Podział reakcji chemicznych w chemii organicznej opiera się na mechanizmie, wg którego dana reakcja zachodzi. W przypadku reakcji wieloetapowych, o mechanizmie decyduje ten zachodzący najwolniej. Z tego powodu istotne jest rozpoznawanie czynników, które atakują substraty z wytworzeniem nietrwałego stanu przejściowego.

Reakcje w chemii organicznej są klasyfikowane na podstawie czynnika atakującego substrat. Można wyróżnić rodniki (posiadają niesparowany elektron). Mogą one atakować niepolarne fragmenty cząsteczki.

Spośród czynników, działających na polarne fragmenty cząsteczki, można wyróżnić:

• nukleofile – atakują dodatnio spolaryzowane fragmenty;

• elektrofile – atakują ujemnie spolaryzowane fragmenty.

R1G3EeG6uDque

Ilustracja przedstawiająca przykładowe nukleofile. Pierwszy to anion chlorkowy ${\text{Cl}}^{-}$. Drugi stanowi anion bromkowy ${\text{Br}}^{-}$. Trzeci to anion jodkowy ${\text{I}}^{-}$. Kolejny stanowi anion cyjankowy ${\text{CN}}^{-}$. Następny jon hydroksylowy ${\text{OH}}^{-}$. Dalej ${\text{SH}}^{-}$. Ostatni nukleofil stanowi anion karboksylanowy zbudowany z podstawnika R połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z atomem tlenu obdarzonym ładunkiem ujemnym.

Oprócz reaktywnych rodników, czyli atomów bądź fragmentów cząsteczek, które posiadają niesparowany elektron i mogą inicjować reakcje chemiczne w wielu miejscach cząsteczki substratu, w chemii organicznej występują także czynniki inicjujące reakcje o charakterze jonowym – nukleofile i elektrofile.

Jeśli atom węgla tworzy wiązanie z atomem o większej elektroujemności, wówczas pojawiający się na atomie węgla cząstkowy ładunek dodatni powoduje podatność na atak nukleofilanukleofilnukleofila.

Określenie „nukleofil” dotyczy cząsteczki lub jonu, dysponującego wolną parą elektronową, która może atakować dodatnio spolaryzowany atom węgla (określany jako centrum elektrofilowe), tworząc tym samym z nią wiązanie. Ze względu na fakt, że w tym procesie następuje przekazanie wolnej pary elektronowej od nukleofila do elektrofilowego atomu węgla, można określić taki proces jako reakcja kwasowo‑zasadowa w ujęciu teorii Lewisa.

R8Gp8bP5BnenA

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji. Donor pary elektronowej, czyli zasada Lewisa ${\text{Nu}}^{-}$ z zaznaczoną w postaci dwóch kropek wolną parą elektronową. Dodać akceptor pary elektronowej, to jest kwas Lewisa <math aria‑label="C wiązanie pojedyncze X">C—X. Strzałka w prawo, za strzałką produkty <math aria‑label="C wiązanie pojedyncze N u">C—Nu, dodać anion ${\text{X}}^{-}$.

W przypadku fragmentów, które zawierają dużą gęstość elektronową – np. wiązania wielokrotne lub pierścienie aromatyczne – czynnikami powodującymi zachodzenie reakcji chemicznych są elektrofile.

Charakter nukleofilowy określa się jako nukleofilowość. W ujeciu teorii Lewisa jest to wielkość związana z mocą zasady.

Dla cząsteczek/jonów, o analogicznej budowie, rośnie wraz ze wzrostem ładunku ujemnego.

Nukleofilowość rośnie wraz ze wzrostem charakteru zasadowego.

Słownik

substytucja nukleofilowa SIndeks dolny N_N1

substytucja nukleofilowa SIndeks dolny N_N1

reakcja substytucji, zachodząca z udziałem nukleofila; w trakcie tej reakcji następuje najpierw odłączenie wymienianej grupy i utworzenie przejściowego karbokationu, który zawiera trójwiązalny atom węgla, obdarzony ładunkiem dodatnim, a kolejnym etapem jest przyłączenie nukleofila, prowadzące do utworzenia końcowego produktu

RYAFyTzNmlpMc

Ilustracja przedstawiająca kolejne etapy mechanizmu substytucji S N jeden. Cząsteczka halogenku alkilowego zbudowanego z atomu węgla połączonego za pomocą wiązań pojedynczych z grupami ${\text{R}}_1$, ${\text{R}}_2$ oraz ${\text{R}}_3$, a także z atomem halogenkowym X oznaczonym kolorem czerwonym. Od wiązania łączącego atom węgla C z atomem X poprowadzono czerwoną strzałkę do atomu X. Strzałki równowagowe. Powstaje karbokation zbudowany z atomu węgla obdarzonego ładunkiem dodatnim i podstawionego trzema grupami ${\text{R}}_1$, ${\text{R}}_2$ oraz ${\text{R}}_3$. Dodać anion X indeks górny minus koniec indeksu. Dodać cząsteczkę wody zaznaczoną na niebiesko, w której przedstawiono dwie wolne pary elektronowe zlokalizowane na atomie tlenu. Od jednej z dwóch wolnych par elektronowych została poprowadzona łukowata niebieska strzałka do atomu węgla obdarzonego ładunkiem dodatnim. Strzałki równowagowe. Powstała struktura zbudowana jest z atomu węgla połączonego za pomocą wiązań pojedynczych z grupami ${\text{R}}_1$, ${\text{R}}_2$ oraz ${\text{R}}_3$, a także z atomem tlenu obdarzonym ładunkiem dodatnim i związanym z dwoma atomami wodoru. Dodać cząsteczkę wody zaznaczoną na niebiesko. Od jednej z dwóch wolnych par elektronowych zlokalizowanych na atomie tlenu cząsteczki wody została poprowadzona łukowata strzałka do atomu wodoru połączonego z atomem tlenu obdarzonym ładunkiem dodatnim. Druga łukowata strzałka została poprowadzona od wiązania łączącego wspomniany atom wodoru z atomem tlenu obdarzonym ładunkiem dodatnim do tegoż atomu tlenu obdarzonego ładunkiem dodatnim. Strzałka w prawo. Produkty reakcji. Cząsteczka alkoholu zbudowanego z atomu węgla związanego za pomocą wiązań pojedynczych z grupami ${\text{R}}_1$, ${\text{R}}_2$ oraz ${\text{R}}_3$, a także z grupą hydroksylową $\text{OH}$ zaznaczoną na niebiesko. Dodać zaznaczony również na niebiesko jon hydroniowy ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$.

substytucja nukleofilowa SIndeks dolny N_N2

substytucja nukleofilowa SIndeks dolny N_N2

reakcja substytucji zachodząca z udziałem nukleofila; w trakcie tej reakcji pojawia się oddziaływanie elektrofilowego atomu węgla z przychodzącym nukleofilem, połączone z osłabianiem wiązania węgiel‑grupa opuszczająca; w odróżnieniu od reakcji SIndeks dolny N_N1, stan przejściowy jest charakteryzowany przez obecność atomu węgla, otoczonego przez pięć atomów sąsiadujących z nim: trzy, do których tworzy wiązania, oraz dwa częściowo związane; kolejnym etapem jest osłabienie wiązania między elektrofilowym atomem węgla a grupą opuszczającą, połączone ze stabilizacją wiązania pomiędzy elektrofilowym atomem węgla a przychodzącym nukleofilem

RH1jK9kFx3dCc

Ilustracja przedstawiająca kolejne etapy mechanizmu substytucji S N dwa. Cząsteczka halogenku alkilowego zbudowanego z atomu węgla połączonego z trzema podstawnikami: ${\text{R}}_1$, ${\text{R}}_2$ oraz ${\text{R}}_3$, a także z jednym atomem X zaznaczonym na czerwono. Dodać zaznaczony na niebiesko nukleofil N u z wolną parą elektronową reprezentowaną przez dwie kropki oraz z ładunkiem ujemnym oznaczonym przez minus. Od wolnej pary elektronowej N u poprowadzona jest niebieska, łukowata strzałka do atomu węgla C od strony przeciwnej do atomu X. Druga czerwona strzałka prowadzi od wiązania pomiędzy atomem węgla i atomem X do atomu X. Strzałka w prawo. Powstaje struktura reprezentująca stan przejściowy zbudowany z atomu węgla C połączonego za pomocą wiązań pojedynczych z trzema podstawnikami ${\text{R}}_1$, ${\text{R}}_2$ oraz ${\text{R}}_3$, które to wraz z atomem węgla znajdują się w jednej płaszczyźnie. Ponadto atom węgla łączy się za pomocą przerywanej linii z nukleofilem znajdującym się po jednej stronie wspomnianej płaszczyzny oraz z atomem X znajdującym się po przeciwnej stronie tejże płaszczyzny. Struktura znajduje się w nawiasie kwadratowym, względem którego w indeksie górnym zaznaczono ładunek ujemny znakiem minus. Strzałka w prawo, produkty reakcji. Cząsteczkę tworzy atom węgla połączony za pomocą wiązań pojedynczych z trzema grupami : ${\text{R}}_1$, ${\text{R}}_2$ oraz ${\text{R}}_3$, a także z grupą N u. Dodać anion ${\text{X}}^{-}$.

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek  M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

McMurry J., Chemia Organiczna, Warszawa 2003.