Диастереоселективными называют реакции, в которых из возможных диастереомерных продуктов один или несколько образуются преимущественно. В отличие от энантиоселективности, где речь идёт о различии в образовании энантиомеров, диастереоселективность связана с относительным пространственным расположением заместителей в молекуле и проявляется даже в ахиральной среде. Диастереоселективность возникает благодаря энергетическим различиям переходных состояний, обусловленным стерическими, электронными и конформационными факторами.
1. Стерические взаимодействия. Преимущественно образуется тот диастереомер, в котором заместители в переходном состоянии и в продукте располагаются минимально перегруженно.
2. Электронные эффекты. Стабильность переходного состояния может определяться дипольными взаимодействиями, донорно-акцепторными эффектами, а также наличием водородных связей, которые фиксируют определённую ориентацию реагентов.
3. Конформационный контроль. Реакции, протекающие через циклические или квазициркулярные переходные состояния, демонстрируют выраженную зависимость от предпочтительной конформации субстрата.
4. Хиральные элементы структуры. Наличие уже существующего стереоцентра в молекуле оказывает направляющее действие на образование нового центра, что приводит к диастереоселективности. Этот эффект носит название асимметрической индукции.
1. Син- и анти-аддиции. Присоединение реагентов к кратным связям может происходить син- или анти-способом. Например, гидроборирование-окисление алкенов приводит преимущественно к син-продуктам, тогда как галогенирование протекает по анти-механизму.
2. Альдольные реакции. Формирование нового стереоцентра при альдольной конденсации часто диастереоселективно. Стереохимический результат объясняется моделями Циммермана–Тракслера, в которых учитывается шестициклическое переходное состояние и взаимное расположение заместителей.
3. Реакции с участием енолатов. Протекание реакций через енолаты сопровождается предсказуемыми стереохимическими исходами. Влияние оказывают геометрия енолата (E/Z), конформация переходного состояния и взаимодействие с электрофилами.
4. Эпоксидирование и гидроксилирование алкенов. Оксидирование алкенов перкислотами или диоксидом осмия демонстрирует высокую диастереоселективность, что объясняется стереоспецифическим характером реакции.
5. Реакции нуклеофильного присоединения к карбонилам. Нуклеофилы могут атаковать карбонильный углерод с двух сторон, но направление атаки определяется как влиянием заместителей у α-углерода, так и уже существующими стереоцентрами.
Модель Фелкина–Ана. Применяется для описания нуклеофильного присоединения к карбонилам, содержащим соседний стереоцентр. Согласно этой модели, нуклеофил атакует карбонильную группу со стороны, противоположной наиболее объёмному заместителю у соседнего атома.
Модель Крама. Объясняет стереохимию присоединений при участии хиральных α-замещённых карбонилов. Согласно правилу Крама, нуклеофил предпочитает подходить к карбонильной группе с той стороны, где заместители создают минимальное стерическое препятствие.
Модель Циммермана–Тракслера. Используется для интерпретации стереохимии альдольных реакций. Согласно этой модели, реакция протекает через шестициклическое переходное состояние с анти-перипланарным расположением заместителей.
При образовании двух новых стереоцентров возможны разные взаимные ориентации заместителей. Если продукты содержат группы, ориентированные в одном направлении (син), либо в противоположных (анти), их образование подчиняется чётким закономерностям:
При наличии в молекуле одного хирального центра образующийся второй стереоцентр формируется не случайным образом, а в определённой ориентации. Это явление называют диастереоселективной асимметрической индукцией. Оно объясняется тем, что уже существующий хиральный центр искажает симметрию молекулы и ограничивает возможные траектории приближения реагента.
Диастереоселективные реакции являются фундаментальным инструментом органического синтеза. Они позволяют: