Nucleophilicity vs. Basicity

V tomto videu chci uvést rozdíl
mezi myšlenkou nukleofility,

neboli tím, jak je nukleofil
silný a bazicitou (zásaditostí).

Rozdíl je velmi jemný,
ale vlastně je to velký rozdíl.

Ukáži vám, proč je to matoucí,
když se to učíte prvně.

Když jsme studovali Sn2 reakce, měli jste
nukleofil s jedním elektronem navíc.

Měl záporný náboj.

Možná jste měli methylový uhlík.
Nakreslím ho.

Možná máte vodík mířící vpřed.
Pak vodík mířící vzad.

Vodík nahoře.

A zde máte odstupující skupinu.

V Sn2 reakci nukleofil
předá elektron tomuto uhlíku.

Uhlík má částečně kladný náboj.
Nakreslím to.

Odstupující skupina má
částečně záporný náboj,

protože má tendenci nebo
je více elektronegativní.

Elektron je předán
tomuto uhlíku, když uhlík...

simultálně s tím, elektronegativní
odstupující skupina je schopná

vzít si tento elektron od uhlíku.

Když jste hotovi, vypadá to takto.

Máme zde methylový uhlík, kde 1 vodík je
vzadu, další je vepředu a 1 je nahoře.

Odstupující skupina je pryč.

Měla zde elektron, ale také si vzala
fialový elektron, takže má záporný náboj

a nukleofil předal tento elektron zde,
takže je teď vázán k uhlíku.

Důvod, proč jsem to uvedl je,
že toto jedná, jako nukleofil.

Miluje jádra.

Odevzdává elektron, který má navíc, ale
také jedná, jako Lewisova báze (zásada).

Tady je malé osvěžení.

Lewisova báze, což je nejobecnější...

...myslím, že to pokrývá většinu
příkladů toho, co je považováno za bázi.

Lewisova báze je donorem elektronu.

To je přesně to, co se zde děje.

Tento nukleofil daruje elektron uhlíku.
Takže se chová, jako Lewisova báze.

Když toto vidíte poprvé...

...proč si chemici dělají tu bolest
a definují něco, jako nukleofil?

Proč tomu neříkají báze?

Proč jsou 2 odlišné koncepty
nukleofility a bazicity?

Rozdíl je v tom, že nukleofilita
je kinetický koncept,

což znamená, jak dobře to reaguje?

Jak rychle reaguje?
Kolik energie navíc potřebuje k reakci?

Pokud má něco dobrou nukleofilitu,
tak to dobře reaguje.

Neřekne vám to, ale nic o tom,

jak stabilní či netabilní jsou
reaktanty předtím a potom.

Pouze vám to řekne,
že jsou dobré k vzájemné reakci.

Bazicita (zásaditost)
je termodynamický koncept.

Říká vám, jak stabilní
jsou reaktanty nebo produkty.

Řekne vám, jak moc
by něco mohlo reagovat.

Například, vidíme situaci fluoru.
Popřemýšlejme o tom.

Viděli jsme situaci...měl bych říct
fluorid, protože fluor vypadá takto.

7 valenčních elektronů fluoru
a pak odevzá 1 elektron pryč.

Dostanete fluorid.

Fluorid je prakticky bazický (zásaditý).

Je více bazický než iodid.

Ale v protickém rozpouštědle...
...napíši to zde.

Ale slabší nukleofilita
v protickém rozpouštědle.

A protické rozpouštědlo
má okolo vodíkové protony.

A důvod, proč je toto fluorid, je ten,

že se chce vázat s uhlíkem nebo či jiným
více...nebo dokonce s vodíkovým protonem.

Chce se s ním vázat více,
než iodidový anion.

Pokud by se to stalo, vazba by byla mnohem
silnější, než by vytvořil iodidový anion.

Fluoridový anion je však méně stabilní
v této formě, než iodidový anion.

Pokud by to mělo možnost darovat proton
nebo se zbavit elektronu,

bylo by to šťastnější,
ale je to méně nukleofilní.

Je to méně vhodné
při reakcích v protickém roztoku.

Důvodem, že je méně nukleofilní je to,
že zde jsou jiné látky,

které mu brání v reakci.

Ve videu o tom, co dělá
dobrý nukleofil, jsme viděli...

...v případě fluoridu, je to proto,
že je to velmi malý atom.

Je to vlastně velmi malý iont,
takže je držen velmi blízko.

Elektronový mrak je velmi těsný,
takže to dovoluje vodíkům z vody,

aby kolem něj vytvořili velmi těsný obal.

Všechny mají částečně kladné náboje,
takže je to přitahuje k zápornému aniontu.

Tvoří velmi těsný obal,
čímž chrání fluoridový aniont,

takže je pro něj těžší reagovat
v protickém rozpouštědle,

tudíž nereaguje moc dobře.

Pokud by byl schopný reagovat, vytvořil
by silnější vazbu, než iodidový aniont.

Toto je velký rozdíl,
vidíme rozdíl v trendech.

U bazicity nezáleží
na použitém rozpouštědle.

Je to termodynamická vlastnost
molekuly nebo atomu aniontu.

Pokud se díváte čistě na bazicitu,
tak nejsilnější bází je...

...napíši zde hydroxid.

Běžně je to něco, jako hydroxid sodný
nebo hydroxid draselný,

ale pokud ho rozpustíte v něčem, podobném
vodě, tak se sodík a hydroxid oddělí.

Hydroxid se poté chová jako báze,
čili chce darovat elektron.

Hydroxid je mnohem
silnější báze než fluorid,

který je silnější bází než chlorid,
který je silnější báze, než bromid,

který je silnější báze než iodid.

Když se nyní podíváte
na nukleofilitu, tak vidíte rozdíl.

Viděli jsme co dělá rozpouštědlo,
protože rozpouštědlo ovlivňuje to,

jak dobře něco reaguje.

U nukleofility je rozdíl mezi protickým
a aprotickým rozpouštědlem.

V protickém rozpouštědle je sloučenina
s nejlepší nukleofilitou iodid,

protože mu není tolik bráněno
těmito vodíkovými můstky.

Nemá těsný obal.

Má tento velký molekulární mrak a někteří
lidé si myslí, že má určitou „měkkost".

Má tuto polarizovatelnou schopnost,
kde tento mrak může být vtlačen k uhlíku

a udělá, co potřebuje udělat.

V tomto případě je iodid lepším
nukleofilem, než hydroxid,

který je lepším nukleofilem než fluorid.

Teď, v aprotickém rozpouštědle,
kde interakce s rozpouštědlem

již nejsou tak významné,
tak se věci mění.

V této situaci záleží na bazicitě.

V aprotickém rozpouštědle spolu
bazicita a nukleofilita korelují.

Vložím zde hvězdičku, protože je
zde ještě jeden aspekt nukleofility,

o kterém jsem dosud nemluvil,
ale budu o něm mluvit za chvíli.

V tomto typu situace, bude hydroxid
lépe reagovat, než fluorid,

který bude reagovat lépe než iodid.

A důvod, proč je hydroxid
lepší v obou případech je...

Myslím i v případě, kdy může
reagovat s rozpouštědlem

je stále docela dobrým nukleofilem,
protože, pokud přemýšlíte nad hydroxidem

...a já o něm přemýšlím hodně...

tak má elektron navíc.

Pokud nad tím uvažujete, můžete si
představit, že voda vezme...

...nakreslím to takto.

Můžete si představit, že je to voda,
kde je zanechán proton

nebo odkud je odebrán elektron z protonu.

Běžně byste měli 2 páry, teď tu
máte 3 volné elektronové páry.

Tento kyslík má 1, 2, 3, 4, 5, 6,
7 valenčních elektronů

o 1 více než neutrální kyslík,
takže má záporný náboj.

Už má elektron navíc, který mu
uděluje záporný náboj,

ale kyslík je
elektronegativnější než vodík,

takže je schopen dostat tento elektron.

Je to velmi bazická molekula.

Dokonce i když může být trochu rušena
protickým prostředím, jako voda,

tak je stále lepším
nukleofilem, než fluorid.

Pokud z obrázku odstraníte rozpouštědlo,
tak je to super silná báze.

Je to také opravdu velmi dobrý nukleofil.

A nyní, poslední aspekt nukleofility.

Vzpomeňte, že nukleofilita je,
jak dobře něco reaguje.

Představte si, že zde něco máme.

Máme 2 molekuly hydroxidu.

Řekněme, že tento jeden je přímo hydroxid.

A řekněme, že tento je ješte
obklopený jiným řetězcem.

Řekněme, že to má velký řetězec jednotek.
Nevím, ale jakých.

Pokud se podíváte na tyto 2 molekuly

a pokud se pokusíte odhadnout,
která z nich je lepším nukleofilem,

měli byste si vzpomenout, že nukleofilita
je, jak dobře něco reaguje,

jak dobře se to dostane do místa reakce
a jak se ta odehraje.

Tento anion má kolem
sebe velkou molekulu.

Bude to velmi obtížné,
pokud se vrátíte k těmto okolnostem,

tak to bude velmi obtížné,
aby se tato molekula dostala sem.

Hovoříme o sterické zábraně
z pohledu uhlíku,

ale nemůžeme o ní mluvit
z pohledu nukleofilu.

Pro nukleofil zde, může být obtížné předat
elektron, který má navíc, cílovému jádru.

Bude mu bráněno.

Zatímco v této situaci,
to bude mnohem jednodušší,

když skupina, která reaguje,
tento kyslík, který má záporný náboj,

tento elektron navíc, je v určité
rovině poměrně rovnocenný.

Ale zde je mnohem menší molekula.

Bude méně krytá a více přístupná.
Takže to bude lepší nukleofil.

A to je důvod, proč nechci dělat
nekompromisní prohlášení,

že v aprotickém roztoku, bazicita
a nukleofilita kompletně korelují,

protože nukleofilita má stále jiný prvek,
jak je kryta.

Je to v prostředí nebo je to část
molekuly, která jí nedovolí reagovat,

dokonce i když by to byla silná báze.

Pokud by vytvořila vazbu,
byla by velmi silná.

Velkou myšlenkou je to,
že jsou zde 2 základní koncepty,

a proto jsou zde 2 rozdílné termíny.

Nukleofilita, čili jak dobře to reaguje,
ale neříká nic o tom,

jak dobrá je výsledná vazba.

Bazicita je, jak dobrá je vazba.

Jak moc to chce reagovat, ale neřekne,
jak dobrá je při reakcích.