Реакция S_N2: стереохимия

Напомним, что реакция S_N2 происходит по согласованному механизму, при котором нуклеофильная атака и уход уходящей группы происходят одновременно.

Высокая плотность электронов вокруг уходящей группы блокирует переднюю сторону подложки, что вынуждает нуклеофила инициировать атаку на обратную сторону.

По мере того, как HOMO нуклеофила эффективно перекрывается с LUMO электрофила, начинает формироваться новая связь, и в то же время связь между электрофилом и уходящей группой ослабевает.

При этом угол между заместителями и уходящей группой уменьшается со 109,5° до 90°, а геометрия атома углерода изменяется с тетраэдральной — в подложке — на тригональную бипирамидальную, в пентакоординатном переходном состоянии.

Однако, чтобы сохранить четырехвалентность углерода, уходящая группа выходит из переходного состояния, и геометрия углерода снова становится тетраэдрической.

В продукте заместители на углероде вывернуты наизнанку, в результате чего получился перевернутый тетраэдр — похожий на зонт, который переворачивается при сильном ветре. Кроме того, нуклеофил размещается прямо напротив исходного положения уходящей группы.

В ахиральной подложке, благодаря плоскости симметрии, конфигурация инвертированного продукта идентична конфигурации реагента, и поэтому видимой инверсии не наблюдается.

Напротив, хиральный субстрат, такой как (R)-2-бромбутан — с асимметричным альфа-углеродом — претерпевает очевидную инверсию конфигурации, также известную как инверсия Уолдена, чтобы получить (S)-2-бутанол с перевернутым углеродным стереоцентром.

Аналогичным образом, (S)-2-хлорпентан вступает в реакцию S_N2 с образованием (R)-2-пентанола.

В циклической молекуле транс-субстрат дает цис-продукт, в то время как цис-субстрат генерирует транс-продукт.

Таким образом, реакции S_N2 являются стереоспецифичными, поскольку стереохимический результат продукта зависит от конфигурации субстрата.