В органической химии правила последовательности Кана –Ингольда–Прелога ( CIP ) (также соглашение о приоритетах CIP ; названное в честь Роберта Сиднея Кана , Кристофера Келка Ингольда и Владимира Прелога ) представляют собой стандартный процесс для полного и недвусмысленного наименования стереоизомера молекулы. [ 1] [2] : 26 Целью системы CIP является назначение дескриптора R или S каждому стереоцентру и дескриптора E или Z каждой двойной связи так, чтобы конфигурация всей молекулы могла быть указана однозначно путем включения дескрипторов в ее систематическое название. Молекула может содержать любое количество стереоцентров и любое количество двойных связей, и каждая из них обычно приводит к двум возможным изомерам. Молекула с целым числом n, описывающим количество стереоцентров, обычно будет иметь 2 n стереоизомеров и 2 n −1 диастереомеров, каждый из которых имеет связанную пару энантиомеров . [3] [4] Правила последовательности CIP способствуют точному наименованию каждого стереоизомера каждой органической молекулы со всеми атомами лиганта менее 4 (но включая также лиганта 6, этот термин относится к «количеству соседних атомов», связанных с центром). [2] : 26f [4]
Основная статья, устанавливающая правила последовательности CIP, была опубликована в 1966 году [5] , за ней последовали дальнейшие уточнения [6] , прежде чем она была включена в правила Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), официального органа, определяющего органическую номенклатуру , в 1974 году. [2] : 26ff С тех пор правила были пересмотрены, последний раз в 2013 году [7] как часть книги ИЮПАК «Номенклатура органической химии» . Представление правил ИЮПАК представляет собой официальный формальный стандарт для их использования, и в нем отмечается, что «метод был разработан для охвата всех соединений с лиганством до 4... и... [расширен на случай] лиганства 6... [а также] для всех конфигураций и конформаций таких соединений». [2] : 26ff Тем не менее, хотя документация ИЮПАК представляет собой подробное введение, она включает предупреждение о том, что «необходимо изучить оригинальные статьи, особенно статью 1966 года, прежде чем использовать правило последовательности для случаев, отличных от довольно простых». [2] : 26f
В недавней статье приводятся доводы в пользу внесения изменений в некоторые правила (правила последовательности 1b и 2) для рассмотрения определенных молекул, для которых правильные дескрипторы были неясны. [8] Однако остается другая проблема: в редких случаях два разных стереоизомера одной и той же молекулы могут иметь одинаковые дескрипторы CIP, поэтому система CIP может оказаться неспособной однозначно назвать стереоизомер, и другие системы могут оказаться предпочтительнее. [9] : 27
Этапы присвоения названий молекулам с использованием системы CIP часто представляются следующим образом:
Дескрипторы R / S и E / Z назначаются с использованием системы ранжирования приоритета групп, прикрепленных к каждому стереоцентру. Эта процедура, часто называемая правилами последовательности , является сердцем системы CIP. Обзор в этом разделе опускает некоторые правила, которые необходимы только в редких случаях.
Если две группы отличаются только изотопами , то для установления приоритета используется большая атомная масса . [10]
Если атом A связан двойной связью с другим атомом, то атом A следует рассматривать так, как будто он «связан с тем же атомом дважды». [11] Атом с двойной связью имеет более высокий приоритет, чем атом с одинарной связью. [11] При работе с группами приоритетов с двойной связью разрешается посещать один и тот же атом дважды, поскольку создается дуга. [12]
Когда B заменяется списком присоединенных атомов, сам A, но не его «фантом», исключается в соответствии с общим принципом не удваиваться назад вдоль связи, которая только что была пройдена. Тройная связь обрабатывается таким же образом, за исключением того, что A и B каждый соединен с двумя фантомными атомами другого. [2] : 28
Если два заместителя на атоме являются геометрическими изомерами друг друга, Z -изомер имеет более высокий приоритет, чем E -изомер. Стереоизомер, который содержит две группы с более высоким приоритетом на одной стороне двойной связи ( цис ), классифицируется как «Z». Стереоизомер с двумя группами с более высоким приоритетом на противоположных сторонах двойной связи углерод-углерод ( транс ) классифицируется как «E». [13]
Чтобы обработать молекулу, содержащую один или несколько циклов , нужно сначала развернуть ее в дерево (называемое иерархическим орграфом ), пройдя по связям по всем возможным путям, начиная со стереоцентра. Когда обход встречает атом, через который уже прошел текущий путь, генерируется фантомный атом, чтобы сохранить дерево конечным. Отдельный атом исходной молекулы может появляться во многих местах (некоторые как фантомы, некоторые нет) в дереве. [14] : 572
Хиральный sp 3 гибридизованный изомер содержит четыре различных заместителя. Всем четырем заместителям назначаются прориты на основе их атомных номеров. После того, как заместителям стереоцентра были назначены их приоритеты, молекула ориентируется в пространстве таким образом , что группа с самым низким приоритетом направлена от наблюдателя. Если заместители пронумерованы от 1 (самый высокий приоритет) до 4 (самый низкий приоритет), то направление вращения кривой, проходящей через 1, 2 и 3, отличает стереоизомеры . В конфигурационном изомере группа с самым низким приоритетом (чаще всего водород) расположена за плоскостью или заштрихованной связью, идущей от читателя. Группа с самым высоким приоритетом будет иметь нарисованную дугу, соединяющую остальные группы, заканчивающуюся в группе третьего приоритета. Дуга, нарисованная по часовой стрелке, имеет назначение прямой ( R ). Дуга, нарисованная против часовой стрелки, имеет назначение левой ( S ). Названия получены из латинских слов «правый» и «левый» соответственно. [15] [16] При названии органического изомера аббревиатура для назначения rectus или sinister ставится перед именем в скобках. Например, 3-метил-1-пентен с назначением rectus форматируется как ( R )-3-метил-1-пентен. [12]
-1,2,3-trichlorocyclopentane.svg/1280px-(1R,2s,3S)-1,2,3-trichlorocyclopentane.svg.png)
Практический метод определения того, является ли энантиомер R или S , заключается в использовании правила правой руки : молекулу обхватывают пальцами в направлении 1 → 2 → 3. Если большой палец указывает в направлении четвертого заместителя, энантиомер — R ; в противном случае — S.
В редких случаях возможно, что два заместителя на атоме отличаются только своей абсолютной конфигурацией ( R или S ). Если необходимо установить относительные приоритеты этих заместителей, R имеет приоритет над S. Когда это происходит, дескриптор стереоцентра представляет собой строчную букву ( r или s ) вместо обычно используемой заглавной буквы. [17]
Для молекул с двойной связью применяются правила приоритета Кана-Ингольда-Прелога (правила CIP), чтобы определить приоритет заместителей двойной связи. Если обе группы с высоким приоритетом находятся по одну сторону двойной связи ( цис -конфигурация ), то стереоизомеру присваивается конфигурация Z ( zusammen, немецкое слово, означающее «вместе»). Если группы с высоким приоритетом находятся по разные стороны двойной связи ( транс -конфигурация ), то стереоизомеру присваивается конфигурация E ( entgegen , немецкое слово, означающее «противоположный») [18]
В некоторых случаях, когда образуются стереогенные центры, необходимо указать конфигурацию. Без наличия нековалентного взаимодействия соединение является ахиральным . Некоторые специалисты предложили новое правило для учета этого. Это правило гласит, что «нековалентные взаимодействия имеют фиктивное число между 0 и 1» при назначении приоритета. [19] Соединения, в которых это происходит, называются координационными соединениями .
Некоторые спиросоединения, например, лиганды SDP (( R )- и ( S )-7,7'-бис(дифенилфосфанил)-2,2',3,3'-тетрагидро-1,1'-спироби[инден]), представляют собой хиральные, C2 - симметричные молекулы, где кольца лежат приблизительно под прямым углом друг к другу, и каждая молекула не может быть наложена на свое зеркальное отражение. [12] Спироуглерод, C, является стереогенным центром, и приоритет может быть назначен a>a′>b>b′, в котором одно кольцо (оба дают один и тот же ответ) содержит атомы a и b, смежные со спироуглеродом, а другое содержит a′ и b′. Конфигурация в точке C затем может быть назначена как для любого другого стереоцентра.
Ниже приведены примеры применения номенклатуры. [20]
Если соединение имеет более одного хирального стереоцентра, каждый центр обозначается либо R , либо S. Например, эфедрин существует в стереоизомерах (1 R ,2 S ) и (1 S ,2 R ), которые являются различными зеркальными отражениями друг друга, что делает их энантиомерами . Это соединение также существует в виде двух энантиомеров , записанных (1 R ,2 R ) и (1 S ,2 S ), которые называются псевдоэфедрином, а не эфедрином. Все четыре из этих изомеров называются 2-метиламино-1-фенил-1-пропанолом в систематической номенклатуре. Однако эфедрин и псевдоэфедрин являются диастереомерами , или стереоизомерами, которые не являются энантиомерами, поскольку они не связаны как зеркальные копии. Псевдоэфедрин и эфедрин получили разные названия, поскольку, как диастереомеры, они имеют разные химические свойства, даже для рацемических смесей каждого.
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 диастереомерами, как и ( 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 являются энантиомерами.
Мезосоединение является ахиральной молекулой, несмотря на наличие двух или более стереогенных центров . Мезосоединение накладывается на свое зеркальное отражение, поэтому оно уменьшает число стереоизомеров, предсказываемых правилом 2 n . Это происходит потому, что молекула получает плоскость симметрии, которая заставляет молекулу вращаться вокруг центральной углерод-углеродной связи. [12] Одним из примеров является мезо -винная кислота , в которой ( R , S ) совпадает с формой ( S , R ). В мезосоединениях стереоцентры R и S встречаются в симметрично расположенных парах. [21]
Относительная конфигурация двух стереоизомеров может быть обозначена дескрипторами R и S со звездочкой (*). ( R *, R *) означает два центра, имеющих идентичные конфигурации, ( R , R ) или ( S , S ); ( R *, S *) означает два центра, имеющих противоположные конфигурации, ( R , S ) или ( S , R ). Для начала стереогенному центру с наименьшим номером (согласно систематической нумерации ИЮПАК) присваивается дескриптор R *.
Для обозначения двух аномеров используются относительные стереодескрипторы альфа (α) и бета (β). В α-аномере аномерный атом углерода и референтный атом имеют противоположные конфигурации ( R , S ) или ( S , R ), тогда как в β-аномере они одинаковы ( R , R ) или ( S , S ). [22]
Стереохимия также играет роль в назначении граней тригональным молекулам, таким как кетоны . Нуклеофил в нуклеофильном присоединении может приближаться 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 , грани не идентичны ( энантиотопны ), и получается рацемический продукт . Когда нуклеофил является хиральной молекулой, 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 ), применяются и при назначении грани молекулярной группы. Грани тогда называются Re -гранью и Si -гранью . [23] [24] В примере, показанном справа, соединение ацетофенон рассматривается с Re -грани. Присоединение гидрида, как в процессе восстановления с этой стороны, образует ( S )-энантиомер, а атака с противоположной Si -грани даст ( R )-энантиомер. Однако следует отметить, что добавление химической группы к прохиральному центру с Re -грани 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 грани он был атакован. В вышеупомянутом примере, если бы хлорид ( Z = 17) был добавлен к прохиральному центру с Re -грани, это привело бы к ( R )-энантиомеру.
