Czynnik elektrofilowy (elektrofil) to indywiduum chemiczne, które „lubi elektrony”. Zawiera w swojej strukturze atom posiadający deficyt elektronów. To pozwala mu tworzyć wiązanie poprzez przyjęcie (akceptację) pary elektronów pochodzących od donoradonordonora. Czynnik elektrofilowy to kation lub silnie polarna cząsteczka z niedomiarem elektronów.

Atomy z cząstkowym ładunkiem dodatnim w cząsteczkach z wiązaniami kowalencyjnymi silnie spolaryzowanymi

Do pierwiastków, posiadających wyższą wartość elektroujemności niż węgiel, należą: fluor, brom, tlen i azot. W związku z tym, atom węgla, połączony wiązaniem chemicznym z jednym z tych elektroujemnych pierwiastków, posiada cząstkowy ładunekcząstkowy ładunekcząstkowy ładunek dodatni (${\delta }^{+}$), natomiast atom elektroujemny obarczony jest cząstkowym ładunkiem ujemnym (${\delta }^{-}$). W związkach metaloorganicznychzwiązki metaloogranicznezwiązkach metaloorganicznych sytuacja wygląda odwrotnie: atom węgla posiada cząstkowy ładunek ujemny, natomiast atom metalu – cząstkowy ładunek dodatni.

Atomy z cząstkowym ładunkiem dodatnim w cząsteczkach, w których doszło do polaryzacji wiązania

Kiedy pole elektryczne wokół cząsteczki zmieni się pod wpływem oddziaływania z rozpuszczalnikiem lub cząsteczkami polarnymi, rozkład chmury elektronowej, występujący wokół atomów tworzących cząsteczkę, także ulegnie zmianie. W wyniku tego dojdzie do polaryzacji wiązania i powstaną cząstkowe ładunki dodatnie i ujemne na atomach tworzących cząsteczkę. Przykładem są cząsteczki fluorowców, w których następuje polaryzacja wiązania pod wpływem np. pary elektronowej z wiązania podwójnego w alkenach.

R1867yufSKgOe

Rysunek przedstawiający dwie struktury. Pierwsza to cząsteczka bromu ${\text{Br}}_2$, we wzorze uwzględniono trzy wolne pary elektronowe symbolizowane przez sześć kropek, trzy razy dwa elektrony, na każdym atomie bromu oraz wspólną parę elektronową pomiędzy atomami. Na pierwszym atomie bromu zaznaczono cząstkowy ładunek dodatni delta plus, zaś na drugim delta minus. Druga cząsteczka chloru ${\text{Cl}}_2$, we wzorze również uwzględniono trzy wolne pary elektronowe symbolizowane przez sześć kropek, trzy razy dwa elektrony, na każdym atomie chloru oraz wspólną parę elektronową pomiędzy atomami. Na pierwszym atomie chloru zaznaczono cząstkowy ładunek dodatni delta plus, zaś na drugim delta minus.

1. Cząsteczki, zawierające w swojej budowie atomy z deficytem elektronów, nie posiadają oktetu elektronowego:

• ${\text{AlCl}}_3$;

• ${\text{BF}}_3$.

2. Kationy:

• ${\text{Br}}^{+}$;

• ${\text{Cl}}^{+}$;

• ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$;

• ${{\text{NO}}_2}^{+}$;

• ${{\text{HSO}}_3}^{+}$;

• KarbokationykarbokationKarbokationy: ${\mathrm{R}}^{+}$, np. ${\text{H}}_3\text{C}-{\text{HC}}^{+}-{\text{CH}}_3$;

• Kationy acyliowe;kation acyliowyKationy acyliowe;

Kationy acyliowe występują w dwóch formach rezonansowychformy rezonansoweformach rezonansowych, np:

• ${\text{R}}^{+}{\text{NH}}_2$, np. ${\text{H}}_3\text{C}-{\text{NH}}_2$.

Spójrzmy na reakcję cząsteczki bromu z cyklopentenem. Teoretycznie możemy zapisać wzory półstrukturalne dwóch izomerów geometrycznych cis-trans. Jeden z produktów posiada dwa atomu bromu po tej samej stronie pierścienia i jest izomerem cis. Drugi z produktów posiada dwa atomy bromu po przeciwnych stronach pierścienia i stanowi izomer trans. Doświadczenie chemiczne wykazało, że jedynym produktem jest izomer trans-$1$,$2$-dibromocyklopentanu, natomiast izomer cis nie powstaje wcale.

R1X7evPP6lQLH

Schemat reakcji addycji elektrofilowej. Cząsteczka cyklopentenu, dodać cząsteczka bromu ${\text{Br}}_2$. Strzałka do góry po skosie produkt anti‑addycji, trans-$1$,$2$-dibromocyklopentan. Przekreślona strzałka do dołu po skosie produkt syn‑addycji, cis-$1$,$2$-dibromocyklopentan.

Ciekawostka

Gdy dwa atomy przyłączają się po przeciwnych stronach podwójnego wiązania, mówimy o stereochemii anti reakcji addycji. W przeciwnym przypadku, czyli kiedy dwa atomy przyłączają się po tej samej stronie wiązania, mówimy o stereochemii syn.

RAsm6nxWOclDQ

Ilustracja przedstawia podział reakcji addycji ze względu na stereochemię na anti addycje oraz syn addycje.

Czy w innych przypadkach addycji cząsteczki bromu do alkenu również powstaje jedynie produkt o stereochemii anti?

R11ldMrq2dt1t

Schemat reakcji addycji elektrofilowej bromu do $2$,$3$-metylobut-$2$-enu. Cząsteczka $2$,$3$-diemtylobut-$2$-enu, dodać, cząsteczka bromu. Strzałka do góry po skosie, produkt anti‑addycji trans-$2$,$3$-dibromo-$2$,$3$-dimetylobutan. Przekreślona strzałka po skosie, produkt syn‑addycji, cis-$2$,$3$-dibromo-$2$,$3$-dimetylobutan.

Dokładnie tak samo! Atomy bromu przyłączają się po przeciwnych stronach wiązania podwójnego. Dlaczego tak się dzieje? Wyjaśnienie mechanizmu addycji elektrofilowej cząsteczki bromu do alkenu przedstawili w $1937$ roku George Kimball i Irving Roberts, a zapoznasz się z nim w grafice interaktywnej w Poleceniu 1.

Słownik

Bibliografia

Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 2, Warszawa 2016.

McMurry J., Chemia organiczna, tłum. Henryk Koroniak i in., t. 1, Warszawa 2018.