🧭 נוקלאופילים, אלקטרופילים, קבוצות עוזבות ובסיסים
כללי אצבע לזיהוי חוזק/חולשה, ובאילו תגובות כל אחד משתתף - כלי עזר חוצה-נושאים
קבוצה עוזבת (Leaving Group) - טובה מול גרועה
קבוצה עוזבת היא האטום/הקבוצה שעוזבים עם זוג האלקטרונים של הקשר שנשבר. ככל שהבסיס המצומד שלה חלש (=יציב) יותר - היא קבוצה פורשת טובה יותר, כי היא 'שמחה' לשאת מטען שלילי/לעזוב בלי להיאבק על האלקטרונים בחזרה.
כלל אצבע מהיר: אם החומצה המצומדת () חזקה - הוא קבוצה פורשת טובה. , , הן חומצות חזקות ⇐ , , קבוצות פורשות טובות ( פחות טובה, חומצה חלשה יחסית). לעומת זאת , , הם בסיסים חזקים מאוד (המצומדים לחומצות חלשות/כמעט לא חומציות) ולכן קבוצות פורשות גרועות מאוד - כמעט אף פעם לא עוזבות ישירות.
- טובות מאוד: > > , טוסילט (), מסילט (), מים (, אחרי פרוטונציה של אלכוהול).
- גרועות (כמעט אף פעם לא עוזבות בלי 'עזרה'): , , (אלקוקסיד), - אלא אם מפעילים עליהן טריק: פרוטונציה (), הפיכה לטוסילט/מסילט, או שימוש בריאגנט כמו /.
- (הידריד) ו- (קרבניון) הם קבוצות פורשות גרועות באופן קיצוני - כמעט לעולם לא עוזבים כאניון חופשי בתנאים רגילים.
- SN1/E1 - הקבוצה העוזבת עוזבת בשלב הראשון והאיטי (קובע קצב!) - קבוצה עוזבת טובה = תגובה מהירה יותר.
- SN2/E2 - הקבוצה העוזבת עוזבת באותו הרגע שהנוקלאופיל/בסיס תוקף - גם כאן קבוצה עוזבת טובה מאיצה משמעותית.
- נגזרות חומצה קרבוקסילית (תוספת-אלימינציה) - סדר הריאקטיביות של הנגזרות (כלוריד>אנהידריד>אסטר>אמיד) נקבע *ישירות* לפי איכות הקבוצה העוזבת ( מול מול מול ).
נוקלאופיל - חזק מול חלש
נוקלאופיל הוא זן עשיר אלקטרונים (זוג בודד או קשר π) שתוקף מרכז אלקטרופילי. עוצמת הנוקלאופיל נמדדת בקצב (קינטיקה) - כמה מהר הוא תוקף - ולא בהכרח בכמה הוא בסיס חזק (תרמודינמיקה).
גורמים המשפיעים: מטען (אניון > מולקולה נייטרלית עם אותו אטום), פולריזביליות (אטום גדול ורך כמו /S מתפזר טוב סביב האלקטרופיל גם אם הוא בסיס חלש יחסית), סטריות (קבוצה גדולה מעכבת גישה - נוקלאופיל 'מגושם' חלש יותר גם אם הוא בסיס חזק), וממס (ממס פרוטי 'עוטף' ומחליש נוקלאופילים קטנים וקשים בקשרי מימן; ממס אפרוטי משאיר אותם חופשיים וחזקים).
- באותה שורה בטבלה המחזורית: הבסיסיות והנוקלאופיליות מתואמות בד״כ (יותר בסיסי = יותר נוקלאופילי).
- באותה עמודה, בממס פרוטי: נוקלאופיליות עולה עם הגודל (>>>) כי פולריזביליות מנצחת; בממס אפרוטי הסדר מתהפך בחלקו כי אין solvation שמסתיר את הבסיסיות ( יכול להיות הכי נוקלאופילי שם).
- גופרית וזרחן נוקלאופילים מצוינים למרות בסיסיות נמוכה יחסית - פולריזביליות גבוהה של אטומים 'רכים'.
- בסיס גדול ומסועף (כמו טרט-בוטוקסיד) הוא נוקלאופיל *חלש* (סטריקה חוסמת גישה לפחמן) אבל בסיס *חזק* - בדיוק הפרדה בין שתי התכונות.
- SN2 - חובה נוקלאופיל חזק/מהיר, כי הוא משתתף בשלב הקובע-קצב (Rate = k[substrate][Nu⁻]).
- SN1 - עוצמת הנוקלאופיל לא משנה את הקצב כלל! הוא תוקף רק בשלב השני המהיר, אחרי שהקרבוקטיון כבר נוצר.
- תוספת נוקלאופילית לקרבוניל (אלדהיד/קטון) ותוספת-אלימינציה (נגזרות חומצה) - נוקלאופיל טוב מאיץ את שלב ההתקפה הראשוני.
אלקטרופיל - חזק מול חלש
אלקטרופיל הוא מרכז דל-אלקטרונים (לרוב פחמן) שמקבל זוג אלקטרונים מנוקלאופיל. עוצמתו כאלקטרופיל תלויה במידת העניות האלקטרונית שלו: קבוצות מושכות אלקטרונים (EWG) סמוכות מגבירות אלקטרופיליות; קבוצות תורמות (EDG) מנטרלות.
בקרבוניל (): כלוריד חומצי הכי אלקטרופילי (Cl מושך אלקטרונים ולא תורם resonance), ואילו אמיד הכי פחות אלקטרופילי (זוג האלקטרונים של החנקן נתרם ל-resonance עם הקרבוניל ומקטין את המטען החיובי החלקי על הפחמן). קרבוקטיון הוא האלקטרופיל ה'רעב' ביותר - חסר אוקטט לגמרי.
- אלדהיד אלקטרופילי יותר מקטון (פחות סטריות + פחות ייצוב אלקטרוני מקבוצות אלקיל על פחמן הקרבוניל).
- סדר אלקטרופיליות של קרבוניל: כלוריד חומצי > אנהידריד > אלדהיד ≈ קטון > אסטר > אמיד > קרבוקסילט (כמעט לא אלקטרופילי - מטען שלילי דוחה נוקלאופילים).
- אלקן/ארומטיים בדרך כלל *לא* אלקטרופיליים (הם עצמם עשירי אלקטרונים) - הם הופכים לזירת תקיפה של אלקטרופילים חיצוניים (כמו ביון הלוניום, בסיפוח חומצי).
- 'אלקטרופיליות' מתארת כמה תגובתי/דל-אלקטרונים המרכז *עכשיו* (משפיע על מהירות התקפת נוקלאופיל).
- 'יציבות קרבוקטיון' מתארת כמה נוח למרכז דל-האלקטרונים *להיווצר מלכתחילה* (משפיע על קצב SN1/E1 - קרבוקטיון יציב נוצר מהר, אך לאחר שנוצר הוא עדיין אלקטרופיל חזק וחסר-סבלנות).
בסיס - טוב מול גרוע (ולמה זה לא תמיד אותו דבר כמו נוקלאופיל)
בסיס תוקף פרוטון (); נוקלאופיל תוקף פחמן (או מרכז אלקטרופילי אחר). לעיתים קרובות אותו יון יכול לשחק את שני התפקידים (למשל הידroxide), אבל העוצמה בכל תפקיד לא בהכרח זהה - וזה בדיוק מה שקובע אם מקבלים סובסטיטוציה או אלימינציה.
עוצמת בסיס נמדדת ב-pKa של החומצה המצומדת (pKaH) - ככל שה-pKaH גבוה יותר, הבסיס חזק יותר. משווים תמיד לפי pKaH ולא לפי pKa של הבסיס עצמו.
- בסיס חזק וקטן (כמו אתוקסיד, מתוקסיד) - גם נוקלאופיל טוב וגם בסיס טוב, לכן מתחרים SN2/E2 זה בזה בהתאם לתת-המצע.
- בסיס חזק וגדול/מסועף (טרט-בוטוקסיד, LDA, DBU) - בסיס מצוין אך נוקלאופיל גרוע (סטריות) - מעדיף אלימינציה (E2, לרוב תוצר הופמן) או דה-פרוטונציה (יצירת אנולט) על פני התקפה על פחמן.
- בסיס חלש (כמו מים, אלכוהול, קרבוקסילט) - לא מסוגל לבצע E2 יעיל, אך יכול לשמש נוקלאופיל חלש-בינוני ב-SN1.
- נוקלאופיל שואל: 'כמה מהר אני תוקף פחמן?' (קינטיקה, חשוב ל-SN2).
- בסיס שואל: 'כמה חזק אני מושך פרוטון?' (משפיע על שיווי משקל/E2/דה-פרוטונציה בפחמן אלפא).
- לדוגמה: נוקלאופיל מעולה אך בסיס חלש מאוד; טרט-בוטוקסיד בסיס מעולה אך נוקלאופיל גרוע.
| קבוצה עוזבת | החומצה המצומדת () | איכות כ-LG |
|---|---|---|
| (חזקה מאוד) | מצוינת | |
| (חזקה) | טובה מאוד | |
| (חזקה) | טובה | |
| / | / (חזקות) | מצוינת (נפוצה כשרוצים לשמר קונפיגורציה) |
| (מ-) | טובה - רק אחרי פרוטונציה | |
| (חלשה יחסית) | גרועה | |
| / | / (כמעט לא חומציות) | גרועה מאוד - לא עוזבת ישירות |
| (בסיס חזק ביותר) | גרועה באופן קיצוני |
| יון/מולקולה | כנוקלאופיל | כבסיס |
|---|---|---|
| חזק מאוד (פולריזבילי) | חלש מאוד | |
| חזק | חזק | |
| (טרט-בוטוקסיד) | חלש (סטריות) | חזק מאוד |
| (אצטט) | בינוני-חלש | חלש-בינוני |
| חלש | חלש מאוד | |
| (תיולט) | חזק מאוד | חלש יחסית לחמצן המקביל |