Восстановление карбонильных соединений, таких как альдегиды и кетоны, является одной из важнейших реакций в органическом синтезе, поскольку приводит к образованию спиртов. Стереохимический аспект этих реакций связан с возникновением новых хиральных центров, распределением продуктов по энантиомерным и диастереомерным формам, а также с контролем пространственной ориентации заместителей при гидридном переносе.
При восстановлении альдегидов образуется первичный спирт. Если в молекуле отсутствуют другие хиральные центры, стереохимический анализ не имеет особого значения, так как продукт ачиврален. Однако если в молекуле присутствуют другие хиральные центры или восстановление проводится в хиральной среде, возможна диастереоселективность. Например, в случае α-хиральных альдегидов направление атаки гидрид-иона на карбонильный углерод определяется пространственными факторами (правила Фелкина–Ана и модель Крамера).
Кетоны при восстановлении дают вторичные спирты. Карбонильный углерод становится хиральным центром, что приводит к образованию пары энантиомеров. Если в молекуле уже существует стереоцентр, то восстановление даёт смесь диастереомеров, соотношение которых определяется как стерическими, так и электронными эффектами.
Пример: восстановление 2-бутанона может привести к (R)-2-бутанолу или (S)-2-бутанолу. В отсутствие хиральной индукции продукты образуются в рацемической смеси. Если же присутствует соседний хиральный центр, как в α-метил-циклогексаноне, то возможно преимущественное образование одного из диастереомеров.
Модель Крамера. Согласно этой модели, в присутствии соседнего хирального центра нуклеофил атакует карбонильный углерод преимущественно со стороны, противоположной наиболее массивной заместительной группе при α-углероде. Это объясняет диастереоселективность при восстановлении α-хиральных кетонов.
Правила Фелкина–Ана. Более современная интерпретация, учитывающая минимизацию электронной репульсии и торсионных напряжений. Нуклеофильная атака идёт со стороны, где заместитель располагается в антиперипланарной ориентации к карбонильной группировке, что приводит к прогнозируемому стереохимическому исходу.
Модель Черчила–Кордеса. Учитывает возможность образования переходных состояний с участием растворителя или иона металла, изменяющих ориентацию атаки.
Применение различных восстановителей (LiAlH₄, NaBH₄, боргидриды в присутствии металлов) влияет на стереохимию реакции.
Использование хиральных катализаторов и хиральных реагентов позволяет получать преимущественно один энантиомер спирта. Наиболее известным примером является CBS-восстановление, где боргидрид в комплексе с хиральным оксазаборолидином осуществляет стереоселективное восстановление кетонов с высоким энантиомерным избытком.
Другой подход основан на применении хиральных комплексов переходных металлов (например, Ru, Rh, Ir) при каталитическом гидрировании карбонильных соединений. В этих системах хиральный лиганд определяет направление атаки водорода, обеспечивая преимущественное образование одного энантиомера.
Циклические кетоны при восстановлении могут давать транс- и цис-спирты. Пространственное расположение заместителей и стерические взаимодействия в цикле определяют, какой диастереомер будет преобладать.
Пример: восстановление 4-трет-бутилциклогексанона происходит с преимущественным образованием экваториального спирта, так как атака гидрида с аксиальной стороны менее выгодна из-за стерического взаимодействия с массивной трет-бутильной группой.
Ферменты-дегидрогеназы осуществляют восстановление карбонильных соединений с абсолютным стереоконтролем. В отличие от химических восстановителей, такие ферменты используют коферменты NADH или NADPH, обеспечивая строго определённое направление атаки гидрид-иона. Это делает биокаталитические методы мощным инструментом асимметрического синтеза.