6.10
Réaction SN2: Stéréochimie
Dans une réaction SN2, l'attaque nucléophile sur le substrat et le départ du groupe partant se produisent simultanément à travers un état de transitio…
Rappelons qu’une réaction SN2 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 SN2 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 SN2 sont stéréospécifiques car le résultat stéréochimique du produit dépend de la configuration du substrat.
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.