дукт, ино­гда че­рез об­ра­зо­ва­ние π-ком­плек­са (III):

Со­еди­не­ния с крат­ны­ми свя­зя­ми всту­па­ют с элек­тро­фи­ла­ми в ре­ак­ции элек­тро­филь­но­го при­сое­ди­не­ния (см. в ст. При­сое­ди­не­ния ре­ак­ции).

Тер­ми­ны «нук­лео­филь­ный» и «элек­тро­филь­ный» ис­поль­зу­ют­ся так­же для ука­за­ния на ка­жу­щий­ся по­ляр­ный ха­рак­тер не­ко­то­рых ра­ди­ка­лов, о ко­то­ром мож­но су­дить по их бо­лее вы­со­кой ре­ак­ци­он­ной спо­соб­но­сти по от­но­ше­нию к ре­ак­ци­он­ным цен­трам со­от­вет­ст­вен­но с по­ни­жен­ной или с бо­лее вы­со­кой элек­трон­ной плот­но­стью.