Un nucleofilo è una specie che ha tendenza a reagire, tramite un doppietto elettronico, con un elettrofilo. Come lasciano intendere i rispettivi nomi, le sostanze nucleofile vanno in cerca di centri di carica positiva (sia che sia una reale carica + sia che sia una polarizzazione positiva, δ+) , viceversa, gli elettrofili "cercano" elettroni.
In generale, si può anche dire che i nucleofili sono elettron-donatori, mentre gli elettrofili sono elettron-accettori.
I nucleofili possono essere sia specie cariche negativamente (anioni) sia specie neutre che abbiano un doppietto elettronico libero.
Alla luce della teoria degli orbitali molecolari, potremmo meglio dire che i nucleofili sono quelle specie che abbiano una coppia di elettroni nel loro orbitale a più alta energia (HOMO: highest occupied molecular orbital). Questi, interagiscono con il LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) di un elettrofilo:
I nucleofili più comuni le specie che possiedono una coppia di elettroni di non-legame, ad esempio l'ammoniaca e le ammine:
E questo proprio perchè i doppietti di non - legame solitamente sono ad energia più alta rispetto a quelli di legame; questi ultimi infatti, hanno un bonus di stabilità derivante dall'essere condivisi tra due nuclei.
Quello che abbiamo portato è un esempio di nucleofilo non carico. I nucleofili carichi sono generalmente anioni con dei "lone pairs" , doppietti di non condivisione. Tra i più comuni ci sono ad esempio, gli alogenuri e lo ione idrossido:
Basicità e nucleofilia a confronto
C'è una relazione evidente tra basicità e nucleofilia. Infatti, una base di Lewis è una sostanza che può donare un doppietto elettronico. Dato che abbiamo appena qualificato come nucleofile quelle sostanze che possiedono un doppietto elettronico non condiviso, potremmo erroneamente pensare che tutte le basi di Lewis sono nucleofili e viceversa. In realtà non è così. La basicità misura la tendenza di un composto ad accettare un protone mediante una coppia di elettroni non condivisi, mentre la nucleofilia è la misura della tendenza che ha un nucleofilo a reagire con specie elettrofile.
Nel primo caso, misuriamo quanto è spostato a destra l'equilibrio di reazione tra base e acido, ovvero, più la base è forte, più l'equilibrio sarà spostato a destra.
Ma la nucleofilia non sempre è equiparabile alla basicità. E' vero che, generalmente, la base più forte è anche il nucleofilo più forte. Ma ci sono altri fattori che influenzano la nucleofilia, tra i quali il più importante è probabilmente l' "ingombro sterico".
Confrontiamo ad esempio due alcossidi (RO-). Il terz-butossido di potassio, è una base fortissima, con struttura:
E' evidente che la struttura è particolarmente ingombrata. Questo significa che una molecola del genere non interviene, ad esempio in una sostituzione nucleofila; non è quindi un buon nucleofilo.
L'etossido invece, anch'esso base molto forte ma non quanto il terz-butossido, ha struttura:
Pur essendo una base meno forte, la sua struttura lo rende molto più adatto ad un'eventuale sostituzione.
