Нуклеофилы и электрофилы

НУКЛЕОФИЛ (символ N) - любая частица, молекула или ион, которая образует связь с другой частицей за счёт своей пары электронов, т.е. нуклеофил – донор электронной пары.

Большинство нуклеофильных реагентов можно разделить на три большие группы:

1) отрицательно заряженные ионы,

2) соединения, имеющие неподелённую пару электронов,

3) π-избыточные системы.

Алкены Ароматические углеводороды

ЭЛЕКТРОФИЛ (символ Е) – любая частица, молекула или ион, которая взаимодействует с электронной парой нуклеофила. Для этой пары электронов электрофил должен предоставить пустую (или частично свободную) орбиталь, т.е. электрофил - акцептор электронной пары.

Электрофильные реагенты, подобно нуклеофильным, можно разделить на три большие группы:

1) положительно заряженые ионы,

2) соединения, имеющие свободную орбиталь в структуре одного из атомов, (например BF₃, AICI₃).

Почему такие структуры могут быть электрофилами? Рассмотрим электронную конфигурацию атома бора в соединении ВF3

В нормальном состоянии атом бора имеет следующую электронную конфигурацию- 1s²2s²2p¹.

В возбужденном состоянии на втором энергетическом уровне у атома бора сохраняется одна вакантная орбиталь.

эти 3 орбитали на эту пустую орбиталь

участвуют в гибридизации, поступает неподеленная пара

а затем в образовании связей электронов нуклеофила.

с атомами фтора.

3) Соединения с частично свободной орбиталью

здесь частично свободная электронная плотность смещена к

орбиталь. атомам кислорода, у атома серы есть

частично свободная орбиталь

Эти частично свободные орбитали могут быть атакованы парой электронов нуклеофила.

Если в реакции одно вещество является нуклеофилом, то другое должно быть электрофилом, а тип реакции - нуклеофильная или электрофильная, определяется природой реагента.

а)

субстрат реагент реакция электрофильная.

нуклеофил электрофил

б)

субстрат реагент реакция нуклеофильная.

электрофил нуклеофил

в)

субстрат реагент реакция

нуклеофил электрофил электрофильная

г)

субстрат реагент реакция

электрофил нуклеофил нуклеофильная.

2. Классификация реакций в соответствии с конечным результатом процесса. Символы органических реакций

В соответствии с этим признаком, все органические реакции делят на несколько типов:

1) реакции замещения (символ S)

2) реакции присоединения (символ А)

3) реакции элиминирования (символ Е)

4) реакции окисления-восстановления (символа не имеют)

5) перегруппировки (символа нет)

В нашем курсе мы наиболее часто будем встречаться с реакциями замещения и присоединения. Рассмотрим более подробно эти процессы.

Реакции замещения ( S-реакции)

Это реакции, в результате которых происходит замещение одной из групп у реакционного центра субстрата на атакующую группу (на реагент). Группа, которая связана с реакционным центром и замещается на атакующую частицу, называется уходящей группой

реакционный Х- уходящая группа, Y- реагент.

центр субстрата

а) Реагент нуклеофил – на реакционном центре субстрата должен быть недостаток электронной плотности. В этом случае уходящая группа отщепляется со своей парой электронов, т.е. связь разрывается гетеролитически.

атака нуклеофилом уходящая группа,

имеет пару электронов

Такая реакция имеет символ S_N (S–замещение, _N–нуклеофильное).

Атакующая частица может быть ионом,

или соединением с неподеленной парой электронов.

SN–реакции наиболее характерны для соединений, содержащих sp³-гибридизованный атом углерода, но они идут не по связи С–Н, (где происходит радикальное замещение), а по связи С–Х, (где Х – любая функциональная группа: галоген, гидроксильная группа, аминогруппа и.т.д.)

б) Реагент – электрофил (обозначим его Е). На реакционном центре субстрата должен быть избыток электронной плотности. Реакции электрофильного замещения у sp³-гибридизованного атома углерода встречаются редко. Это реакции изотопного обмена, реакции замещения металлов в металлорганических соединениях. Протекают они по следующей общей схеме:

(S-замещение. Е-электрофильное.)

Электронная плотность связи sp³ -гибридизованного атома углерода с заместителем Х должна быть смещена в сторону углерода. ( ) Только в этом случае на реакционном центре субстрата будет избыток электронной плотности.

Электрофильное замещение у sр³-гибридизованного атома углерода в нашем курсе практически не встречается.

Наиболее часто реакции электрофильного замещения протекают в ряду ароматических углеводородов.

реакционный центр уходящая электрофил ( S_E реакция )

субстрата группа

Подробно механизм этих реакций мы рассмотрим ниже, в главе «Сопряженные системы с замкнутой цепью сопряжения».

в) Реагент – радикал (обозначим его Z) Символ этих реакций - S_R

У реакционного центра субстрата связи разрываются гомолитически. Реакции протекают по следующей общей схеме:

Как правило, Х - это водород и замещение происходит по связи С—Н у sp³ - гибридизованного атома углерода.

К этому типу реакций относятся такие важные процессы, как галоидирование алканов на свету, сульфохлорирование, нитрование предельных углеводородов, а также реакции образования пероксидов.

радикал этил (S_R-реакция)

гидропероксид этана

(S_R-реакция)