Rozpoznávání nukleofilních a elektrofilních center

Nukleofilita a elektrofilita jsou pro organickou chemii velmi důležité koncepty. Pojďme se nejprve podívat na nukleofilní molekuly. Nukleofilní doslova znamená „jádro milující''. Vzhledem k tomu, že jádro má kladný náboj, budeme očekávat, že nukleofil bude záporně nabitý, neboť náboje opačného znaménka se přitahují. Takže nukleofil může být buť aniont, jenž by byl přitahován kladným nábojem jádra, nebo může mít záporný parciální náboj. Nebo si můžeme prostě představit, že v nukleofilu je určitá oblast s vysokou elektronovou hustotou. Pojďme se podívat na některé příklady nukleofilních molekul. Začněme tímto ethanolátovým aniontem. Ethanolátový anion má kyslík, na němž je záporný náboj. Takže očividně se jedná o nukleofil a kyslík je zde nukleoflním centrem. Koukněme se teď na ethanol. Ethanol je neutrální molekula, ale víme, že kyslík má vyšší elektronegativitu než vodík, takže elektrony vazby mezi nimi bude přitahovat blíže k sobě, což na kyslíku vytvoří parciální záporný náboj. Kyslík je tedy nukleofilním centrem ethanolu. Ethanolátový aniont bude silnějším nukleofilem než ethanol, neboť má na svém kyslíku formální záporný náboj ve srovnání s pouhým parciálním nábojem u ethanolu. Dále se pojďme podívat na methyllithium. Zaměřme se na rozdíl elektronegativit mezi uhlíkem a lithiem. Uhlík má větší elektronegativitu než lithium, takže oba elektony vazby budou přitahovány k uhlíku. Tím pádem má uhlík záporný parciální náboj a je nukleofilním centrem methyllithia. Protože lithium ztrácí část elektronové hustoty, můžeme mu přidělit kladný parciální náboj. Zde máme namalovanou kovalentní vazbu, ale mohli bychom ji klidně označit za iontovou. Rozdíl elektronegativit je zde tak velký, že v podstatě oba elektrony jsou u uhlíku. Nakresleme si ho zde se svými vodíky. Protože má uhlík mnohem větší elektronegativitu než lithium, můžeme vzít tyhle dva růžové elektrony a klidně je přiřadit k uhlíku. Což nám na uhlíku udělá záporný formální náboj. Takže tento uhlík se záporným formálním nábojem je tedy nukleofilním centrem. Lithiu jsme přitom odebrali jeden elektron, získalo tak kladný náboj. Na tomto schématu máme vazbu znázorněnou jako iontovou, kdežto vedle je podtržen spíše její kovalentní charakter. Schéma s iontovou vazbou je užitečné, protože zde máme uhlík jako karbaniont. Což znamená, že na uhlíku máme formální záporný náboj, Karbanionty jsou výbornými nukleofily. Na závěr se pojďme podívat na cyklohexen. Jak víme, cykloxehen má π vazbu. Zvýrazněme si ji. Vazby π jsou oblastmi s vysokou elektronovou hustotou. Takže díky této π vazbě se cyklohexen může z hlediska mechanismu chovat jako nukleofil. Přejděme teď k elektrofilům. Elektrofil je tedy „elektron milující“ molekula. Protože elektrony nesou záporný náboj, elektrofily budou mít nějakou oblast s nízkou elektronovou hustotou. Takže se bude jednat buď o kationty, neboť kladný náboj je přitahován elektrony, nebo to budou molekuly s kladným parciálním nábojem. Koukněme se první na tuto molekulu. Víme, že chlor má větší elektronegativitu než uhlík, takže chlor zde bude odčerpávat část elektronové hustoty. Což bude mít za důsledek to, že tento uhlík bude mít kladný parciální náboj. Takže tenhle uhlík bude elektrofilním centrem. Podívejme se teď na aceton. Kyslík má větší elektronegativitu než uhlík. Kyslík odčerpá část elektronové hustoty z uhlíku, takže uhlík bude mít opět kladný parciální náboj a bude elektrofilním centrem. Dále se podívejme na tento karbokationt. Je zde kladný formální náboj na uhlíku, protože z něj jdou jen tři vazby. Samozřejmě kladný náboj bude zbožňovat elektrony. Opačné náboje se přitahují, takže tento uhlík bude elektrofilním centrem. Na závěr se koukněme na tuto látku. Víme, že kyslík má větší elektronegativitu než uhlík, takže z něj kyslík odčerpá část elektronové husototy. Můžeme si zde i namalovat rezonanční struktury. Takže tyhle π elektrony se přesunou ke kyslíku. Nakresleme si příslušnou rezonanční strukturu. Dvojná vazba přijde sem. Po přesunu těch dvou elektronů budeme mít na kyslíku tři nevazebné elektronové páry. Formální náboj na kyslíku bude tím pádem minus jedna. Tímto jsme tomuto růžovému uhlíku sebrali vazbu, čímž na něm vznikne kladný formální náboj. Toto je tedy jedna z rezonančních struktur, které můžeme namalovat. Růžový uhlík bude tedy elektrofilním centrem. Můžeme nakreslit i jinou rezonanční strukturu. Pusťme se do toho. Přidáme si sem závorku. Můžeme vzít tyto π elektrony a přemístit je sem, což bude vypadat následovně. Dvojnou vazbu budeme mít teď zde a kyslík bude mít záporný formální náboj. Dokreslíme vodík a uzavřeme závorku. Nyní jsme sebrali vazbu tomuto modrému uhlíku, který v důsledku bude mít kladný formální náboj. Takže i modrý uhlík může být elektrofilním centrem. Kladný náboj bude přitahován záporným. Takže tato molekula má ve skutečnosti dvě elektrofilní centra. Jedno na tomto uhlíku a druhé na tomto.