Нуклеофилност (сила на нуклеофилност)

В това видео ще говорим за нуклеофилност. Това е колко силен е даден нуклеофил. Или направо да дам определението: способността на един атом/йон/молекула да действа като нуклеофил, или да отдава електрони и да се свързва с ядра или нещо друго. Ще го оставя като ядра (nucleus). Използвам ядра (nucleus), защото това обяснява корена на думата нуклеофил. Привлечен е от ядра, особено положителните, и може да им отдава електрони. Значи на първо място, ако искаш да разпознаеш един добър нуклеофил, той трябва да има електрони, които да може да отдаде. Най-често електрони за отдаване имат отрицателните йони или аниноните, така че в много голяма степен, нещо като флуориден анион. Обикновено флуорът има седем валентни електрона: един, два, три, четири, пет, шест, седем, и също така е електроотрицателен, той може да придърпа още един електрон от някой друг и да стане флуориден анион. Става флуориден анион с отрицателен заряд. Това се отнася за всички халидни йони. Важи и за хлора, който става хлорид. Бромът става бромид, а йодът става йодиден анион. Ще напиша за йода тук. Йод, отново, това е халоген. Той има седем валентни електрона. Той има много, много повече електрони от флуора, но ако погледнем валентния му слой, там има седем електрона. И естествено той също е електроотрицателен, макар и не колкото флуора. Спомни си, че силата се увеличава от долу вляво до горе вдясно. Значи флуорът е изключително електроотрицателен, но и йодът е доста електроотрицателен. Той е халоген, затова може да отнеме електрон от някой друг и да стане йодиден анион. Принципно, нещата с излишни електрони, несподелени електронни двойки, и особено с отрицателен заряд, са много добри нуклеофили. Друг пример, който не е халоген, е хидроксидният анион, ОН. Това е пример за нуклеофил, който е молекула. Водата по принцип изглежда ето така. Принципно това е просто неутрална вода, където кислородът има две несподелени електронни двойки. Кислородът е много електроотрицателен. Той вече един вид е придърпал електроните от един от водородните атоми, и в някакъв момент може просто да ги вземе изцяло и да стане хидроксиден анион. Тогава ще изглежда така. Имаме двете първоначални несподелени електронни двойки, и после имаме тази двойка, която той ще отнеме. Той вече има този електрон. Той го е привлякъв от водорода, така че сега има още два електрона. Ще ги означа цветово, за да виждаш какво взема. Взима този електрон от водорода и сега има отрицателен заряд. Това също е много силен нуклеофил. И имаш твоя водород тук. Той е загубил своя единствен електрон. Има само протон в ядрото си. Винаги, когато видиш Н+, това е само един протон. Няма нищо друго в този водород. А това тук е хидроксиден йон. Това са много силни нуклеофили, тъй като имат какво да споделят. Те имат излишен заряд. Сега искам да сравним тези: кой смяташ, че ще бъде по-силен и кое по-слаб нуклеофил? Тук става малко по-нюансирано. За да отговорим, трябва да видим какво се случва при протонен и апротонен разтворител. Ще го запиша. Ще започна с протонния разтворител. Ще направя две колони, протонен и апротонен разтворител. Това са сложни думи, но означават нещо супер просто. Протонният разтворител има водород, който може да бъде отдаден или има свободни протони, които плуват наоколо. Пример за протонен разтворител е водата или всеки алкохол. Водата е най-простият пример или поне най-разпространеният. Причината да имаш протони, които плуват наоколо, е точно тази реакция, която съм показал тук. В един или друг момент се образува хидроксиден анион. Дори, още по-вероятно, водата отнема водороден атом от друга водна молекула. Една водна молекула отнема водород от друга водна молекула и става хидрониев йон, където не е задължително да има протон, но задължително има кислород. Да кажем, че имаш вода, и един от тези електрони ще бъде отдаден на някой протон, който плува наоколо, ще изглежда ето така. Той има положителен заряд и е на разположение. Можеш да си го представиш почти, че плува наоколо, защото този кислород наистина иска да си вземе електрона. Значи протонен разтворител е водата. Във водата има някакво количество хидроксид, малко протони и малко хидроний. Всичко това е в нея, но важното е, че има протони, които могат да реагират с други неща. Сега ще почистя, за да имам свободно място. Ще запиша тук вода. Водата е протонен разтворител. Чакай... Дали това винаги е вярно? Изглежда, че навсякъде има водороди. Не винаги това е вярно. Сега ще ти покажа един апротонен разтворител. Диетиловият етер изглежда ето така. Знаеш как се именува, това е етер, защото има кислород, и е диетил, защото има две етилови групи. Това е една етилова група и това е втората етилова група. Това е диетилов етер. И може да кажеш: тук също има водороди навсякъде наоколо. Може би те могат да бъдат отдадени. Но не, тези водороди са свързани с въглерод, а въглеродът изобщо не е така електроотрицателен като кислорода. Въглеродът не би отмъкнал електроните на тези водороди, така че те да си тръгнат. Ако бяха свързани с кислород, това щеше да е възможно. При водата имаш Н–О–Н. При алкохолите имаш някаква въглеродна верига, свързана с кислород, който след това е свързан с водород. И в двата случая, и във водата, и в алкохола, имаш тези водороди, чийто електрон може да е отмъкнат от кислорода, защото той е много електроотрицателен, и тогава водородите плуват наоколо. Това е само сравнение на протонни и апротонни разтворители. В протонния разтворител... това е общото правило: ако един нуклеофил реагира с разтворителя, той е слаб нуклеофил. Обмисли това. Ако реагира с разтворителя, тогава няма да може да направи това. Няма да може да отдаде електроните си на когото трябва, това, което виждаме в реакциите от типа Sn2. При един протонен разтворител имаме наистина много електроотрицателни атоми, и наистина малки, като флуоридния анион... ще нарисувам един флуориден анион. Това, което ще се случи при един протонен разтворител, е, че ще бъде блокиран от водородни връзки. Това е много електроотрицателно, нали? Има отрицателен заряд. И е плътно опакован. Както виждаш тук, неговите електрони са много близо. Това е много по-малък атом, в този случай йон. Ако погледнем йодида, той има 53 електрона, това са много орбитали. По-точно йодидът ще има 54. Колкото йода плюс едно. Флуоридът има 10 електрона, девет от флуора, плюс един, който е присъединил, това е много по-малък атом. Така че, когато наоколо има вода, да кажем, че имаме нещо, подобно на водата. Това има отрицателен заряд. Молекулата на водата е полярна. Всъщност и двете са полярни, така че ще запиша полярни и за двете. Това е полярен протонен разтворител. Това е полярен апротонен разтворител. В този случай водата е все още по-електроотрицателна от въглерода, така че все още има частичен отрицателен заряд. Тези части са все още частично електроотрицателни. Водата все още има частичен отрицателен заряд. Водородът има частичен положителен заряд, така че той ще бъде привлечен от флуора. Това ще се случи навсякъде около флуора. И ако тези водни молекули са привлечени от флуора, при което се образува един вид плътна обвивка около него, която пречи на флуора да реагира. Затова той е по-слаб нуклеофил от йода например, или хидроксида, в един полярен протонен разтворител. Хидроксидът има същия проблем. Той все още образува водородни връзки, но ако го сравниш с йодида, вторият е много по-голям. Мога да го нарисувам ето така. Ще представя валентния му слой ето така. Той е много по-голям. И има всички тези електрони тук. И все пак образува водородни връзки с водата. Той формира водородни връзки с водородния край на водната молекула, защото той е частично положителен, но не е така плътно опакован. И освен това йодидът е много по-поляризируем, което означава, че неговият електронен облак е толкова голям, че валентните му електрони са много далеч от ядрото и могат да се повлияват от неща и са по-склонни да влизат в реакции. Да кажем, че йодидът се приближава до въглерода, който има частично положителен заряд. Да кажем, че въглеродът е свързан с бром и после е свързан с три водорода. Знаем, че тук ще има частично отрицателен заряд. Това е по-електроотрицателно от въглерода, който ще има частично положителен заряд. Когато това голямо момче тук с тези наистина отдалечени електрони се приближи до тук, голяма част от електронния облак ще бъде привлечена от частично положителния заряд. Той ще се изкриви малко и затова е по-склонен да реагира в среда на полярен протонен разтворител. Флуоридът от друга страна е много плътно опакован, блокиран е от водородни връзки. Той е по-малко вероятно да реагира. Ако погледнем периодичната таблица, ако разгледаме само халогените в полярен протонен разтворител, халидите... Те са йонният вариант на халогените. Йодидът ще бъде най-силния нуклеофил. Флуоридът ще бъде най-слабият. Затова в полярен протонен разтворител... нека да го запиша... имаме ситуация, в която йодидът е най-силният нуклеофил, следван от бромида, после от хлорида и накрая от флуорида. Точно обратното се случва в апротонен разтворител. В апротонен разтворител, флуоридът... флуорът е много по-електроотрицателен. Флуоридът е по-основен. Той ще бъде по-стабилен, ако може да образува връзка, отколкото йодидът. Йодидът е доста стабилен. Ако разгледаш йодоводорода, това е наистина много киселинна молекула. Самият йодид, спрегнатата основа на йодоводорода, е много слаба основа. Когато имаш апротонен разтворител, тогава отиваш по посока на основност. В следващото видео ще видим, че всъщност основността и нуклеофилността са свързани, но не са едно и също. Ще го разгледаме. Когато имаш апротонен разтворител, тогава не протича чак така реакция със самия разтворител. В тази ситуация флуоридът е наистина най-силният нуклеофил, следван от хлорида, после от бромида и накрая от йодида. Тук се движиш по посока на основността. Това е най-силният, а това е най-слабият в апротонен разтворител. Ако това беше протонен разтворител, това се обръща наобратно. Това става най-силно, а това става най-слабо.