Reagenzien werden nach ihren elektronischen Eigenschaften und der Art ihres Angriffs auf ein Substrat in zwei große Gruppen unterteilt - Nucleophile und Elektrophile. Als Nucleophile bezeichnet man Moleküle, die mit einem freien, ungebundenen Elektronenpaar an einem Substrat angreifen können. Der Name "Nucleophil" bzw. die Eigenschaft "nucleophil" kann mit "kernliebend" übersetzt werden. Mit dem Wort "Kern" ist aber hier das Kohlenstoffatom in einem Substrat gemeint, welches durch das Nucleophil angegriffen wird. Dieses anzugreifende Kohlenstoffatom hat aber noch Substituenten gebunden. Das Nucleophil muss also an diesen Substituenten "vorbei" um an das Kohlenstoffatom zu kommen. Deshalb die Bezeichnung "kernliebend", im Sinne von "an das Innere kommen".
Typische nucleophile Reagenzien
Entsprechend der Definition sind alle Moleküle, die über ein
Sauerstoff- Stickstoff- oder Schwefelatom verfügen, potenzielle Nucleophile.
Auch Anionen wie die Halogenide und das Alkoholat-Anion gehören in
die Gruppe der nucleophilen Reagenzien (Bild 1).
Die Nucleophilie
Die Stärke von Nucleophilen (Nu)
wird als Nucleophilie bezeichnet.
Es ist eine kinetische Größe, die ausdrückt, wie schnell
ein Nucleophil mit einem Substrat reagiert. Die Nucleophilie eines Reagenzes
beinhaltet zwei Größen. Die erste ist die Energiefreisetzung
infolge der C-Nu-Bindungsbildung. Die zweite Größe ist die
Energieänderung durch die Änderung der Solvtisation, d.h. der
Wechselwirkungen zwischen Nucleophil und Lösungsmittel.
Die erste Größe muss nicht weiter erklärt werden. Die
Energieänderung durch die Veränderung der Solvathülle ist
komplizierter. Da für die Bindungsneubildung beide Bindungselektronen
vom Reagenz geliefert werden, nimmt die Elektronendichte am Nucleophil
ab. Neutrale Nucleophile werden durch die Bindungsbildung kationisch,
anionische Nucleophile werden neutral. Dadurch ändert sich die Solvatation
durch das Lösungsmittel drastisch (Bild 2).
Lösungsmittelabhängigkeit
Die obigen Ausführungen zeigen, dass es eine absolute Abstufung der
Nucleophilie von Reagenzien nicht geben kann. Es muss immer das Lösungsmittel
berücksichtigt werden, in dem die Reaktion durchgeführt wird.
Führt man die Reaktion in einem Alkohol durch, bilden sich sofort
Wasserstoffbrückenbindungen zum freien Elektronenpaar des Nucleophils
aus, das Nucleophil wird sehr stark solvatisiert. Das führt zu einer
Abschwächung der Reaktivität des Nucleophils.
In Alkanen, die keine Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können,
sind aber viele Nucleophile nicht löslich. Deshalb ist man auf polare
Lösungsmittel angewiesen.
Für nucleophile Substitutionen werden deshalb häufig Aceton, Dimethylformamid (DMF), oder Dimethylsulfoxid (DMSO) benutzt. Sie sind polar, aber nicht in der Lage Wasserstoffbrücken zum Nucleophil auszubilden (Bild 3).
Basizität und Nucleophilie
Der Zusammenhang zwischen der Basizität
und der Nucleophilie wird deutlich, wenn man bedenkt, dass sowohl in der
nucleophilen Substitution als auch in einer BRÖNSTED-Säure-Base-Reaktion
das Reagenz als Elektronendonator fungiert. Die Basizität ist eine
thermodynamische Größe, die die Einstellung des Gleichgewichtes
der Säure-Base-Reaktion widergibt.
Die Nucleophilie bestimmt aber die Reaktionsgeschwindigkeit, also eine
kinetische Größe, des gleichen Reagenzes mit dem positivierten
Kohlenstoffatom eines Substrates (Bild 4).
Die Nucleophilie hängt auch von der Polarisierbarkeit der Teilchen
ab. Man kann nachweisen, dass hoch polarisierbare Nucleophile häufig
reaktiver sind als Nucleophile gleicher Basizität, die aber nicht
oder nur wenig polarisierbar sind. Unter der Polarisierbarkeit versteht
man das Maß der Verschiebung einer Elektronenhülle in einem
elektrischen Feld. Durch die Verschiebung der Elektronenhülle kann
ein negativer Ladungsschwerpunkt im Nucleophil gebildet werden, was den
Angriff auf das positivierte Kohlenstoffatom beschleunigt (Bild 5). Auf
Grund der extrem hohen Polarisierbarkeit hat z. B. das Iodid-Ion auch
in Methanol oder Wasser eine sehr hohe Nucleophilie. Eine nähere
Erklärung findet man im Konzept der harten und weichen Säuren
und Basen (HSAB-Konzept).
Nucleophile in chemischen Reaktionen
Die nucleophile Substitution
ist
eine Reaktion am 
Kohlenstoffatom, dass durch eine Abgangsgruppe partiell positiviert ist.
Entsprechend der Kinetik kann die Reaktion nach einem 
oder einem 
Mechanismus ablaufen.
Alle Reaktionen am Kohlenstoffatom einer Carbonyl- oder einer Carboxy-Gruppe
beginnen mit dem Angriff eines Nucleophils (einer nucleophilen Addition)
auf dieses Kohlenstoffatom.