6.9: Reazione S_N2: stato di transizione

Una reazione S_N2 di un alogenuro alchilico è un processo in un unico passaggio in cui la formazione del legame tra il nucleofilo e il substrato e la rottura del legame tra il substrato e l'alogenuro avviene simultaneamente attraverso uno stato di transizione senza formare un intermedio.

Quando il nucleofilo si avvicina al carbonio elettrofilo con le sue coppie solitarie, l'alogenuro agisce come un gruppo uscente e si allontana con la coppia di elettroni legata al carbonio. I legami parziali punteggiati rappresentano i legami che si formano o si rompono nello stato di transizione per rappresentare questo meccanismo e la struttura è racchiusa tra parentesi quadre.

Lo stato di transizione è altamente instabile e reagisce rapidamente per raggiungere lo stato prodotto, energeticamente più favorito. La geometria dello stato di transizione è bipiramidale trigonale con angoli di legame ridotti. Ciò si traduce in un affollamento sterico che porta alla repulsione di van der Waals e ad un aumento dell'energia di attivazione per formare lo stato di transizione. Ciò alla fine influenza la velocità della reazione. Pertanto, maggiore è l’energia di attivazione, minore è la velocità di reazione.

La sostituzione con alogenuri alchilici aumenta l'ingombro sterico portando ad un minore accesso per un attacco nucleofilo. Aumenta anche l’affollamento e l’energia dello stato di transizione. Pertanto, l’ordine di reattività per un alogenuro alchilico sottoposto a reazioni S_N2 è il seguente:

Alogenuro di metile (altamente reattivo) > alogenuro primario > alogenuro secondario > alogenuro β-sostituito > alogenuro terziario (praticamente non reattivo).

Una reazione S_N2 segue un meccanismo concertato durante il quale un nucleofilo attacca il substrato dal lato posteriore, con la perdita simultanea del gruppo uscente dal lato opposto ad esso.

Ciò avviene attraverso uno stato di transizione, rappresentato tra parentesi quadre. La struttura comprende un carbonio elettrofilo attaccato a cinque gruppi: tre sostituenti, un nucleofilo e un gruppo uscente. Il nucleofilo e il gruppo uscente sono parzialmente legati ed entrambi i gruppi hanno una carica negativa parziale.

Poiché lo stato di transizione non è un intermedio, non può essere isolato. Ha una geometria trigonale bipiramidale con i tre sostituenti in una disposizione planare. Il nucleofilo e il gruppo uscente sono posti a 180° di distanza, perpendicolari al piano.

I sostituenti sono ad angoli di 90° sia dal gruppo nucleofilo che da quello uscente. Ciò aumenta l'affollamento, portando a una struttura instabile alla massima energia sul percorso di reazione.

L'energia dello stato di transizione influenza la velocità di una reazione S_N2. Maggiore è l'energia dello stato di transizione, maggiore è l'energia di attivazione e quindi minore è la velocità di reazione.

Le velocità di reazione sono influenzate anche dall'impedimento sterico, ovvero dalla facilità con cui il nucleofilo attacca il centro elettrofilo.

Quando la sostituzione alchilica su un carbonio alfa aumenta, aumenta l'ostacolo sterico e, quindi, la repulsione di van der Waals con il nucleofilo in arrivo.

Ad esempio, un alogenuro di metile e qualsiasi alogenuro primario presentano la minima repulsione sterica e la reazione procede più velocemente.

In confronto, un alogenuro secondario con due gruppi voluminosi porta ad un aumento della repulsione sterica, che di conseguenza rallenta la reazione.

In un alogenuro terziario, i tre gruppi voluminosi impediscono l'attacco nucleofilo, rendendo il substrato praticamente non reattivo grazie a un meccanismo S_N2.

Inoltre, l'aumento della sostituzione β-alchilica di un alogenuro primario aumenta la repulsione sterica, rendendo la molecola incapace di subire una reazione S_N2.