Nukleofiili

Nukleofiili on reagenssi, joka pyrkii muodostamaan kovalenttisen sidoksen elektrofiilin kanssa luovuttamalla tälle elektroniparin. Koska nukleofiilit voivat luovuttaa elektroniparin, ne voidaan luokitella Lewis-emäksiksi.^[1] Nukleofiileja ovat kaikki ionit, molekyylit ja molekyylin osat (atomit tai funktionaaliset ryhmät), joilla on vapaa elektronipari. Negatiivisesti varautuneet ionit (anionit) ovat parempia nukleofiileja kuin neutraalit reagenssit. Nukleofiileja voivat olla esimerkiksi amiinit (typellä vapaa elektronipari), vesi ja alkoholit (hapella kaksi vapaata elektroniparia).

Nukleofiilisyyteen vaikuttavat monet tekijät. Nukleofiilisyys korreloi anionien suhteellisen emäksisyyksien kanssa. Esimerkiksi hiilen, typen, hapen ja fluorin anionianionisarjassa nukleofiilisyys pienenee vasemmalta oikealle. Metyylianioni on voimakkain nukleofiili ja se on myös vahvin emäs. Fluoridi on sarjan heikoin emäs ja myös vähiten nukleofiilinen. Fluorin voimakas elektronegatiivisuus ja se, ettei sillä ole protoneja, pitää elektronit hyvin tiiviisti fluoridiatomin ympärillä, jolloin ne eivät myöskään muodosta helposti sidoksia. Halidi-anioneista jodidi on paras nukleofiili ts. tässä tapauksessa nukleofiilisyys ei korreloi elektronegatiivisuuden kanssa. Konjugaattihappojen happamuus kasvaa HI > HBr > HCI > HF eli vetyjodidi on vahvin happo, joten sen vastinemäs jodidi-anioni, on heikoin emäs mutta paras nukleofiili. Emäksisyys tarkoittaa affiniteettia protoneita kohtaan, kun taas nukleofiilisyys tarkoittaa affiniteettia elektrofiilejä kohtaan. Nukleofiilisyydessä nukleofiilin polaroituvuus eli se miten helposti elektronit siirtyvät sähkökentän vaikutuksesta on tärkeä tekijä. Halidi-anioneista jodidilla on suurin koko ja sillä on suurin polaroituvuus, joten sen ydin vetää heikommin puoleensa valenssielektroneja, mutta jotka puolestaan pystyvät muodostamaan helposti uusia sidoksia.^[2]

Nukleofiilisyyttä voidaan selittää kova-pehmeä happo-emäs teorian (HSAB) avulla. HSAB-teoriassa "kova" happo tai emäs on yhdiste, jolla on hyvin vähän polaroituvuutta. Esimerkiksi protoni on erittäin kova happo ja fluoridianioni on erittäin kova emäs.”Pehmeällä” hapolla/emäksellä on korkea polaroituvuus. HSAB-teoria ennustaa, että kova emäs (tai kova nukleofiili) reagoi kovan hapon (tai kovan elektrofiilin) kanssa. Samoin pehmeät emäkset / nukleofiilit mieluummin muodostavat sidoksia pehmeiden happojen / elektrofiilien kanssa.^[3]

Nukleofiilisyyteen vaikuttaa myös elektroneja luovuttavien substituenttien läsnäolo, jotka ovat vuorovaikutuksessa nukleofiilisen atomin kanssa induktiivisten tai resonanssivaikutusten kautta. Esimerkiksi pyridiinirenkaan para-metyyliaminoryhmä on elektroneja luovuttava ja se lisää pyridiinin nukleofiilisyyttä. Sitä vastoin orto-fluoriosubstituentti on elektroneja puoleensavetävä ja se tekee pyridiinistä vähemmän nukleofiilisen.^[4]

Nukleofiilit osallistuvat nukleofiilisiin substituutioreaktioihin, jossa nukleofiili hyökkää positiivisesti varautuneeseen atomiin (elektrofiiliin) syrjäyttäen samalla siihen sitoutuneet funktionaalisen ryhmän.