Первоначально причины инверсии конфигурации в $SN_2$-реакциях объясняли чисто электростатическими факторами. Как правило, геометрия переходного состояния для кинетически контролируемых реакций ближе к реагентам, в то время как для термодинамически контролируемых реакций ближе к продуктам реакции. О структуре промежуточных (промежуточных соединений), конечно, известно больше и информация о них достовернее, чем о структуре переходного состояния. Поэтому сведения о интермедиатах часто используют для заключения о переходные состояния и определения механизма в целом.
Так, рассмотрев приведенную ранее схему, следует снова обратить внимание на переходные состояния:
В переходном состоянии типа I несущие отрицательный заряд входящие и уходящи группы находятся на больших расстояниях друг от друга, чем в переходных состояниях типа II. Электростатические отталкивания между группами в структуре типа I меньше, чем в структуре типа II. Однако обращения конфигураций в реакциях, где входящие и уходящие группы заряжены разноименно, и между ними должны быть электростатические притяжения, свидетельствуют против простого объяснения, основанного на электростатическом взаимодействии.
Изучение промежуточных частиц и установление их конфигурации
При определении механизмов реакции и геометрии проходящих при этом взаимодействий предполагают существования в процессе преобразования реакционные промежуточных частей. В результате этого образовались и создаются методы выявления таких нестабильных соединений. Существует целая отрасль органической химии, занимающаяся характеристикой и применением веществ, которые лишь в некоторых случаях могут быть выделены в свободном состоянии. Вопрос об участии промежуточной частицы в реакции аналогичное вопросу о том, является ли реакция одно- или многостадийной. Стоит отметить вывод, который является важным для данного раздела: разница между стехиометрическим уравнением и уравнением скорости реакции указывает, что, например, в данной реакции участвует некоторая активная переходная частица.
Несоответствие между стехиометрией и порядком реакции прямо указывает на участие в реакции активных промежуточных частей. Природу переходного комплекса можно выяснить путем стехиометрических исследований или в опытах с ловушками (путем фиксации). Выводы, основанные на свойствах симметрии промежуточного состояния. Активные промежуточные частицы в большинстве случаев являются валентно ненасыщенными. Из-за возникающей по этой причине более низкой степени замещении они часто обладают более высокой симметрией, чем выходные вещества или образуются из переходных компонентов. Это можно обнаружить в тех случаях, когда реакционный центр является одновременно центром хиральности.
Вращения конфигурации
В соединениях, содержащих более одного хирального центра, можно проследить стехиометрический результат реакции у одного центра хиральности по отношению к конфигурации при других центрах, что избавляет от необходимости иметь оптически активный материал. Наблюдают, таким образом, наличие или отсутствие эпимеризации. Наблюдение изменения конфигурации можно рассматривать как указание на многостадийность реакции и, соответственно, на участие активной промежуточной частицы, если только аналогичные изменения конфигурации не могут быть результатом одностадийного процесса.
Например, подмеченная инверсия при $SN_2$ – реакций, они могут удовлетворительно объясняться и одностадийным процессом. Однако этого не удается сделать при рассмотрении стехиометрического результата.
Инверсия конфигурации в реакциях SN2
В настоящее время инверсию конфигурации реакциях $SN_2$ объясняют в рамках теории ВЗМО. В случае треугольных переходных состояний (рис. 1, а) элементами симметрии, присущими как связям $C—Z$, так и нуклеофилам и переходным состояниям, являются вертикальные зеркальные плоскости, проходящие (в переходных состояниях ПС) через центры нуклеофилов и середины связей $C—Z$. Относительно этоих плоскостей орбитали $n$ и $\sigma$ симметричны, а орбитали ПС антисимметричны. Следовательно, эффективно взаимодействовать могут лишь две заполненные орбитали — $n$ и $\sigma$, и молекулярные орбитали ПC будет иметь высокую энергию. Для линейных переходных состояний (рис. 1, б), сохраняющимися в ходе реакций элементами орбитальной симметрии являются оси $C$; относительно этих элементов все граничные орбитали, $\sigma$, $\sigma$ и $n$ будут симметричны, поэтому реализуются трехорбитальные взаимодействия. Возмущения орбиталями $\sigma$ повышают энергии $n$-орбиталей, но возмущения орбиталями $\sigma$, наоборот, понижают их энергии. Следовательно, энергии ВЗМО ПС не будут такими высокими, как в случае, изображенном на рис. 1, а. Таким образом, энергии линейных переходных состояний должны быть меньше энергий треугольных переходных состояний.
Рис. 1. Диаграмма возмущения граничных орбиталей в реакциях идущих по $SN_2$ механизму при фронтальных (а) и тыловых (б) атаках нуклеофилов (Nu) на связи $C—Z$. ПС— переходные состояния
Квантово-химический расчет показывает, что различие энергии переходных состояний при тыловой и фронтальной атаках $Nu$ достаточно велико (до 20 ккал/моль), чтобы считать абсолютно надежным вывод об инверсии конфигурации при $SN_2$-замещении у насыщенного атома углерода. Реакции $SN_2$ являются согласованными процессами одновременного разрыва связей $C—Z$ и образований связей $C—Nu$, поэтому аналогично другим согласованным реакциям, они контролируются орбитальными взаимодействиями, а не электростатическими факторами.
Инверсия конфигурации в газовой фазе
Инверсия конфигураций наблюдается не только для реакций $SN_2$ в растворах. Экспериментально было установлено, что и в газах бимолекулярные нуклеофильные замещения происходят с обращением конфигураций, например в реакции хлорид-иона с цис- и транс- изомерами 4-бромциклогексанола.
