В вашей установке может быть что-то странное. Я только что создал проект WPF, сохранив настройки по умолчанию, нацеленный на .NET 4. Затем я переключился на 3.5. VS попросил перезагрузить проект, и тогда целевое время выполнения ссылок было v2 (правильное), а их версия была 3.5 (с ошибкой, что отсутствовали Microsoft.CSharp и System.Xaml, что понятно).
Затем я проделал то же самое для .NET 3 и 2 и получил те же результаты: после перезагрузки проекта версия ссылочных библиотек DLL изменилась, если это имело смысл (System.Data всегда v2.0).
При использовании CLR v2 имя помощника отладки vshost было изменено на что-то вроде vshost-clrv2.