Réaction S_N2: Stéréochimie

Rappelons qu’une réaction S_N2 suit un mécanisme concerté, où l’attaque nucléophile et le départ du groupe partant se produisent simultanément.

La haute densité électronique autour du groupe partant bloque la face avant du substrat, ce qui force le nucléophile à initier une attaque à l’arrière.

Au fur et à mesure que l’HOMO du nucléophile se chevauche efficacement avec le LUMO de l’électrophile, une nouvelle liaison commence à se former et, simultanément, la liaison entre l’électrophile et le groupe partant s’affaiblit.

Parallèlement, l’angle entre les substituants et le groupe partant passe de 109,5° à 90°, et la géométrie de l’atome de carbone passe de tétraédrique - dans le substrat - à bipyramidale trigonale, dans l’état de transition pentacoordonnée.

Cependant, pour conserver la tétravalence du carbone, le groupe partant quitte l’état de transition et la géométrie du carbone redevient tétraédrique.

Dans le produit, les substituants du carbone se sont retournés, ce qui donne un tétraèdre inversé, semblable à un parapluie qui se retourne par vent fort. De plus, le nucléophile est placé directement à l’opposé de la position d’origine du groupe partant.

Dans un substrat achiral, en raison du plan de symétrie, la configuration du produit inversé est identique à celle du réactif, et par conséquent, aucune inversion évidente n’est observée.

Au contraire, un substrat chiral comme le (R)-2-bromobutane – avec un alpha-carbone asymétrique – subit une inversion apparente de configuration, également connue sous le nom d’inversion de Walden, pour donner du (S)-2-butanol avec un stéréocentre de carbone inversé.

De même, le (S)-2-chloropentane subit une réaction S_N2 pour former du (R)-2-pentanol.

Dans une molécule cyclique, un substrat trans donne un produit cis, tandis qu’un substrat cis génère un produit trans.

Ainsi, les réactions S_N2 sont stéréospécifiques car le résultat stéréochimique du produit dépend de la configuration du substrat.