6.10
Reacción SN2: estereoquímica
En una reacción SN2, el ataque nucleofílico al sustrato y la salida del grupo saliente ocurren simultáneamente a través de un estado de transición. A…
Recordemos que una reacción SN2 sigue un mecanismo concertado, donde el ataque nucleofílico y la salida del grupo saliente ocurren simultáneamente.
La alta densidad de electrones alrededor del grupo saliente bloquea la parte frontal del sustrato, lo que obliga al nucleófilo a iniciar un ataque posterior.
A medida que el HOMO del nucleófilo se superpone efectivamente con el LUMO del electrófilo, comienza a formarse un nuevo enlace y, simultáneamente, el enlace entre el electrófilo y el grupo saliente se debilita.
Al mismo tiempo, el ángulo entre los sustituyentes y el grupo saliente se reduce de 109,5° a 90°, y la geometría del átomo de carbono cambia de tetraédrico, en el sustrato, a bipiramidal trigonal, en el estado de transición pentacoordinado.
Sin embargo, para retener la tetravalencia del carbono, el grupo saliente abandona el estado de transición y la geometría del carbono vuelve a ser tetraédrica.
En el producto, los sustituyentes del carbono se han vuelto del revés, lo que da como resultado un tetraedro invertido, similar a un paraguas que se voltea con el viento fuerte. Además, el nucleófilo se coloca directamente opuesto a la posición original del grupo saliente.
En un sustrato aquiral, debido al plano de simetría, la configuración del producto invertido es idéntica a la del reactivo, por lo que no se observa una inversión evidente.
Por el contrario, un sustrato quiral como el (R)-2-bromobutano, con un alfa-carbono asimétrico, sufre una aparente inversión en la configuración, también conocida como inversión de Walden, para dar (S)-2-butanol con un estereocentro de carbono invertido.
Del mismo modo, el (S)-2-cloropentano sufre una reacción SN2 para formar (R)-2-pentanol.
En una molécula cíclica, un sustrato trans da un producto cis, mientras que un sustrato cis genera un producto trans.
Por lo tanto, las reacciones SN2 son estereoespecíficas, ya que el resultado estereoquímico del producto depende de la configuración del sustrato.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why does the nucleophile attack from the back side in an SN2 reaction?
In SN2 reactions, high electron density around the leaving group blocks the front side of the substrate, forcing the nucleophile to approach from the back side. This backside attack occurs simultaneously with leaving group departure through a concerted mechanism, allowing effective orbital overlap between the nucleophile's HOMO and the electrophile's LUMO to form the new bond.
Q2: What happens to the carbon geometry during an SN2 reaction?
The carbon atom undergoes a dramatic geometric change during the SN2 reaction. It transitions from tetrahedral geometry in the substrate to trigonal bipyramidal in the pentacoordinate transition state, then returns to tetrahedral in the product. This geometry inversion causes the substituents to flip inside out, similar to an umbrella turning in strong wind.
Q3: How does SN2 stereochemistry differ between chiral and achiral substrates?
In achiral substrates, the plane of symmetry means configuration inversion is not evident. However, chiral substrates like (R)-2-bromobutane undergo apparent inversion, called Walden inversion, producing (S)-2-butanol with reversed stereochemistry. This stereospecific outcome depends entirely on the substrate's initial configuration and structure.
Q4: What is Walden inversion in SN2 reactions?
Walden inversion is the reversal of stereochemical configuration that occurs when a chiral substrate undergoes an SN2 reaction. For example, (R)-2-bromobutane converts to (S)-2-butanol, and (S)-2-chloropentane forms (R)-2-pentanol. This inversion results from the backside nucleophilic attack and the geometric rearrangement of the carbon center.
Q5: How does SN2 stereochemistry work in cyclic molecules?
In cyclic substrates, SN2 reactions produce predictable stereochemical inversions. A trans-configured cyclic substrate yields a cis product, while a cis substrate generates a trans product. This stereochemical outcome reflects the backside attack mechanism and the inversion of configuration at the reaction center.
Q6: Why are SN2 reactions considered stereospecific?
SN2 reactions are stereospecific because the product's stereochemical outcome is entirely determined by the substrate's configuration. The concerted backside attack mechanism ensures predictable inversion of configuration in chiral substrates and consistent geometric changes in cyclic molecules, making the stereochemical result reproducible and predictable.
Q7: What role does orbital overlap play in SN2 stereochemistry?
Effective orbital overlap between the nucleophile's HOMO and the electrophile's LUMO is essential for SN2 bond formation. This overlap occurs during backside attack and drives the concerted mechanism, ensuring the nucleophile approaches from the rear and the leaving group departs from the front, resulting in configuration inversion.