Правила приоритета Кана – Ингольда – Прелога - Cahn–Ingold–Prelog priority rules

Пример приоритезации структуры в системе CIP. Приоритет присваивается согласно замене элементов с более высокими атомными номерами или другими присоединенными группами. Красным цветом обозначен заместитель, определяющий окончательный приоритет (изображение выше).

Кан-Ингольд-Прелог ( CIP ) правила последовательности , названный по органической химии Роберт Сидни Кану , Кристофер Kelk Ингольдом и Прелог - в качестве альтернативы называют приоритетом CIP правил , систему или соглашения - это стандартный процесс , используемым в органической химии полностью и однозначно называют стереоизомер молекулы. Целью системы CIP является присвоение дескриптора R или S каждому стереоцентру и дескриптора E или Z каждой двойной связи, чтобы конфигурация всей молекулы могла быть уникально указана путем включения дескрипторов в ее систематическое имя. Молекула может содержать любое количество стереоцентров и любое количество двойных связей , и каждая обычно дает два возможных изомера. Молекула с целым числом n, описывающим количество ее стереогенных центров , обычно будет иметь 2 n стереоизомеров и 2 n -1 диастереомеров, каждый из которых имеет связанную пару энантиомеров. Правила последовательности CIP вносят вклад в точное наименование каждого стереоизомера каждой органической и металлоорганической молекулы со всеми атомами лигантности менее 4 (но включая также лигантность 6, этот термин относится к «количеству соседних атомов», связанных с центр).

Ключевая статья, устанавливающая правила последовательности CIP, была опубликована в 1966 году, после чего были внесены дальнейшие уточнения, прежде чем она была включена в правила Международного союза чистой и прикладной химии (IUPAC), официального органа, определяющего органическую номенклатуру , в 1974. С тех пор правила были пересмотрены, последний раз в 2013 году, как часть книги ИЮПАК « Номенклатура органической химии» . Представленные ИЮПАК правила представляют собой официальный, формальный стандарт их использования, и в нем отмечается, что «метод был разработан для охвата всех соединений с лиганностью до 4 ... и ... [расширен на случай] лигантности 6 ... [а также] для всех конфигураций и конформаций таких соединений ". Тем не менее, хотя документация IUPAC представляет собой подробное введение, она включает предупреждение о том, что «важно изучить исходные статьи, особенно статью 1966 года, прежде чем использовать правило последовательности для иных, чем довольно простых случаев».

В недавней статье приводятся доводы в пользу изменения некоторых правил (правила последовательности 1b и 2) для обращения к определенным молекулам, для которых правильные дескрипторы не были ясны. Однако остается другая проблема: в редких случаях два разных стереоизомера одной и той же молекулы могут иметь одинаковые дескрипторы CIP, поэтому система CIP может не иметь возможности однозначно назвать стереоизомер, и другие системы могут быть предпочтительнее.

Шаги по именованию

Шаги для наименования молекул с использованием системы CIP часто представлены как:

  1. Идентификация стереоцентров и двойных связей ;
  2. Присвоение приоритетов группам, присоединенным к каждому стереоцентру или атому с двойной связью; а также
  3. Назначение дескрипторов R / S и E / Z.

Расстановка приоритетов

Дескрипторы R / S и E / Z назначаются с использованием системы ранжирования приоритета групп, прикрепленных к каждому стереоцентру. Эта процедура, часто известная как правила последовательности , является сердцем системы CIP. Обзор в этом разделе опускает некоторые правила, которые необходимы только в редких случаях.

  1. Сравните атомный номер ( Z ) атомов, непосредственно присоединенных к стереоцентру; группа, имеющая атом с более высоким атомным номером, получает более высокий приоритет.
  2. Если есть связь, мы должны рассматривать атомы на расстоянии 2 от стереоцентра - так как список составляется для каждой группы атомов, связанных с группой, непосредственно присоединенной к стереоцентру. Каждый список расположен в порядке убывания атомного номера. Затем списки сравниваются атом за атомом; при самом раннем различии группа, содержащая атом с более высоким атомным номером, получает более высокий приоритет.
  3. Если связь все еще существует, каждый атом в каждом из двух списков заменяется подсписком других атомов, связанных с ним (на расстоянии 3 от стереоцентра), подсписки располагаются в порядке убывания атомного номера, и все подсписки структура снова сравнивается атом за атомом. Этот процесс повторяется рекурсивно, каждый раз с атомами на одну связь дальше от стереоцентра, пока связь не будет разорвана.

Изотопы

Если две группы различаются только изотопами , то для задания приоритета используется большая атомная масса .

Двойные и тройные связи

Этот пример демонстрирует «правило разделения и дублирования» для двойных связей. Виниловая группа (C = C) или алкеновая часть имеет более высокий приоритет по сравнению с алкановой (C-C) частью.

Если атом A связан двойной связью с атомом B, A рассматривается как одинарно связанный с двумя атомами: B и «фантомным атомом», который является дубликатом B (имеет тот же атомный номер), но не связан ни с чем. за исключением A. Когда B заменяется списком присоединенных атомов, A сам A, но не его «фантом», исключается в соответствии с общим принципом отсутствия удвоения по только что выполненной связи. Тройная связь обрабатывается так же, за исключением того, что каждый из A и B связан с двумя фантомными атомами другого.

Геометрические изомеры

Если два заместителя на атоме являются геометрическими изомерами друг друга, Z- изомер имеет более высокий приоритет, чем E- изомер.

Циклические молекулы

Чтобы обработать молекулу, содержащую один или несколько циклов , нужно сначала развернуть ее в дерево (называемое иерархическим орграфом ), пройдя связи по всем возможным путям, начиная со стереоцентра. Когда обход встречает атом, через который уже прошел текущий путь, создается фантомный атом, чтобы дерево оставалось конечным. Отдельный атом исходной молекулы может появляться во многих местах (некоторые как фантомы, некоторые нет) в дереве.

Назначение дескрипторов

Стереоцентры: R / S

Два примера стереоцентров. Самый низкий заместитель (номер 4) показан только волнистой линией и предполагается, что он находится за остальной частью молекулы. Оба показанных центра являются S- изомерами.

После того , как заместители из более стереоцентра были присвоены приоритетами, молекула ориентируются в пространстве так , что группа с самым низким приоритетом направлена в стороне от наблюдателя. Если заместители пронумерованы от 1 (высший приоритет) до 4 (низший приоритет), то направление вращения кривой, проходящей через 1, 2 и 3, различает стереоизомеры . Центр с направлением вращения по часовой стрелке - это центр R ( прямая мышца ), а центр с направлением вращения против часовой стрелки - это центр S ( зловещий ). Имена образованы от латинского «правый» и «левый» соответственно.

Пример дескриптора a ( s ): (1 R , 2 s , 3 S ) -1,2,3-трихлорциклопентан

Практический метод определения того, является ли энантиомер R или S, заключается в использовании правила правой руки : молекулу оборачивают пальцами в направлении 1 → 2 → 3 . Если большой палец указывает в сторону четвертого заместителя, энантиомер представляет собой R ; в противном случае это S .

В редких случаях возможно, что два заместителя у атома отличаются только своей абсолютной конфигурацией ( R или S ). Если относительные приоритеты этих заместителей должны быть установлены, R имеет приоритет над S . Когда это происходит, дескриптор стереоцентра представляет собой строчную букву ( r или s ) вместо обычно используемой прописной буквы.

Двойные связи: E / Z

Для алкенов и аналогичных молекул с двойной связью применяется тот же процесс определения приоритетов для заместителей. В этом случае имеет значение размещение двух заместителей с наивысшим приоритетом по отношению к двойной связи. Если оба высокоприоритетных заместителя находятся на одной стороне двойной связи, то есть в цис- конфигурации , то стереоизомеру присваивается Z ( zusammen ). Если, напротив, они находятся в транс- конфигурации , то стереоизомеру присваивается E ( entgegen ). В этом случае идентифицирующие буквы взяты из немецкого языка для обозначения «вместе» и «напротив» соответственно.

Примеры

Ниже приведены примеры применения номенклатуры.

Назначения R / S для нескольких соединений
R-бромхлорфториодметан-2D.png
Гипотетическая молекула бромхлорфториодметана, показанная в ее ( R ) -конфигурации, была бы очень простым хиральным соединением. Приоритеты назначаются на основе атомного номера ( Z ): йод ( Z = 53)> бром ( Z = 35)> хлор ( Z = 17)> фтор ( Z = 9). Позволяя фтору (самый низкий приоритет) указывать в сторону от зрителя, вращение происходит по часовой стрелке, отсюда и назначение R.
L-серин-скелет.png
При присвоении L- серина наивысший приоритет отдается атому азота ( Z = 7) в аминогруппе (NH 2 ). Как гидроксиметильная группа (CH 2 OH), так и группа карбоновой кислоты (COOH) имеют атомы углерода ( Z = 6), но приоритет отдается последнему, потому что атом углерода в группе COOH связан со вторым кислородом ( Z = 8 ), тогда как в группе CH 2 OH углерод связан с атомом водорода ( Z = 1). Самый низкий приоритет отдается атом водорода , и как этот атом точки в направлении от зрителя снижение против часовой стрелки , в приоритетном порядке в течение трех остальных заместителей завершает задание в качестве S .
(S) -Carvone.svg
Стереоцентр в ( S ) -карвоне связан с одним атомом водорода (не показан, приоритет 4) и тремя атомами углерода. Изопропенильная группа имеет приоритет 1 (только атомы углерода), а для двух оставшихся атомов углерода приоритет определяется атомами углерода, двумя связями, удаленными из стереоцентра, одной частью кетогруппы (O, O, C, приоритет 2) и одной. часть алкена (C, C, H, приоритет 3). Полученные результаты вращения против часовой стрелки S .

Описание нескольких центров

Если соединение имеет более чем один хиральный стереоцентр, каждый центр обозначается либо R или S . Например, эфедрин существует в стереоизомерах (1 R , 2 S ) и (1 S , 2 R ), которые представляют собой различные зеркальные формы друг друга, что делает их энантиомерами . Это соединение также существует в виде двух энантиомеров (1 R , 2 R ) и (1 S , 2 S ), которые называются псевдоэфедрином, а не эфедрином. Все четыре из этих изомеров названы в систематической номенклатуре 2-метиламино-1-фенил-1-пропанолом. Однако эфедрин и псевдоэфедрин являются диастереомерами или стереоизомерами, которые не являются энантиомерами, потому что они не связаны как зеркальные копии. Псевдоэфедрин и эфедрин получили разные названия, потому что, будучи диастереомерами, они имеют разные химические свойства даже для рацемических смесей каждого из них.

В более общем смысле, для любой пары энантиомеров все дескрипторы противоположны: ( R , R ) и ( S , S ) являются энантиомерами, как и ( R , S ) и ( S , R ). Диастереомеры имеют по крайней мере один общий дескриптор; например ( R , S ) и ( R , R ) являются диастериомерами, как ( S , R ) и ( S , S ). Это справедливо также для соединений, имеющих более двух стереоцентров: если два стереоизомера имеют по крайней мере один общий дескриптор, они являются диастереомерами. Если все дескрипторы противоположны, они энантиомеры.

Когда числовое назначение стереоцентров не является уникальным из-за зеркальной симметрии всей молекулы, результатом является мезосоединение, такое как мезотартаровая кислота , в котором ( R , S ) совпадает с формой ( S , R ). В мезосоединениях стереоцентры R и S находятся в симметрично расположенных парах.

Относительная конфигурация

Относительная конфигурация двух стереоизомеров может быть обозначена дескрипторами R и S со звездочкой (*). ( R *, R *) означает два центра, имеющих идентичную конфигурацию, ( R , R ) или ( S , S ); ( R *, S *) означает два центра, имеющих противоположные конфигурации, ( R , S ) или ( S , R ). Для начала стереогенный центр с наименьшим номером (согласно систематической нумерации IUPAC) получает дескриптор R *.

Для обозначения двух аномеров используются относительные стереодескрипторы альфа (α) и бета (β). В α-аномере аномерный атом углерода и эталонный атом действительно имеют противоположные конфигурации ( R , S ) или ( S , R ), тогда как в β-аномере они одинаковы ( R , R ) или ( S , S ).

Лица

Стереохимия также играет роль в назначении граней тригональным молекулам, таким как кетоны . Нуклеофил в нуклеофильном присоединении может приблизиться к карбонильной группе с двух противоположных сторон или граней. Когда ахиральный нуклеофил атакует ацетон , обе грани идентичны и есть только один продукт реакции. Когда нуклеофил атакует бутанон , лица не идентичны ( энантиотопы ), и в результате образуется рацемический продукт . Когда нуклеофил представляет собой хиральную молекулу , образуются диастереоизомеры . Когда одна грань молекулы экранирована заместителями или геометрическими ограничениями по сравнению с другой гранью, грани называются диастереотопными . Те же правила, которые определяют стереохимию стереоцентра ( R или S ), также применяются при назначении грани молекулярной группы. Грани тогда называются Re -face и Si -face . В примере , показанный справа, соединение ацетофенон рассматриваются с Re - грани. Добавление гидрида, как в процессе восстановления с этой стороны, будет формировать ( S ) -энантиомер, а атака с противоположной стороны Si даст ( R ) -энантиомер. Однако следует отметить, что добавление химической группы к прохиральному центру из Re -face не всегда приводит к ( S ) -стереоцентру, поскольку необходимо учитывать приоритет химической группы. То есть абсолютная стереохимия продукта определяется сама по себе, а не с учетом того, с какой стороны на него было совершено нападение. В вышеупомянутом примере, если хлорид ( Z = 17) был добавлен к прохиральному центру из Re -face, это привело бы к ( R ) -энантиомеру.

использованная литература