Стереоселективность — преимущественное образование в химической реакции одного стереоизомера над другим. Если образующиеся стереоизомеры являются энантиомерами , то данное явление называется энантиоселективностью , если стереоизомерные продукты являются диастереомерами — диастереоселективностью . Количественно стереоселективность выражается при помощи энантиомерного или диастереомерного избытка .

Условия образования стереоизомеров

Для того, чтобы в реакции в принципе могли образоваться стереоизомеры, структура молекул должна удовлетворять некоторым условиям симметрии .

Если происходит превращение гомотопных групп или присоединение к гомотопным сторонам, то происходит образование единственного продукта . Например, бромирование любой из гомотопных метильных групп ацетона или присоединение реагента к любой из его гомотопных сторон приведёт к образованию одного продукта .

Если происходит превращение энантиотопных групп или присоединение к энантиотопным сторонам, то в большинстве случаев образуются стереоизомеры . Если в реакции к такому субстрату присоединяется ахиральный реагент, то образуется два энантиомера, если же присоединяется хиральный реагент, то образуются диастереомеры .

Если происходит превращение диастереотопных групп или присоединение к диастереотопным сторонам, то всегда образуется пара диастереомеров . Причём, независимо от того, является ли реагент хиральным или нет, продукты реакции всегда являются диастереомерами .

Условия возникновения стереоселективности

Степень стереоселективности для какой-либо конкретной реакции предсказать трудно, но можно сформулировать условия, необходимые для её возникновения .

Так, образование диастереомеров сопровождается образованием диастереомерных переходных состояний , которые различаются по геометрии и поэтому имеют различную энергию. По этой причине диастереомеры всегда получаются в реакциях в неравных количествах. Это явление наблюдается как в реакциях диастереотопных групп или сторон молекул, так и в реакциях энантиотопных групп или сторон с хиральным реагентом. Неравное соотношение образующихся диастереомеров может быть связано с разными скоростями их образования (кинетически контролируемая диастереоселектиность) или с их различной устойчивостью (термодинамически контролируемая диастереоселективность) .

Образование пары энантиомеров происходит в результате реакции энантиотопных групп или сторон молекул с ахиральным реагентом. В ходе такого превращения образуются два различных переходных состояния, которые являются зеркальными отражениями друг друга, имеют одинаковые энергии и, соответственно, образуются с одинаковой скоростью. Таким образом, скорости образования двух энантиомеров также равны, и стереоселективности не наблюдается .

Таким образом, стереоселективность в той или иной степени проявляется при наличии диастереомерных переходных состояний, а истинно энантиоселективных реакций не существует, поскольку в их основе также лежат те или иные диастереомерные взаимодействия .

Методы создания стереоселективности

Энантиоселективность

Как отмечалось выше, в действительности даже энантиоселективные реакции должны проходить через диастереомерные переходные состояния. Однако поскольку ни субстрат, ни реагент в превращении не являются хиральными, необходимо использовать некие дополнительные хиральные факторы, чтобы навести стереоселективность.

Одним из распространённых методов создания энантиоселективности является использование хиральных добавок . Ими могут являться все вещества, которые возвращаются из реакции в неизменённом виде: сорастворители, фотосенсибилизаторы , катализаторы и др. Примерами таких реакций могут являться многочисленные примеры , например, альдольная реакция , катализируемая природной хиральной аминокислотой — пролином .

Широкое распространение получил также подход с использованием : субстрат с энантиотопными группами вступает в реакцию с данным реагентом и образует хиральное производное, которые затем может взаимодействовать с реагентом (хиральным или ахиральным) с образованием смеси диастереомеров в неравных количествах. Затем путём некоторого превращения хиральный вспомогательный реагент удаляют из продуктов реакции, в результате чего получается нерацемическая смесь энантиомеров. Важно использовать энантиомерно чистый вспомогательный реагент, так как его загрязнение посторонним энантиомером будет приводить к снижению энантиоселективности реакции .

Существует также тип реакций, в которых энантиотопный субстрат взаимодействует с хиральным реагентом , но при этом от реагента к субстрату переносится ахиральная частица. За счёт этого создаётся диастереомерное переходное состояние (поскольку в него включён и хиральный реагент), но в качестве продуктов образуются энантиомеры, а не диастереомеры, поскольку сам хиральный реагент в продукт не входит. Примером такого реагента является NADPH , который является хиральным соединением и выступает как восстановитель (донор гидрид-иона ) в биологических системах .

Менее распространены такие подходы, как фотохимические превращения под действием циркулярно-поляризованного («хирального») света (они дают небольшую энантиоселективность) и реакции в хиральном растворителе .

Диастереоселективность

Диастереоселективность была впервые обнаружена Эмилем Фишером , который показал, что соотношение диастереомеров, образующихся при создании нового хирального центра, зависит от наличия в молекуле других центров хиральности. Позже это явление получило название асимметрической индукции . Попытки создать обобщённую теорию для предсказания направления диастереоселективности были, в основном, бесплодными. Основной успех в этой области связан с реакциями присоединения к карбонильной группе, для которых разработано несколько моделей, имеющих предсказательную силу .

В 1969 году Рухом и Уги был предложен полуколичественный метод оценки стереоселективности, основанный на теории групп и использовании констант заместителей, однако он не был развит впоследствии .

Количественная оценка

Если в результате реакции возникают два стереоизомерных продукта, то стереоселективность может быть охарактеризована несколькими способами: соотношением продуктов ( r ), их процентным содержанием или избытком основного продукта ( e ). При этом, если из двух продуктов X и Y преобладает первый, то справедливы соотношения :

${\displaystyle A+R\longrightarrow X+Y;}$

${\displaystyle r={\frac {[X]}{[Y]}};}$

${\displaystyle e={\frac {[X]-[Y]}{[X]+[Y]}}\cdot 100\;\%=\%X-\%Y={\frac {r-1}{r+1}}\cdot 100\;\%;}$

${\displaystyle X\%={\frac {100r}{r+1}}.}$

В зависимости от того, получаются в реакции энантиомеры или диастереомеры, используют термины энантиомерный избыток ( ee , англ. enantiomeric excess ) или диастереомерный избыток ( de , англ. diastereomeric excess ). Иногда в реакции образуются диастереомеры, однако затем их превращают в энантиомеры путём удаления из них , то также используют понятие диастереомерного избытка .

По своему смыслу величина энантиомерного избытка ee численно равна оптической чистоте продукта, которая вычисляется как отношение наблюдаемого удельного вращения к удельному вращению чистого энантиомера. Однако в настоящее время энантиомерный избыток может быть определён более надёжными методами, например, спектроскопией ЯМР или хроматографией .

${\displaystyle r={\frac {[\alpha ]}{[\alpha ]_{max}}}\cdot 100\;\%}$

См. также

• Стереоселективный синтез
• Региоселективность

Примечания

Комментарии

Источники

Литература

• Ногради М. Стереоселективный синтез = Stereoselective Synthesis / Пер. с англ. В. М. Демьянович. — М. : Мир, 1989. — ISBN 5-03-001023-8 .