סטריאוסלקטיביות

תגובה כימית נקראת סטריאוסלקטיבית אם נוצר במהלכה עודף משמעותי של אחד הסטריאואיזומרים. כאשר התוצר העיקרי הוא אחד האננטיומרים מגדירים אותה כאננטיוסלקטיבית, ולעומת זאת כאשר התוצר העיקרי הוא דיאסטריאומר התגובה מוגדרת כדיאסטריאוסלקטיבית. תגובה כימית, שיש לה תכונה כזאת, מקלה על בידודו של סטריאואיזומר מועדף, ועל ידי כך משפרת באופן ניכר תהליכים תעשייתיים.

מאפיינים

קיים מגוון גדול של תגובות כימיות, שבהן נוצרים סטריאואיזומרים. בתנאים מסוימים תגובות אלו יכולות להיות גם סטריאוסלקטיביות. אומרים על תגובה כימית שהיא נמצאת תחת שליטה קינטית, כאשר התוצר הסופי הוא האיזומר בעל מצב המעבר היציב ביותר, כלומר הוא נוצר עקב אנרגיית שפעול נמוכה יותר. בתגובה כזאת התוצר הסופי איננו בהכרח התוצר היציב ביותר בין כל התוצרים האפשריים. המקרה שבו התוצר הסופי הוא האיזומר היציב ביותר נקרא תגובה כימית תחת שליטה תרמודינמית.
במקרים מסוימים קיים לכל סטריאואיזומר, הנוצר בתגובה כימית, מסלול היווצרות משלו, ולכן ייתכן שסטריאואיזומר אחד נוצר תחת שליטה קינטית ואילו חברו נוצר תחת שליטה תרמודינמית. במקרים אלו, כוונון של הפרמטרים התרמודינמיים, למשל קביעת הטמפרטורה, יקבעו את סוג השליטה בתגובה, ויגרמו לתגובה להיות סטריאוסלקטיבית.
בתעשייה הכימית, ובמיוחד בתעשיית התרופות, יש יתרון לשימוש בזרזים, על-מנת להוריד את אנרגיית השפעול של התגובה, ולגרום לה להתרחש בקצב גבוה יותר. תוך שימוש בזרזים כיראליים ניתן לייצר אננטיומרים, ואפילו לגרום לתגובה להיות אננטיוסלקטיבית, גם אם המגיבים אינם כיראליים כלל ועיקר.
תגובה סטריאוסלקטיבית זו, הקרויה גם סינתזה אסימטרית מזורזת, התגלתה על ידי ויליאם נולס בשנת 1968, כאשר הוא הראה שיש ביכולתם של זרזים כיראליים מסוימים להעביר את תכונת הכיראליות לתוצר. התגובה הסטריאוסלקטיבית שאותה שיפר נולס הייתה תגובת הידרוגנציה. פיתוח נוסף בתחום זה חל בשנות ה-80 של המאה ה-20, עת קארל שארפלס יישם את הזירוז הכיראלי גם עבור תגובת אפוקסידציה, וריוג'י נויורי גילה זרז כיראלי מסוים, שנמצא יעיל ושימושי עבור מגוון רחב של סינתזות אסימטריות מזורזות. שלושתם יחד זכו בפרס נובל לכימיה בשנת 2001, על תגליות אלו בתחום הסטריאוסלקטיביות.

דוגמאות

גיאורג ויטיג גילה ב-1954 תגובת אולפינציה הקרויה כיום על-שמו. על גילוי זה הוא זכה בפרס נובל לכימיה בשנת 1979. תגובה זו הופכת קטון או אלדהיד לאלקן בעזרת טריפניל פוספוניום איליד (triphenyl phosphonium ylide), המכונה ריאגנט ויטיג. התגובה נותנת עדיפות ליצירת חומר ביניים בעל מבנה מרחבי מסוים, כתוצאה מהפרעה סטרית. לאחר השתחררות של תחמוצת טריפנילפוספין מחומר הביניים מתקבל עודף של סטריאואיזומר מסוים כתוצר סופי. כיום, תגובה זו שימושית מאוד בסינתזה אורגנית.
מתילציית גריניאר היא דוגמה לתגובה דיאסטריאוסלקטיבית, שבה קרבוניל מגיב עם תרכובת גריניאר. התגובה מושפעת מנוכחות מרכז כיראלי סמוך לקרבוניל, ובכך התגובה מכוונת ליצירה מועדפת של אחד הדיאסטריאומרים. תגובה זו שימושית מאוד בסינתזה אורגנית, הן במחקר הן בתעשייה. ויקטור גריניאר עצמו זכה בפרס נובל לכימיה בשנת 1912 עקב גילוי התרכובת הנושאת את שמו.
היישום התעשייתי הראשון של שיטת הזרזים הכיראליים בתגובות סטריאוסלקטיביות, אותה המציא נולס, היה בסינתזה של החומצה האמינית הנדירה L‏-4,3-דיהידרוקסיפנילאלנין, המוכרת בשם L-DOPA. חומר זה, המצוי גם בטבע, משווק כתרופה שמגבירה את ייצור הדופמין אצל חולי מחלת פרקינסון. בשלב הראשון של הסינתזה מיוצר אננטיומר L בעודף אננטיומרי (enantiomeric excess) של 95% (מסומן כ-95%ee), בעזרת זרז כיראלי המכיל רודיום ופוספינים. השלב השני הוא שלב הידרוליזה פשוט. תהליך הייצור של L-DOPA הוא דוגמה לתגובה אננטיוסלקטיבית. כיום, שיטתו של נולס, ושיטות נוספות המבוססות עליה נפוצות בתעשיית התרופות, משום שבמקרים רבים רק אחד האננטיומרים מבצע את פעולת הריפוי.
התקדמות נוספת בתחום הסינתזה האסימטרית המזורזת ניתן לרשום לזכותו של ריוג'י נויורי, אשר המציא זרז המורכב מרותניום יחד עם מולקולה אורגנית מורכבת שנקראת בינאפ (BINAP). הזרז של נויורי מאפשר סינתזות סטריאוסלקטיביות מגוונות. באיור ניתנת דוגמה לתגובה שהיא אננטיוסלקטיבית ובו בזמן גם דיאסטריאוסלקטיבית. תגובת נויורי נפוצה במגוון שימושים של סינתזה אורגנית, למשל: תעשיית התרופות, תעשיית כימיקלים לחקלאות, חומרי טעם וריח, ועוד.