6.4 : Электрофилы

В этом уроке объясняются определение, классификация и характерные особенности электрофилов, которые являются ключевыми для реакций нуклеофильного замещения. Анализ их заряда и орбитального распределения помогает понять их способность к поиску электронов. Электрофилы можно разделить на положительные и нейтральные. Другие виды включают свободные радикалы и полярные функциональные группы.

В то время как положительный электрофил, такой как протон, реагирует из-за своей вакантной низкоэнергетической 1s-орбитали, другие положительные электрофилы, такие как карбокатионы, являются реакционноспособными из-за своей свободной p-орбитали.

С другой стороны, нейтральные электрофилы, аналогичные кислотам Льюиса, обладают пустыми p-орбиталями, которые могут принимать электроны от нуклеофила с образованием стабильных комплексов. Электрофильный центр зачастую образовывается в нейтральной молекуле за счет электроноакцепторного индуктивного эффекта в присутствии более электроотрицательного заместителя, присоединенного к молекулярной цепи. Это объясняет частичный положительный заряд атома углерода в карбонильной группе.

В контексте химической реакции необходима полная картина переноса электрона в этом процессе. Нуклеофил откладывает свои электроны на разрыхляющую π-орбиталь с более низкой энергией электрофила. Напротив, диполь σ-связи заставляет нуклеофильные электроны перемещаться на разрыхляющую σ-орбиталь с более низкой энергией, что приводит к разрыву связи. Эти явления часто объясняют на примерах карбонильных групп и HCl. Обычно нижние занятые молекулярные орбитали (НСМО) в органических электрофилах представляют собой разрыхляющие орбитали с низкой энергией, поскольку они связаны с электроотрицательными атомами. Это либо π*-орбитали, либо σ*-орбитали.

Некоторые молекулы, например галогены, также являются хорошими электрофилами. Здесь, несмотря на отсутствие диполя, плохое перекрытие пятиатомных орбиталей двух галогенидов ослабляет связь, делая ее более склонной к атаке нуклеофила. Это приводит к другой классификации сильных и слабых электрофилов, которая будет рассмотрена в последующих уроках. Обычно молекулы с одинарной или двойной связью, связанной с электроотрицательным атомом, например O, N, Cl или Br, являются хорошими электрофилами.