Reazione S_N1: stereochimica

Nelle reazioni di sostituzione nucleofila, l'esito stereochimico del prodotto, cioè l'inversione o la ritenzione della configurazione, può essere studiato se la sostituzione avviene in un substrato chirale.

Le reazioni S_N2 sono stereospecifiche poiché il nucleofilo attacca direttamente il substrato dal retro, il che si traduce invariabilmente in un prodotto invertito.

Al contrario, le reazioni S_N1 non sono stereospecifiche. Questo perché il substrato prima ionizza per generare un carbocatione intermedio ibridato sp² con i tre sostituenti che giacciono sullo stesso piano.

Il nucleofilo si avvicina quindi al carbocatione da entrambi i lati con uguale probabilità. Mentre un attacco dal frontside porta al mantenimento della configurazione nel prodotto, un attacco backside provoca un'inversione della configurazione.

Quando si utilizza un substrato achirale, indipendentemente dalla modalità di attacco nucleofilo, la configurazione del prodotto rimane la stessa.

Quando il substrato è chirale, ci si aspetta una racemizzazione completa, che porta a un racemo degli enantiomeri del prodotto. Tuttavia, più comunemente, si verifica solo una racemizzazione parziale, generando un eccesso enantiomerico del prodotto invertito.

Una spiegazione plausibile per questo risiede nella fase di ionizzazione del substrato, in cui il carbocatione e il gruppo uscente rimangono vagamente associati, formando una coppia di ioni intimi per circa dieci nanosecondi prima di diffondersi.

Durante questa associazione, il gruppo uscente protegge parzialmente il carbocatione dall'attacco frontale. Pertanto, il nucleofilo attacca il centro del carbonio dal retro non ostacolato, risultando in un prodotto invertito.

Dopo che la coppia ionica si è completamente dissociata, il carbocatione subisce sostituzioni ad entrambe le estremità con uguale probabilità di produrre un prodotto racemico. Poiché sia l'inversione che la racemizzazione si verificano durante il processo di sostituzione, si ottiene un eccesso netto del prodotto invertito.