Zasady pierwszeństwa Cahna-Ingolda-Preloga - Cahn–Ingold–Prelog priority rules

Przykład priorytetyzacji struktury w ramach systemu CIP. Priorytet jest przypisywany zgodnie z podstawieniem pierwiastków o wyższych liczbach atomowych lub innych dołączonych grup. Na czerwono jest podstawnik, który określa ostateczny priorytet (obrazek powyżej).

Cahna-Ingolda-Preloga ( CIP ) regułach kolejności , nazwana chemii organicznej Robert Sidney Cahna , Christopher Kelk Ingolda i Vladimir Preloga - alternatywnie określane jako zasady priorytetowe CIP , układu lub konwencji - jest standardowym procesem stosowane w chemii organicznej do całkowitego i jednoznacznie nazwać stereoizomer cząsteczki. Celem systemu CIP jest przypisanie deskryptora R lub S do każdego stereocentrum oraz deskryptora E lub Z do każdego wiązania podwójnego, tak aby można było jednoznacznie określić konfigurację całej cząsteczki poprzez włączenie deskryptorów do jej nazwy systematycznej. Cząsteczka może zawierać dowolną liczbę stereocentrów i dowolną liczbę wiązań podwójnych , a każde z nich zwykle prowadzi do powstania dwóch możliwych izomerów. Cząsteczka z liczbą całkowitą n opisującą liczbę jej centrów stereogenicznych będzie zwykle miała 2 n stereoizomerów i 2 n- 1 diastereoizomerów, z których każdy ma powiązaną parę enancjomerów. Reguły sekwencji CIP przyczyniają się do precyzyjnego nazewnictwa każdego stereoizomeru każdej cząsteczki organicznej i metaloorganicznej , przy czym wszystkie atomy wligacji są mniejsze niż 4 (ale obejmując również wligację 6, termin ten odnosi się do „liczby sąsiednich atomów” związanych z środek).

Kluczowy artykuł określający zasady sekwencji CIP został opublikowany w 1966 roku, po którym nastąpiły dalsze udoskonalenia, zanim został włączony do zasad Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC), oficjalnego organu definiującego nomenklaturę organiczną , w 1974. Od tego czasu przepisy zostały zrewidowane, ostatnio w 2013 r., w ramach książki IUPAC Nomenclature of Organic Chemistry . Prezentacja zasad IUPAC stanowi oficjalny, formalny standard ich stosowania i zauważa, że ​​„metoda została opracowana, aby objąć wszystkie związki o ligacji do 4… i… [rozszerzone do przypadku] ligancy 6… [jak również] dla wszystkich konfiguracji i konformacji takich związków." Niemniej jednak, chociaż dokumentacja IUPAC przedstawia dokładne wprowadzenie, zawiera ostrzeżenie, że „konieczne jest przestudiowanie oryginalnych artykułów, zwłaszcza artykułu z 1966 roku, przed zastosowaniem reguły kolejności w przypadkach innych niż dość proste”.

Niedawny artykuł argumentuje za zmianami niektórych reguł (reguły sekwencji 1b i 2) w celu zajęcia się pewnymi cząsteczkami, dla których prawidłowe deskryptory były niejasne. Pozostaje jednak inny problem: w rzadkich przypadkach dwa różne stereoizomery tej samej cząsteczki mogą mieć te same deskryptory CIP, więc system CIP może nie być w stanie jednoznacznie nazwać stereoizomeru, a inne systemy mogą być preferowane.

Kroki do nazewnictwa

Etapy nazewnictwa cząsteczek przy użyciu systemu CIP są często przedstawiane jako:

  1. Identyfikacja stereocentrów i wiązań podwójnych ;
  2. Przypisanie priorytetów grupom przyłączonym do każdego stereocentrum lub podwójnie związanego atomu; oraz
  3. Przypisanie deskryptorów R / S i E / Z .

Przypisanie priorytetów

Deskryptory R / S i E / Z są przypisywane przy użyciu systemu rankingowego priorytetu grup przyłączonych do każdego stereocentrum. Ta procedura, często nazywana regułami sekwencji , jest sercem systemu CIP. Przegląd w tej sekcji pomija niektóre reguły, które są potrzebne tylko w rzadkich przypadkach.

  1. Porównaj liczbę atomową ( Z ) atomów bezpośrednio przyłączonych do stereocentrum; grupa mająca atom o wyższej liczbie atomowej otrzymuje wyższy priorytet.
  2. Jeśli istnieje remis, musimy wziąć pod uwagę atomy w odległości 2 od stereocentrum — ponieważ dla każdej grupy atomów związanych z tą bezpośrednio przyłączoną do stereocentrum sporządza się listę. Każda lista jest ułożona w kolejności malejącej liczby atomowej. Następnie listy są porównywane atom po atomie; przy najwcześniejszej różnicy grupa zawierająca atom o wyższej liczbie atomowej otrzymuje wyższy priorytet.
  3. Jeśli nadal istnieje remis, każdy atom na każdej z dwóch list jest zastępowany podlistą pozostałych atomów z nim związanych (w odległości 3 od stereocentrum), podlisty są ułożone w kolejności malejącej liczby atomowej, a cały struktura jest ponownie porównywana atom po atomie. Proces ten powtarza się rekursywnie, za każdym razem z atomami o jedno wiązanie dalej od stereocentrum, aż do zerwania wiązania.

Izotopy

Jeśli dwie grupy różnią się tylko izotopami , to do ustalenia priorytetu używana jest większa masa atomowa .

Wiązania podwójne i potrójne

W tym przykładzie przedstawiono „regułę dziel i duplikuj” dla wiązań podwójnych. Grupa winylowa (C=C) lub część alkenowa ma wyższy priorytet niż część alkanowa (C-C).

Jeśli atom A jest podwójnie związany z atomem B, A jest traktowany jako pojedynczo związany z dwoma atomami: B i „atomem fantomowym”, który jest duplikatem B (ma taką samą liczbę atomową), ale nie jest do niczego przyłączony z wyjątkiem A. Gdy B zostanie zastąpione listą przyłączonych atomów, samo A, ale nie jego „fantom”, jest wykluczone zgodnie z ogólną zasadą nie dublowania z powrotem wzdłuż wiązania, które właśnie zastosowano. Potrójne wiązanie jest obsługiwane w ten sam sposób, z wyjątkiem tego, że A i B są połączone z dwoma fantomowymi atomami drugiego.

Izomery geometryczne

Jeżeli dwa podstawniki na atomie są wzajemnie izomerami geometrycznymi , izomer Z ma wyższy priorytet niż izomer E.

Cząsteczki cykliczne

Aby obsłużyć cząsteczkę zawierającą jeden lub więcej cykli , należy najpierw rozwinąć ją w drzewo (nazywane digrafem hierarchicznym ) poprzez przechodzenie wiązań we wszystkich możliwych ścieżkach rozpoczynających się w stereocentrum. Kiedy przejście napotyka atom, przez który przeszła już bieżąca ścieżka, generowany jest atom fantomowy, aby drzewo było skończone. Pojedynczy atom oryginalnej cząsteczki może pojawić się w wielu miejscach (niektóre jako fantomy, inne nie) na drzewie.

Przypisywanie deskryptorów

Stereocentra: R / S

Dwa przykłady stereocentrów. Najniższy podstawnik (numer 4) jest pokazany tylko linią falistą i zakłada się, że znajduje się za resztą cząsteczki. Oba pokazane centra są izomerami S.

Po podstawniki o stereocentrum zostały przypisane priorytety, cząsteczka jest zorientowany w przestrzeni tak, że grupa z najniższym priorytetem jest skierowany od obserwatora. Jeżeli podstawniki są ponumerowane od 1 (najwyższy priorytet) do 4 (najniższy priorytet), to kierunek obrotu krzywej przechodzącej przez 1, 2 i 3 rozróżnia stereoizomery . Środek o kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara to środek R ( rectus ), a środek o kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara to środek S ( złowrogi ). Nazwy pochodzą z łaciny , odpowiednio, „prawo” i „lewo”.

Przykład deskryptora ( s ) : (1 R ,2 s ,3 S )-1,2,3-trichlorocyklopentan

Praktyczną metodą określenia czy enancjomerem jest R czy S jest zastosowanie reguły prawej ręki : cząsteczkę owija się palcami w kierunku 1 → 2 → 3 . Jeśli kciuk wskazuje w kierunku czwartego podstawnika, enancjomerem jest R ; w przeciwnym razie jest to S .

W rzadkich przypadkach możliwe jest, że dwa podstawniki na atomie różnią się tylko konfiguracją absolutną ( R lub S ). Jeżeli względne priorytety podstawniki te powinny być ustalone, R ma wyższy priorytet niż S . Kiedy tak się dzieje, deskryptorem stereocentrum jest mała litera ( r lub s ) zamiast zwykle używanej dużej litery .

Wiązania podwójne: E / Z

W przypadku alkenów i podobnych cząsteczek z podwójnym wiązaniem, ten sam proces ustalania priorytetów stosuje się dla podstawników. W tym przypadku znaczenie ma umieszczenie dwóch podstawników o najwyższym priorytecie w odniesieniu do wiązania podwójnego. Jeżeli oba podstawniki o wysokim priorytecie znajdują się po tej samej stronie wiązania podwójnego, tj. w konfiguracji cis , wówczas stereoizomerowi przypisuje się Z ( zusammen ). Jeżeli przeciwnie, są one w konfiguracji trans , to stereoizomerowi przypisuje się E ( entgegen ). W tym przypadku litery identyfikujące pochodzą z niemieckiego, odpowiednio, jako „razem” i „przeciwieństwo”.

Przykłady

Poniżej przedstawiono przykłady zastosowania nomenklatury.

Przypisania R / S dla kilku związków
R-bromochlorofluorojodometan-2D.png
Hipotetyczna cząsteczka bromochlorofluorojodometan pokazana w konfiguracji ( R ) byłaby bardzo prostym związkiem chiralnym. Priorytety są przypisywane na podstawie liczby atomowej ( Z ): jod ( Z = 53) > brom ( Z = 35) > chlor ( Z = 17) > fluor ( Z = 9). Pozwalając fluorowi (o najniższym priorytecie) skierować się z dala od widza, obrót jest zgodny z ruchem wskazówek zegara, stąd przypisanie R.
L-seryna-szkielet.png
Przypisanie L -seryny najwyższym priorytetem jest do azotu atomem ( Z = 7) w grupę aminową (NH 2 ). Zarówno grupa hydroksymetylowa (CH 2 OH), jak i grupa kwasu karboksylowego (COOH) mają atomy węgla ( Z = 6) ale pierwszeństwo ma ta ostatnia, ponieważ atom węgla w grupie COOH jest połączony z drugim tlenem ( Z = 8 ) w CH 2 grupy OH węgla połączony jest z wodoru, atomu ( z = 1). Najniższy priorytet ma atom wodoru i gdy ten atom jest skierowany od obserwatora, zmniejszenie priorytetu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara nad trzema pozostałymi podstawnikami kończy przypisanie jako S .
(S)-Carvone.svg
Stereocentrum w ( S )-karwonie jest połączone z jednym atomem wodoru (nie pokazano, priorytet 4) i trzema atomami węgla. Grupa izopropenylowa ma priorytet 1 (tylko atomy węgla), a dla dwóch pozostałych atomów węgla pierwszeństwo jest ustalane z atomami węgla dwa wiązania usunięte ze stereocentrum, jedna część grupy ketonowej (O, O, C, priorytet 2) i jedna część alkenu (C, C, H, priorytet 3). Wynikowy obrót w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara daje w wyniku S .

Opisywanie wielu ośrodków

Jeśli związek zawiera więcej niż jedno chiralne centrum chiralności i każda z nich jest oznaczone albo R lub S . Na przykład efedryna występuje w stereoizomerach (1 R ,2 S ) i (1 S ,2 R ), które są odrębnymi lustrzanymi odbiciami siebie, co czyni je enancjomerami . Związek ten istnieje również jako dwa zapisane enancjomery ( 1R , 2R ) i ( 1S , 2S ), które są nazywane raczej pseudoefedryną niż efedryną. Wszystkie cztery z tych izomerów w systematycznej nomenklaturze nazywane są 2-metyloamino-1-fenylo-1-propanolem. Jednak efedryna i pseudoefedryna są diastereoizomerami lub stereoizomerami, które nie są enancjomerami, ponieważ nie są spokrewnione jako kopie lustrzane. Pseudoefedryna i efedryna mają różne nazwy, ponieważ jako diastereoizomery mają różne właściwości chemiczne, nawet dla ich mieszanin racemicznych .

Bardziej ogólnie, dla dowolnej pary enancjomerów wszystkie deskryptory są przeciwne: ( R , R ) i ( S , S ) są enancjomerami, podobnie jak ( R , S ) i ( S , R ). Diastereoizomery mają co najmniej jeden wspólny deskryptor; na przykład ( R , S ) i ( R , R ) są diastereoizomerami, podobnie jak ( S , R ) i ( S , S ). Odnosi się to również do związków mających więcej niż dwa stereocentra: jeśli dwa stereoizomery mają co najmniej jeden wspólny deskryptor, są to diastereomery. Jeśli wszystkie deskryptory są przeciwne, są to enancjomery.

Gdy przyporządkowanie numeryczne stereocentrów nie jest unikalne ze względu na lustrzaną symetrię całej cząsteczki, powstaje związek mezo, taki jak kwas mezowinowy , w którym ( R , S ) jest takie samo jak forma ( S , R ). W mezo związkach stereocentra R i S występują w symetrycznie rozmieszczonych parach.

Konfiguracja względna

Względną konfigurację dwóch stereoizomerów można oznaczyć deskryptorami R i S z gwiazdką (*). ( R *, R *) oznaczają dwa centra mające identyczne konfiguracje, ( R , R ) lub ( S , S ); ( R *, S *) oznaczają dwa centra o przeciwnych konfiguracjach ( R , S ) lub ( S , R ). Na początek centrum stereogeniczne o najniższym numerze (zgodnie z systematyczną numeracją IUPAC) otrzymuje deskryptor R *.

Do oznaczenia dwóch anomerów stosuje się względne stereodeskryptory alfa (α) i beta (β). W anomerze α anomeryczny atom węgla i atom odniesienia mają przeciwne konfiguracje ( R , S ) lub ( S , R ), podczas gdy w anomerze β są one takie same ( R , R ) lub ( S , S ).

Twarze

Stereochemia odgrywa również rolę w przypisywaniu twarzy do cząsteczek trygonalnych, takich jak ketony . Nukleofil w nukleofilowego może zbliżyć się karbonylową grupę z dwóch przeciwległych bokach lub powierzchniach. Kiedy achiralny nukleofil atakuje aceton , obie strony są identyczne i jest tylko jeden produkt reakcji. Gdy nukleofil atakuje butanon , powierzchnie nie są identyczne ( enancjotopowe ) i powstaje produkt racemiczny . Gdy nukleofil jest chiralną cząsteczką, powstają diastereoizomery . Gdy jedna ściana cząsteczki jest osłonięta przez podstawniki lub ograniczenia geometryczne w porównaniu z drugą ścianą, ściany te nazywane są diastereotopowymi . Te same zasady, które określają stereochemię stereocentrum ( R lub S ) mają również zastosowanie przy przypisywaniu ścianki grupy cząsteczkowej. Twarze są wtedy nazywane Re- face i Si- face . W przykładzie pokazanym po prawej, związek acetofenon jest oglądany od strony Re . Dodanie wodorku, jak w procesie redukcji, z tej strony utworzy enancjomer ( S ), a atak od strony przeciwnej strony krzemu da enancjomer ( R ). Należy jednak zauważyć, że dodanie grupy chemicznej do centrum prochiralnego z Re- face nie zawsze prowadzi do ( S )-stereocentrum, ponieważ należy wziąć pod uwagę priorytet grupy chemicznej. Oznacza to, że absolutna stereochemia produktu jest określana samodzielnie, a nie przez rozważanie, z której strony został zaatakowany. W powyższym przykładzie, jeśli chlorek ( Z = 17) zostałby dodany do prochiralnego centrum od strony Re, dałoby to enancjomer ( R ).

Bibliografia