СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНОСТЬ

Стереоселективность

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[1].

Условия образования стереоизомеров[ | ]

См. также:

Для того, чтобы в реакции в принципе могли образоваться стереоизомеры, структура молекул должна удовлетворять некоторым условиям симметрии[2].

Если происходит превращение гомотопных групп или присоединение к гомотопным сторонам, то происходит образование единственного продукта[К 1][3]. Например, бромирование любой из гомотопных метильных групп ацетона или присоединение реагента к любой из его гомотопных сторон приведёт к образованию одного продукта[2].

Если происходит превращение диастереотопных групп или присоединение к диастереотопным сторонам, то всегда образуется пара диастереомеров[К 3][5]. Причём, независимо от того, является ли реагент хиральным или нет, продукты реакции всегда являются диастереомерами[2].

Условия возникновения стереоселективности[ | ]

Степень стереоселективности для какой-либо конкретной реакции предсказать трудно, но можно сформулировать условия, необходимые для её возникновения[6].

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)[6].

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, 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[6].

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[7].

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[7].

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[7].

Менее распространены такие подходы, как фотохимические превращения под действием циркулярно-поляризованного («хирального») света (они дают небольшую энантиоселективность) и реакции в хиральном растворителе[7].

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[8].

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[8].

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[9]:

A + R ⟶ X + Y ; {displaystyle A+Rlongrightarrow X+Y;} r = [ X ] [ Y ] ; {displaystyle r={frac {[X]}{[Y]}};} e = [ X ] − [ Y ] [ X ] + [ Y ] ⋅ 100 % = % X − % Y = r − 1 r + 1 ⋅ 100 % ; {displaystyle e={frac {[X]-[Y]}{[X]+[Y]}}cdot 100;\%=\%X-\%Y={frac {r-1}{r+1}}cdot 100;\%;} X % = 100 r r + 1 . {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).

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[9].

r = [ α ] [ α ] m a x ⋅ 100 % {displaystyle r={frac {[alpha ]}{[alpha ]_{max}}}cdot 100;\%}

См. также[ | ]

• Стереоселективный синтез
• Региоселективность

Примечания[ | ]

Стереоселективность и эндо-эффект

Реакции Дильса-Альдера, как согласованные реакции циклоприсоединения, являются стереоспецифичными, т.е. стереохимическая конфигурация в реагентах сохраняется в продуктах. $E-$ и $Z-$диенофилы, например, приводят к аддуктам с соответствующей син- или анти-стереохимией:

Рисунок 1. Реакции Дильса-Альдера. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Эндо-эффект

Известно, что реакции Дильса-Альдера протекают строго стереоселективно, и основным продуктом в большинстве реакций являются эндо-изомеры. Например, при циклоприсоединении к циклопентадиену малеинового ангидрида основным продуктом будет является эндо-аддукт, хотя экзо-аддукт и является более стабильным термодинамически:

Рисунок 2. Эндо-эффект. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В первоначальных комплексах при экзо- и эндо-присоединении молекулы диенов и диенофилов ориентированы следующим образом:

Рисунок 3. Ориентация молекул. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Предполагается, что причиной эндо-ориентации являются вторичные орбитальные взаимодействия, показанные на рис.1.а. В противоположность этому взаимодействие циклопентадиена с тропоном (VIII) ведет к предпочтительному образованию экзо-аддукта.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Рисунок 4. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В данном случае вторичные орбитальные взаимодействия являются разрыхляющими (рис 5.б), и поэтому дестабилизируют эндо-ориентированный первоначальный комплекс.

Рисунок 5. Вторичные связующие (а) и разрыхляющие (б) взаимодействия при эндо-циклоприсоединении малеинового ангидрида (а) и тропона (б) к циклопентадиену. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Стерические эффекты диенов, в которых имеется несколько заместителей, или заместители, с объемными группами, а также очень громоздких диенофилов, могут существенно влиять на эндо / экзо селективность. Диены с объемными концевыми заместителями ($C1$ и $C4$) уменьшают скорость реакции, по-видимому, препятствуя подходу диена к диенофилу.

Однако, объемистые заместители в положении $C2$ или $C3$ фактически увеличивают скорость реакции за счет дестабилизации $S$-транс конформации и заставляя диен вступать во взаимодействие в реакционной $s$-цис-конформации. Реакционная способность 2-трет-бутил-1,3-бутадиена, например, в 27 раз больше, чем простого реактивного бутадиена.

Показатели эндо / экзо селективности для различных соединений показаны ниже:

Рисунок 6. Показатели эндо / экзо селективности для различных соединений. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Региоселективность

Анализ согласно метода ВМО был использован для объяснения закономерностей региоселективности наблюдаемых в реакции Дильса-Альдера для замещенных систем. Расчет энергий и орбитальных коэффициентов компонентов граничных орбиталей дает картину, которая находится в хорошем согласии с более простым анализом заместителей и их резонансных эффектов.

Если мы предположим, что центры с самыми большими пограничным орбитальными коэффициентами будут реагировать более легко при сопоставлении, чем с несовпадающими (т.е.

по величине коэффициенты HСMO будет реагировать более легко с наибольшим коэффициентом ВЗМО), мы можем легко предсказать какой именно региоизомер будет результатом взаимодействия данной пары диен-диенофил.

Рисунок 7. Региоселективность. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Региоселективная зависимость конфигурации продукта от конфигурации диена и диенофила

В сценарии нормального взаимодействия, диен, содержащий ЭДГ (электронодонорную группу) на $C1$, имеет наибольший коэффициент HСMO у $C4$, в то время как диенофил имеет наибольший коэффициент ВЗМО у $C2$.

Сопряжение этих двух коэффициентов даст «орто» продукт, как видно в случае 1 на рисунке ниже. Диен, замещенный в $C2$, как показано в случае 2, изображенном ниже, имеет наибольший коэффициент HСMO при $C1$, что приводит к «пара» продукту.

Аналогичный анализ для соответствующих сценариев обратного взаимодействия приводит к аналогичным продуктам, как показано в случаях 3 и 4.

1. Образование орто-продукта при взаимодействии диена, содержащего электронодонорную группу в крайнем положении, с алкеном, содержащим электронакцепторную группу также в крайнем положении:

   Рисунок 8. Образование орто-продукта. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

2. Образование пара-продукта при взаимодействии диена, содержащего электронодонорную группу в положении внутри молекулы (у $C2$ атома), с алкеном, содержащим электронакцепторную группу также в крайнем положении:

   Рисунок 9. Образование пара-продукта. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

3. Образование орто-продукта при взаимодействии диена, содержащего в данном случае электронакцепторную группу в крайнем положении, с алкеном, содержащим электронодонорную группу также в крайнем положении:

   Рисунок 10. Образование орто-продукта. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

4. Образование пара-продукта при взаимодействии диена, содержащего электронакцепторную группу в положении внутри молекулы (у $C2$ атома), с алкеном, содержащим электронодонорную группу также в крайнем положении:

Рисунок 11. Образование пара-продукта . Автор24 — интернет-биржа студенческих работ