Reazione S_N2: stereochimica

Ricordiamo che una reazione S_N2 segue un meccanismo concertato, in cui l'attacco nucleofilo e la partenza del gruppo uscente avvengono simultaneamente.

L'alta densità di elettroni attorno al gruppo uscente blocca la parte anteriore del substrato, costringendo il nucleofilo ad avviare un attacco posteriore.

Quando l'HOMO del nucleofilo si sovrappone efficacemente al LUMO dell'elettrofilo, inizia a formarsi un nuovo legame e, contemporaneamente, il legame tra l'elettrofilo e il gruppo uscente si indebolisce.

Contemporaneamente, l'angolo tra i sostituenti e il gruppo uscente si riduce da 109,5° a 90°, e la geometria dell'atomo di carbonio cambia da tetraedrica - nel substrato - a trigonale bipiramidale, nello stato di transizione pentacoordinata.

Tuttavia, per mantenere la tetravalenza del carbonio, il gruppo uscente lascia lo stato di transizione e la geometria del carbonio diventa nuovamente tetraedrica.

Nel prodotto, i sostituenti del carbonio si sono capovolti, risultando in un tetraedro invertito, simile a un ombrello che si capovolge in caso di vento forte. Inoltre, il nucleofilo è posizionato direttamente di fronte alla posizione originale del gruppo uscente.

In un substrato achirale, a causa del piano di simmetria, la configurazione del prodotto invertito è identica a quella del reagente e, pertanto, non si osserva alcuna inversione evidente.

Al contrario, un substrato chirale come il (R)-2-bromobutano, con un alfa-carbonio asimmetrico, subisce un'apparente inversione di configurazione, nota anche come inversione di Walden, per dare (S)-2-butanolo con uno stereocentro del carbonio invertito.

Allo stesso modo, il (S)-2-cloropentano subisce una reazione S_N2 per formare (R)-2-pentanolo.

In una molecola ciclica, un substrato trans dà un prodotto cis, mentre un substrato cis genera un prodotto trans.

Pertanto, le reazioni S_N2 sono stereospecifiche poiché l'esito stereochimico del prodotto dipende dalla configurazione del substrato.