Прилики и разлики между нуклеофилност и основност

В това видео искам да разграничим понятието за нуклеофилност или колко силен е един нуклеофил и понятието основност. В някакъв смисъл разликата изглежда малка, но всъщност е много голяма. Ще видиш защо е малко объркващо първия път, когато учиш за това. Когато изучавахме Sn2 реакциите, имахме нуклеофил, който имаше един свободен електрон. Той има отрицателен заряд. Може да бъде метилвъглерод. Ще го напиша. Може би имаш един водород, който е наколо. Зад него има един водород. Имаш водород отгоре. После имаш напускащата група точно тук. При Sn2 реакциите нуклеофилът ще отдаде този електрон на въглерода. Този въглерод има частично положителен заряд. Нека да го нарисувам. Напускащата група има частично отрицателен заряд, защото тя е по-електроотрицателна. Значи този електрон отива при този въглерод, точно когато въглеродът получава това, или едновременно, тази електроотрицателна група е способна напълно да отнеме този електрон от въглерода. И накрая изглежда ето така. Имаме нашия метилов въглерод, като водородът е отзад, има водород отпред и отгоре. Напускащата група си е отишла. Тук беше този електрон, но сега той присъедини и този лилав електрон, така че сега има отрицателен заряд, а нуклеофилът отдаде този електрон точно тук и сега е свързан с въглерода. Направих това, защото това действа като нуклеофил. То обича ядра. То отдава тези единични електрони, но също така действа и като Люисова основа. Малко преговор. Основа на Люис, което е доста по-общо, или предполагам се отнася за примери, в които това означава основа. Основа по Люис означава донор на електрони. Точно каквото се случва тук. Този нуклеофил отдава един електрон на този въглерод. Той действа като Люисова основа. Когато видиш това за пръв път, ти можеш да се запиташ защо изобщо химиците си правят целия този труд да дефинират нещо като нуклеофил. Защо просто не го нарекат основа? По какво се различават тези две понятия – нуклеофилност и основност? Разликата е в това, че нуклеофилността е кинетично понятие, което означава, че определя колко добре участва в реакциите, колко бързо реагира, колко допълнителна енергия е нужна, за да реагира? Когато нещо е силен нуклеофил, то реагира много добре. Това не ни казва нищо за стабилността на реактантите преди или след реакцията, а просто ни казва колко склонни са да реагират помежду си. Основността е термодинамична концепция. Тя ни казва колко стабилни са реактантите и продуктите. Тя ти казва колко склонно е нещо да реагира. Например да видим ситуацията с флуора. Да помислим за това. Всъщност трябва да кажа флуорида, флуоридът изглежда така. Седем електрона за флуора и после още един електрон. И получаваш флуорид. Флуоридът е определено основен. Той е по-основен от йодида. Но в протонен разтворител... ще го запиша тук. Но е по-малко нуклеофилен в протонен разтвор. Протонен разтвор, да припомня, има водородни протони наколо. И причината за това е, че флуоридът много иска да се свърже с въглерод или нещо друго, даже с водороден протон. Той иска да се свърже повече от йодидния анион. И ако го направи, връзката ще бъде по-здрава от тази, която би формирал йодидният анион, защото флуоридният анион е по-малко стабилен в този вид, отколкото йодида. Ако можем да отнемем протон или да отдадем неговия електрон, той ще бъде по-щастлив, но е по-малко нуклеофилен. Той не е толкова добър при реакции в протонен разтвор. Цялата причина да е по-малко нуклеофилен е, защото има други неща, които му пречат да реагира. Във видеото видяхме какво прави един нуклеофил силен, а в случая с флуорида, това е, че той е много малък атом. Той всъщност е много малък йон, така че е ограден много плътно. Електронният му облак е много плътен, и това позволява на водородите от водата да образуват плътен слой около него. Те всички имат частично положителен заряд, затова са привлечени от отрицателния анион. Те образуват плътен слой, който екранира флуоридния анион, което прави по-трудно за него да реагира в протонен разтвор, затова той не реагира толкова добре. Ако можеше да реагира, той всъщност щеше да образува по-здрава връзка от йодидния анион. Ето това е голямата разлика. При основността няма значение какъв е разтворителят. Това е термодинамична характеристика на молекулата, атома или аниона. Така че ако гледаш само основността, най-силната основа, която ще видиш... тук ще запиша само хидроксид. Това обикновено ще е нещо като натриев хидроксид или калиев хидроксид, но когато ги разтвориш в нещо като вода например, тогава натрият и хидроксидът се разделят и реално хидроксидът е този, който действа като основа, който иска да отдава електрони. Хидроксидът е много по-силна основа от флуорида, който е по-силна основа от хлорида, който е по-силна основа от бромида, който е по-силна основа от йодида. Сега, ако разглеждаш нуклеофилността, ще видиш разликата, видяхме вече, че разтворителят има значение, защото той повлиява на това как реагира дадено вещество. При нуклеофилността има разлика между протонен и апротонен разтворител. В протонен разтворител най-силна нуклеофилност показва йодидът, защото той не е оплетен в тези водородни връзки в такава голяма степен. Той няма плътна обвивка. Той има голям електронен облак, и някои хора смятат, че то е някак добродушен. Има тази способност за поляризация, когато този облак се измества по посока на въглерода и прави това, което трябва да направи. В този случай йодидът е по-добър нуклеофил, само да кажа, от хидроксида, който е по-добър нуклеофил от флуорида. В апротонен разтвор, където обаче взаимодействието с разтворителя няма такова значение, нещата се променят. В този случай важна е основността. В апротонен разтвор основността и нуклеофилността са свързани. Ще поставя звездичка, защото има още един аспект на нуклеофилността, за който още не съм говорил, но ще обясня след малко. В този случай хидроксидът е по-добър в реакциите от флуорида, който пък е по-добър от йодида. Причината и в двата случая хидроксидът да е... Имам предвид, че дори когато реагира с разтворителя, все още е много силен нуклеофил, защото ако се замислиш за хидроксида, а трябва доста да мислиш за него, той има единичен електрон. Ако се замислиш, можеш да си представиш водата, която отнема... Ще го нарисувам ето така. Можеш да си го представиш като водна молекула, от която си е тръгнал един протон, или където е отнет един електрон от един протон, така че имаш две несподелени електронни двойки и сега имаш и трета ето тук. Този кислород има един, два, три, четири, пет, шест, седем валентни електрони, един повече от нормалния кислороден атом, така че има отрицателен заряд. Той вече има един електрон повече, което му придава този отрицателен заряд, но кислородът е много по-електроотрицателен от водорода, така че той може да засегне и този приятел тук. Това е много основна молекула. Така че дори да е малко възпрепятстван от протонна среда като водата, той все още е по-добър нуклеофил от някой като флуорида. Ако махнеш разтворителя от картинката, това е супер силна основа. Той също така е и много, много силен нуклеофил. Последният аспект от нуклеофилността, спомни си, нуклеофилността показва колко добре реагира някой. Сега да си представим, че тук имаме нещо. Имаме две хидроксидни молекули, нали? Да кажем, че едната си е направо хидроксид. И да кажем, че тази тук има всякакъв вид неща към нея. Нека да е цялата тази голяма верига. Не знам какво е точно. Ако сравниш тези две молекули, ако трябва да отгатнеш коя от тях е по-силен нуклеофил, трябва просто да си спомниш: нуклеофилност означава колко добре реагира молекулата, колко добре се справя с протичането на реакцията. Това тук има тази голяма молекула наоколо. Това може доста да я затрудни, особено при обстоятелствата горе, може да е много трудно да дойде до тук. Говорихме за пространствено засенчване от гледна точка на въглерода, но не сме го разглеждали от гледна точка на нуклеофил. В този нуклеофил тук, може да е наистина трудно този екстра електрон тук да стигне до желаното ядро. Той е засенчен. В тази ситуация ще бъде много по-лесно, дори групата която реагира, този кислород, който има отрицателен заряд, този допълнителен електрон, в някакъв смисъл това е напълно еквивалентно. Но това тук е много по-малка молекула. Тя ще е по-малко засенчена, по-лесна за достигане. Значи това ще е по-силният нуклеофил. Ето защо не искам да съм категоричен, че в апротонен разтвор основност и нуклеофилност са напълно идентични, защото нуклеофилността зависи и от това допълнително условие за засенчване. Защото средата или част от самата молекула може да му попречи да реагира, макар и да е много силна основа. Ако то наистина образува връзка, тя ще е много силна. Важното е да запомниш, че това са две напълно различни понятия и затова има различни термини за всяко от тях. Нуклеофилността показва колко добре реагира съединението, без значение колко е здрава образуваната връзка. Основността е колко здрава е получената връзка. Колко склонно е да реагира, но без да отчита колко добре се справя със самия процес.