Reazione S_N2: mecanismo

Studi cinetici delle reazioni S_N2 mostrano che sia il nucleofilo che il substrato partecipano alla fase di determinazione della velocità. Tuttavia, non spiegano con precisione come le molecole si dispongono durante la reazione. Per derivare l'intero meccanismo di una reazione S_N2, si considerino le seguenti teorie.

In primo luogo, il substrato contiene un alogeno elettronegativo, che crea un legame polarizzato carbonio-alogenuro. Questo porta a un centro elettrofilo al carbonio che attrae il nucleofilo con la sua coppia solitaria di elettroni.

Tuttavia, la presenza di un'elevata densità di elettroni attorno all'alogenuro blocca efficacemente l'attacco frontale. Pertanto, il nucleofilo si avvicina all'elettrofilo dal lato opposto al gruppo uscente, portando a un attacco posteriore.

Quando il nucleofilo dona la sua coppia solitaria all'elettrofilo, il gruppo uscente si allontana con la coppia di elettroni legata al carbonio. Ciò si traduce in uno stato di transizione in cui la formazione del legame tra il nucleofilo e il substrato e la rottura del legame tra il substrato e il gruppo uscente si verificano simultaneamente.

Lo stato di transizione è altamente instabile. Per riguadagnare stabilità, il gruppo uscente parte con la coppia di elettroni in modo concertato portando all'inversione della configurazione del substrato.

La teoria degli orbitali molecolari supporta ulteriormente l'attacco posteriore. L'unica coppia di elettroni del nucleofilo occupa l'orbitale molecolare più alto, o HOMO. Per formare un legame, l'HOMO deve sovrapporsi all'orbitale molecolare non occupato più basso, o LUMO, dell'elettrofilo.

Quando un nucleofilo si avvicina all'elettrofilo dallo stesso lato del gruppo uscente, si trova di fronte a un nodo, il che provoca la sovrapposizione dell'HOMO con il LUMO di legame e antilegame. Tuttavia, non si forma alcun legame poiché la sovrapposizione dell'antilegame annulla la sovrapposizione del legame.

Al contrario, l'approccio posteriore del nucleofilo si sovrappone in modo efficiente all'HOMO con il LUMO dell'elettrofilo, portando alla formazione di legami.

Pertanto, entrambe le teorie supportano che il meccanismo di reazione S_N2 sia concertato in cui il nucleofilo attacca dal lato posteriore mentre contemporaneamente sposta il gruppo uscente e causa un'inversione di configurazione.