عواملی که تعیین می کنند آیا یک گونه یک هسته دوست خوب است یا خیر
اگر پست آخر را بخوانید، به یاد می آورید که الف هسته دوست گونه ای است که یک جفت الکترون را برای تشکیل یک پیوند کووالانسی جدید اهدا می کند. هسته دوستی با مقایسه سرعت واکنش اندازه گیری می شود. هرچه واکنش سریعتر باشد، هسته دوست بهتر (یا “قوی تر”) است.
1. یادآوری: هسته دوستی با نرخ واکنش اندازه گیری می شود
هنگام بحث درباره هسته دوستی، ما به طور خاص در مورد اهدای یک جفت الکترون به یک اتم صحبت می کنیم. غیر از هیدروژن (معمولا کربن). هنگامی که یک گونه در حال اهدای یک جفت الکترون به یک هیدروژن (به طور خاص، یک پروتون، H+) است، آن را یک پایه.
این پست سعی دارد به یکی از آزاردهنده ترین سوالات دانشجویان شیمی آلی بپردازد. چه عواملی باعث ایجاد یک نوکلئوفیل خوب می شود؟
برای اهداف ما، حداقل چهار عامل کلیدی در هسته دوستی وجود دارد.
- شارژ
- الکترونگاتیوی
- حلال
- مانع استریک
امیدواریم که دو مورد اول از بحث در مورد اینکه چه چیزی چیزی را به یک پایگاه قوی تبدیل می کند آشنا باشند. از این گذشته، اساسی بودن و هسته دوستی اساساً یک پدیده را توصیف می کنند. جز اساس بودن مربوط به اهدای جفت های تنها به هیدروژن است و هسته دوستی مربوط به اهدای جفت های تنها به تمام اتم های دیگر است. این سومین و چهارمین نقطه است که در آن عوامل اضافی وارد عمل می شوند.
2. نقش بار: هسته دوستی با افزایش چگالی الکترون اتم افزایش می یابد.
از آنجایی که یک هسته دوست گونهای است که یک جفت الکترون اهدا میکند، منطقی است که انتظار داشته باشیم با افزایش غنیتر شدن الکترون، توانایی آن برای اهدای الکترون افزایش یابد و با فقیرتر شدن الکترونها کاهش یابد، درست است؟ بنابراین با افزایش چگالی الکترون، هسته دوستی نیز افزایش می یابد.
یک قانون مفید که برای این منظور باید به خاطر بسپارید موارد زیر است: پایه مزدوج همیشه هسته دوست بهتری است.
3. الکترونگاتیوی: در سراسر جدول تناوبی، هسته دوستی با کاهش الکترونگاتیوی افزایش می یابد.
با فرض اینکه یک اتم دارای یک جفت الکترون برای اهدا باشد، توانایی یک گونه برای اهدای آن جفت باید با میزان “محکم نگه داشتن” آن نسبت معکوس داشته باشد. عامل کلیدی برای تعیین اینکه چگونه یک جفت الکترون “محکم نگه داشته شده است” مفهوم آشنا است. الکترونگاتیوی. خط پایین: با افزایش الکترونگاتیوی، هسته دوستی کاهش می یابد. توجه: مهم است که کاربرد این روند را به اتمهای موجود محدود کنیم همان ردیف جدول تناوبی؛ به عنوان مثال، CNOF، یا Si PS Cl. با پایین آمدن جدول تناوبی، عامل دیگری وارد عمل می شود (بعدی)
4. انتخاب حلال (پروتیک قطبی در مقابل آپروتیک قطبی) می تواند به شدت بر روندهای هسته دوستی تأثیر بگذارد
هسته دوستی خاصیت ذاتی یک گونه نیست. می تواند تحت تأثیر محیطی که در آن قرار دارد قرار گیرد (در غیر این صورت “حلال” نامیده می شود). [For an introduction to the different classes of solvents, click here]
یک حلال پروتیک قطبی می تواند در پیوند هیدروژنی با یک هسته دوست شرکت کند، و “پوسته ای” از مولکول های حلال را در اطراف آن ایجاد کند، مانند گروه هایی از طرفداران نوجوان که جیغ می زنند که در سال 1962 بیتلز را ازدحام می کنند. هر جا که می رود، جفت الکترون های آن با اتم های هیدروژن فقیر از الکترون حلال در تعامل هستند.
با پایین آمدن جدول تناوبی، توانایی نوکلئوفیل ها برای مشارکت در پیوند هیدروژنی کاهش می یابد. از این رو فلوراید قوی ترین گیرنده پیوند هیدروژنی و یدید ضعیف ترین گیرنده پیوند هیدروژنی است. این بدان معناست که جفتهای منفرد یون یدید بهطور قابلتوجهی «آزاد»تر از فلوراید خواهند بود و در نتیجه نرخهای بالاتر (و هسته دوستی بیشتر) به همراه خواهند داشت.
یک حلال آپروتیک قطبی این کار را انجام می دهد نه پیوند هیدروژنی به نوکلئوفیل ها تا حد قابل توجهی است، به این معنی که هسته دوست ها آزادی بیشتری در محلول دارند. در این شرایط، هسته دوستی به خوبی با باز بودن همبستگی دارد – و یون فلوراید که ناپایدارترین یون هالید است، سریعترین واکنش را با الکتروفیلها نشان میدهد.
[Often asked: why don’t we care about “non polar solvents” here? Remember “like dissolves like”? If we want a reaction to take place, we need to use solvents that will actually dissolve our nucleophile. Many nucleophiles are charged species (“ions”) – they don’t dissolve in non-polar solvents.]
5. هسته دوستی با افزایش مانع استریک (“حجم”) کاهش می یابد.
از آنجایی که هنگام بحث درباره هسته دوستی، اغلب در مورد واکنش های کربن بحث می کنیم، باید در نظر بگیریم که اوربیتال های کربن که در واکنش ها شرکت می کنند، عموماً کمتر در دسترس است از پروتون ها هستند. اثری به نام “مانع فضایی” وارد عمل می شود.
نکته اصلی در اینجا این است که هرچه یک هسته دوست بزرگتر باشد، سرعت واکنش های آن کندتر است. [and therefore the lower its nucleophilicity].
بنابراین با مقایسه چندین الکل بدون پروتونه، در توالی متانول – اتانول – ایزوپروپانول – تی بوتانول، متانول deprotonated (“متوکسید”) قوی ترین هسته دوست است و تی بوتانول deprotonated (“t-butoxide”) فقیرترین (یا “ضعیف ترین” است. ”) نوکلئوفیل.
دلت برای چیزی تنگ شده؟ سوال دیگری دارید؟ نظر خود را در زیر بنویسید
پست بعدی: چه چیزی یک گروه خوب را ترک می کند؟
یادداشت
توجه: آیا عوامل دیگری نیز وجود دارد؟ آره. این فهرست چهارتایی اصول اولیه را پوشش میدهد، اما چندین فاکتور دیگر نیز قابل ذکر است. 1) هویت الکتروفیل 2) اتم ها با جفت های تنها مجاور هسته دوست 3) در مورد یون ها، هویت یون ضد [i.e. positively charged species] می تواند قابل توجه باشد.
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
- همبستگی کمی نرخ های نسبی. مقایسه یون هیدروکسید با سایر معرفهای هسته دوست نسبت به آلکیل هالیدها، استرها، اپوکسیدها و اسیل هالیدها
گاردنر سواین و کارلتون بی اسکات
مجله انجمن شیمی آمریکا 1953، 75 (1)، 141-147
DOI: 10.1021/ja01097a041
این مقاله یکی از اولین مقیاس های هسته دوستی را نشان می دهد (جدول II). - همبستگی نرخ های نسبی و تعادل با مقیاس پایه دوگانه
جان او. ادواردز
مجله انجمن شیمی آمریکا 1954، 76 (6)، 1540-1547
DOI: 10.1021/ja01635a021
این مقاله همچنین تلاش می کند تا مقیاس هسته دوستی را ایجاد کند، که هسته دوستی را با سایر خواص شیمیایی (پایه بودن و پتانسیل کاهش) مرتبط کند. - واکنشپذیری معرفهای هسته دوست نسبت به استرها
ویلیام پی جنکس و جوآن کاریولو
مجله انجمن شیمی آمریکا 1960، 82 (7)، 1778-1786
DOI: 1021/ja01492a058
یکی از اولین مقالاتی که “اثر آلفا” را توصیف می کند، افزایش هسته دوستی یک اتم به دلیل وجود یک اتم مجاور (آلفا) با الکترون های جفت تنها. - میزان جابجایی تولوئن-p- سولفونات نسبت به یون برمید. یک معیار مکانیکی جدید
اچ ام آر هافمن
جی. شیمی. Soc. 1965، 6753-6761
DOI: 10.1039/JR9650006753 - عوامل تعیین کننده واکنش های هسته دوست
جان او. ادواردز و رالف جی. پیرسون
مجله انجمن شیمی آمریکا 1962، 84 (1)، 16-24
DOI: 1021/ja00860a005
این مقاله دارای یک مقیاس هسته دوستی ابتدایی است که ترتیب HS است– > من– > CN– > برادر– > Cl– > HO– > اف– در حلال های پروتیک قطبی برای حمله به ROOR. این مقاله همچنین تفاوت بین را مورد بحث قرار می دهد هسته دوستی و اساسی بودن، یک منبع رایج سردرگمی برای دانش آموزان است. - واکنشپذیری شیمیایی و مفهوم واکنشهای کنترلشده با بار و مرز
ژیل کلوپمن
مجله انجمن شیمی آمریکا 1968، 90 (2)، 223-234
DOI: 1021/ja01004a002
جداول IX و X نیز از همان ترتیب هسته دوستی بر اساس محاسبات MO پشتیبانی می کنند. این مقاله منشأ “معادله کلوپمن” آشنا است که فعل و انفعالات پیوندی را شامل یک جزء بار و یک جزء همپوشانی مداری میداند. - آیا مقیاس های هسته دوستی عمومی وجود دارد؟
هربرت مایر و آرمین آر اوفیال
فیزیک سازمان شیمی. 2008، 21 (7-8)، 584-595
DOI: 10.1002/poc.1325
پروفسور هربرت مایر (LMU) کار فوق العاده ای در کمی سازی و توسعه مقیاس های هسته دوستی و الکتروفیلی انجام داده است. همانطور که پروفسور مایر در این مقاله توضیح می دهد، چالش ایجاد الکتروفیل های مرجع مناسب هنگام تلاش برای مقایسه هسته دوست های مشابه و بالعکس است. چندین تکنیک آزمایشی چالش برانگیز باید برای این کار به کار گرفته میشد، از جمله تکنیکهای جریان متوقف شده و تولید فتولیتیک فلاش لیزری از واسطههای واکنشی.