Стереоспецифичность
Стереоспецифи́чность (от стерео… и лат. specificus – видовой), способность одного стереоизомерного реагента образовывать определённый стереоизомерный продукт, а другого стереоизомера того же реагента – другой стереоизомер того же продукта. Другими словами, стереоспецифичность – это контроль стереохимического результата реакции стереохимией реагентов. Наряду со стереоселективностью, является разновидностью продуктоселективности.
Стереоспецифическая реакция протекает по единственному пути из нескольких возможных, поэтому её можно рассматривать как полностью стереоселективную. Все стереоспецифические реакции являются стереоселективными, но не все стереоселективные реакции стереоспецифичны.
Классический пример стереоспецифичности – реакция SN2 (реакция бимолекулярного нуклеофильного замещения) и сопутствующее ей вальденовское обращение конфигурации sp3-гибридного атома углерода (рис. 1).
Рис. 1. Механизм реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения. В квадратных скобках показано переходное состояние.Подход нуклеофила Z с тыла тетраэдра обеспечивает наилучшее перекрывание его двухэлектронной несвязывающей орбитали с низшей свободной молекулярной орбиталью cубстрата (разрыхляющая σ-орбиталь разрываемой связи C−X, см. Теория граничных орбиталей). Как следствие, происходит вальденовское обращение конфигурации тетраэдра, и из исходного S-энантиомерного субстрата получают R-энантиомер продукта, и наоборот (рис. 2).
Рис. 2. Взаимодействие граничных орбиталей в реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения.По этим же причинам аналогичная реакция нуклеофильной атаки, представленная на рис. 3, приводит к единственному продукту нуклеофильного замещения.
Рис. 3. Реакция бимолекулярного нуклеофильного замещения в 1-бром-З-метилциклогексане.Стереоспецифической является реакция бромирования бутена-2. При бромировании (Е)-изомера может образоваться только мезо-форма 2,3-дибромбутана, тогда как при бромировании (Z)-изомера образуется смесь продуктов (рис. 4).
Рис. 4. Реакция бромирования бутена-2.Реакция элиминирования HBr по постадийному механизму Е1 (рис. 5) является стереоселективной, но не стереоспецифической, т. к. приводит к образованию смеси (E)- и (Z)-изомерных алкенов в неравных количествах, с преобладанием стерически более устойчивого (Е)-1,2-дифенилпропена. В то же время протекание реакции по синхронному механизму Е2 (в отличие от Е1, единственно возможного в природе) является стереоспецифическим процессом с образованием (Е)-алкена в качестве продукта.
Рис. 5. Реакции элиминирования HBr по постадийному Е1 и синхронному Е2 механизмам.Для дегидрогалогенирования бромциклогексана с необходимым антиперипланарным расположением атомов водорода и брома механизм Е2 возможен только в случае аксиального расположения уходящего брома. Конечный продукт (циклогексен) образуется при выполнении этого требования (рис. 6).
Рис. 6. Дегидрогалогенирование бромциклогексана.Стереоспецифичность – важнейшее свойство процессов в живом организме, где ферменты образуют в качестве продукта только один из возможных стереоизомеров или используют в качестве субстрата только один стереоизомер. Практически все ферменты человека взаимодействуют с L-аминокислотами; фермент аспартаза (аспартат-аммиак-лиаза) реагирует только с фумаровой (с транс-изомером), но не с малеиновой кислотой (с цис-изомером); фумараза (фумарат-гидратаза) оказывает действие только на фумарат (транс-форма), а цис-изомерный малеинат не является субстратом фумаразы и т. д. (рис. 7).
Рис. 7. Ферментативное превращение фумарата в малат.Стереоспецифичность является одним из факторов лекарственной безопасности. Энантиомеры лекарственных веществ часто имеют сильно различающееся сродство к рецепторным участкам, метаболизируются с разными скоростями и имеют различное сродство к участкам связывания в белках и тканях. Игнорирование этих особенностей может привести к трагическим последствиям, как в широко известной истории R- и S-энантиомеров талидомида (см. Пороки развития).