6.3 : Nucléophiles

Le mot “nucléophile” a une racine grecque et se traduit par “aimant le noyau”. Les nucléophiles sont des espèces chargées négativement ou neutres avec une paire d'électrons dans une orbitale moléculaire occupée à haute énergie (HOMO). Comme ces espèces ont tendance à donner des paires d’électrons, les nucléophiles sont également considérés comme des bases de Lewis. Les espèces chargées négativement, comme OH⁻, Cl⁻ ou HS⁻, avec une ou plusieurs paires d'électrons, sont généralement des nucléophiles. De même, les espèces neutres telles que l’ammoniac, les amines, l’eau et l’alcool ont des paires d’électrons non liantes et peuvent agir comme nucléophiles. De plus, les molécules sans doublet libre d’électrons peuvent toujours agir comme nucléophiles, comme les alcènes et les cycles aromatiques avec des orbitales π de liaison.

La puissance relative d'un nucléophile à déplacer un groupe partant dans une réaction de substitution est appelée nucléophile. Les espèces chargées négativement sont plus nucléophiles que leurs homologues neutres. En règle empirique, plus le pK_a d’un acide conjugué est élevé, meilleur est le nucléophile. Par exemple, l’ion hydroxyde – une base conjuguée de l’eau (pK_a 15,7) est un meilleur nucléophile que l’ion acétate – une base conjuguée de l’acide acétique (pK_a ~ 5).

Puisque la nucléophilie n’est pas une propriété inhérente attribuée à une espèce spécifique, elle est affectée par de nombreux facteurs, notamment le type de solvant dans lequel la réaction est réalisée. Dans les solvants protiques polaires, une solvatation élevée des anions réduit la disponibilité du nucléophile à participer aux réactions de substitution.

Lorsque l'on compare les halogénures, le fluorure, étant l'anion le plus petit et le plus électronégatif, est le plus solvaté, tandis que l'iodure, l'ion le plus gros et le moins électronégatif, est le moins solvaté. Ainsi, dans les solvants protiques polaires, l’iodure est le meilleur nucléophile. Cependant, dans les solvants polaires aprotiques, les anions sont “nus” en raison d’une mauvaise solvatation et peuvent participer librement à une attaque nucléophile. Dans les solvants polaires aprotiques, la basicité du nucléophile dicte sa nucléophilie, faisant du fluorure le meilleur nucléophile.

De plus, la polarisabilité des atomes affecte la nucléophilie. La polarisabilité décrit la facilité avec laquelle les électrons du nuage peuvent être déformés. Un nucléophile avec un gros atome a une plus grande polarisabilité, ce qui signifie qu'il peut donner une densité électronique plus élevée à l'électrophile par rapport à un petit atome, dont les électrons sont retenus plus étroitement.