Nucleofiel

De termen nucleofiel en elektrofiel werden in 1929 geïntroduceerd door Christopher Kelk Ingold, ter vervanging van de termen kationoïde en anionoïde die eerder door A.J. Lapworth in 1925 waren voorgesteld.

Het woord nucleofiel is afgeleid van nucleus en het Griekse woord φιλος, philos voor liefde.

In het algemeen geldt binnen een rij van het periodiek systeem dat hoe basischer het ion (hoe hoger de pKa van het geconjugeerde zuur), hoe reactiever het is als nucleofiel. Binnen een bepaalde groep is de polariseerbaarheid belangrijker bij de bepaling van de nucleofiliciteit. Met andere woorden, hoe gemakkelijker het is om de elektronenwolk rond een atoom of molecuul te vervormen, des te gemakkelijker zal het reageren. Het jodide-ion (I-) is bijvoorbeeld nucleofieler dan het fluoride-ion (F-).

Voorbeelden van nucleofielen zijn anionen zoals Cl-, of een verbinding met een lone paar elektronen zoals NH3 (ammoniak).

In het onderstaande voorbeeld staat de zuurstof van het hydroxide-ion een elektronenpaar af om zich te binden met de koolstof aan het eind van het broompropaan-molecuul. De binding tussen de koolstof en het broom ondergaat dan een heterolytische splijting, waarbij het broomatoom het gedoneerde elektron overneemt en het broomion (Br-) wordt. Dit is een SN2-reactie die optreedt door backside attack. Dit betekent dat het hydroxide-ion het koolstofatoom van de andere kant aanvalt, precies tegenover het broomion. Door deze backside attack resulteren SN2-reacties in een omkering van de configuratie van het elektrofiel. Als het elektrofiel chiraal is, behoudt het gewoonlijk zijn chiraliteit, hoewel de configuratie van het SN2-product wordt omgedraaid ten opzichte van die van het oorspronkelijke elektrofiel (Walden-inversie).

Een ambident nucleofiel is een nucleofiel dat vanuit twee of meer plaatsen kan aanvallen, wat resulteert in twee of meer producten. Zo kan het thiocyanaation (SCN-) zowel vanuit de S als de N aanvallen. Daarom leidt de SN2-reactie van een alkylhalogenide met SCN- vaak tot een mengsel van RSCN (een alkylthiocyanaat) en RNCS (een alkylisothiocyanaat). Soortgelijke mengsels zullen ontstaan in de Kolbe-nitril synthese.

Koolstofnucleofielen

Alkylmetaalhalogeniden zijn koolstofnucleofielen die voorkomen in de Grignardreactie, de Blaise-reactie, de Reformatsky-reactie en de Barbierreactie, organolithiumreagentia, en anionen van een eindalkyne.

Enolen zijn ook koolstofnucleofielen. De vorming van een enol wordt gekatalyseerd door zuur of base. Enolen zijn ambidente nucleofielen, maar in het algemeen nucleofiel aan het koolstofatoom naast de koolstofatomen met dubbele binding (alfa-koolstofatoom). Enolen worden vaak gebruikt in condensatiereacties, waaronder de Claisen-condensatie en de aldol-condensatiereacties.

Zuurstofnucleofielen

Voorbeelden van zuurstofnucleofielen zijn water (_H2O), hydroxideanion, alcoholen, alkoxideanionen, waterstofperoxide en carboxylaatanionen.

Zwavel nucleofielen

Van de zwavelnucleofielen worden waterstofsulfide en de zouten daarvan, thiolen (RSH), thiolaatanionen (RS-), anionen van thiolcarbonzuren (RC(O)-S-), en anionen van dithiocarbonaten (RO-C(S)-S-) en dithiocarbamaten (R2N-C(S)-S-) het meest gebruikt.

In het algemeen is zwavel zeer nucleofiel vanwege zijn grote omvang, waardoor het gemakkelijk polariseerbaar is, en zijn eenzame elektronenparen gemakkelijk toegankelijk zijn.

Stikstof nucleofielen

Stikstofnucleofielen zijn onder meer ammoniak, azide, aminen en nitrieten.

• Elektrofiel
• Lewis basis