6.4 : Elektrofile

Recall that in a nucleophilic substitution reaction, a nucleophile donates its electrons to an electrophile.

Electrophiles are electron-seeking reagents — either neutral or positively charged — containing an empty atomic orbital or a low-energy antibonding orbital.

A positive electrophile, like the proton — with a vacant, low-energy 1s orbital — is very reactive. Consequently, a nucleophile like the hydroxide ion attacks the proton, neutralizing the charge and forming water.

Another positive electrophile — the carbocation — has a vacant p orbital, making it reactive towards a nucleophilic attack.

A neutral electrophile, like the Lewis acid boron trifluoride, has an empty p orbital that can accept electrons from the nucleophile, thus forming a bond and resulting in a stable complex.

In a neutral molecule like chlorobutane, the electrophilic center results from the electron-withdrawing inductive effect of the more electronegative substituent attached to the molecular chain.

In an organic electrophile with a double-bonded electronegative atom — like the carbonyl group — the C=O bond dipole renders a partial positive charge to the carbon atom.

In a reaction, the nucleophile deposits its electrons into the lower energy antibonding π orbital of the electrophile. As a result, the C–O π bond breaks, and the electrons move on to the oxygen atom.

In an electrophile, like HCl, which consists of a single-bonded electronegative atom, the dipole of the σ bond forces the nucleophilic electrons to move into the lower energy HCl antibonding σ orbital, and thus breaks the bond.

Molecules like halogens, with σ bonds and no dipoles, also make good electrophiles. In bromine, for example, poor overlaps between the atomic orbitals of bromine atoms result in a weak Br–Br bond.

Thus, a nucleophile attacks the lower energy σ antibonding orbital, breaking the Br–Br bond and making a new bond.

W tej lekcji wyjaśniono definicję, klasyfikację i charakterystyczne cechy elektrofila, które są kluczowymi cechami reakcji podstawienia nukleofilowego. Analiza ich ładunku i obrazu orbity pomaga zrozumieć ich reaktywność w poszukiwaniu elektronów. Elektrofile można podzielić na dodatnie i obojętne. Inne klasy obejmują wolne rodniki i polarne grupy funkcyjne.

Podczas gdy dodatni elektrofil, taki jak proton, reaguje ze względu na swój wolny orbital 1s o niskiej energii, inne dodatnie elektrofile, takie jak karbokationy, są reaktywne ze względu na swój wolny orbital p.

Z drugiej strony obojętne elektrofile, analogiczne do kwasów Lewisa, posiadają puste orbitale p, które mogą przyjmować elektrony od nukleofila w celu wytworzenia stabilnych kompleksów. Centrum elektrofilowe często może powstać w cząsteczce obojętnej w wyniku efektu indukcyjnego odciągającego elektrony w obecności bardziej elektroujemnego podstawnika przyłączonego do łańcucha molekularnego. Wyjaśnia to częściowy ładunek dodatni na atomie węgla w grupie karbonylowej.

W kontekście reakcji chemicznej niezbędny jest kompleksowy obraz przenoszenia elektronów w tym procesie. Nukleofil umieszcza swoje elektrony na niżej energetycznym, antywiążącym orbitalu π elektrofila. W przeciwieństwie do tego, dipol wiązania σ zmusza elektrony nukleofilowe do przejścia na orbital antywiążący σ o niższej energii, co powoduje zerwanie wiązania. Zjawiska te często wyjaśnia się na przykładach grup karbonylowych i HCl. Zazwyczaj najniższe zajęte orbitale molekularne (LUMO) w organicznych elektrofilach to orbitale antywiążące o niskiej energii, ponieważ są związane z atomami elektroujemnymi. Tak się składa, że są to orbitale π* lub orbitale σ*.

Niektóre cząsteczki, takie jak halogeny, również są dobrymi elektrofilami. Tutaj, pomimo braku dipola, słabe nakładanie się orbitali atomowych dwóch halogenków osłabia wiązanie, czyniąc je bardziej podatnym na atak nukleofilowy. Prowadzi to do innej klasyfikacji silnych i słabych elektrofilów, omówionej w późniejszych lekcjach. Zwykle cząsteczki z pojedynczym lub podwójnym wiązaniem połączone z atomem elektroujemnym, takim jak O, N, Cl lub Br, tworzą dobre elektrofile.

Tagi

Electrophiles Nucleophilic Substitution Reactions Charge Orbital Picture Reactivity Positive Electrophiles Neutral Electrophiles Free Radicals Polar Functional Groups Lewis Acids Electron Transfer Antibonding Orbitals Dipole Bond Breaking

6.4 : Elektrofile

Tagi

PLAYLIST