Tildeling af Cahn-Ingold-Prelog (CIP) prioriteter (2) – metoden med prikker

Cahn Ingold Prelog prioriteter (2): Determining R/S On Rings, Chains, And More

Dette indlæg blev skrevet i samarbejde med Matt Pierce fra Organic Chemistry Solutions. Spørg Matt om planlægning af en online tutoring session her.

I dette indlæg vil vi udvide Cahn-Ingold-Prelog (CIP) reglerne og vise, hvordan man tildeler R/S i nogle mere vanskelige tilfælde, der involverer ringe, flere chirale centre, flere bindinger og isotoper. Vi vil se, at “prikmetoden” er yderst værdifuld til at bryde uafgjorthed ved fastlæggelse af CIP-prioriteter!

Indholdsfortegnelse

1. Rekapitulation: Fastlæggelse af CIP-prioriteter i enkle tilfælde
3. Hvordan tildeler vi CIP-prioriteter i vanskeligere tilfælde, der involverer ringe, flere chirale centre, flere bindinger og isotoper?
4. Remember: Cahn-Ingold-Prelog prioriteterne bestemmes ved det første forskelspunkt
6. Tildeling af CIP prioriteter: En anvendelse af “metoden med prikker”
7. Hvordan bestemmer vi R/S-konfiguration i ringe?
8. Bestemmelse af R/S-konfiguration i ringe: A Common “Trick Question”
9. Assigning R/S Configurations To Molecules With Multiple Chiral Centers
10. Assigning Cahn-Ingold-Prelog (CIP) Priorities With Multiple Bonds
11. Expanding Out Multiple Bonds With “Phantom Atoms”
12. Cahn-Ingold-Prelog Priorities With Isotopes
13. Conclusion: Tildeling af R/S-konfigurationer med “The Method Of Dots”
14. Notes

1. Opsummering: I vores første indlæg om Cahn-Ingold-Prelog (CIP)-reglerne (CIP) gav vi et bredt overblik over, hvordan man tildeler R eller S til chirale centre i et molekyle. Vi fulgte dette op med et efterfølgende indlæg om, hvordan man bruger CIP-reglerne til at bestemme prioriteter i alkener for at afgøre, om de er E eller Z.

Som med de fleste introducerende indlæg var de valgte eksempler ret enkle. Det er ret ligetil at tildele prioriteter i et molekyle som nedenstående molekyler, hvor det centrale kulstof er knyttet til fire atomer med forskellige atomvægte. Og som vi tidligere har diskuteret, er det, når man først har lært enkeltbyttereglen, nemt nok at bestemme R/S i tilfælde, hvor substituenten med prioritet nr. 4 ikke peger bag sidens plan.

I tilfælde af stereocenter, der er knyttet til identiske atomer, så vi, at det også er ret ligetil at bruge “prikmetoden” til at bryde bånd og bevæge sig nedad i kæden. Mere om det om lidt: her er nogle øvelser, som du kan øve dig på, hvis du har lyst.

2. Hvordan tildeler vi CIP-prioriteter i vanskeligere tilfælde, der involverer ringe, flere chirale centre, flere bindinger og isotoper?

Dette indlæg handler om nogle af de yderligere komplikationer, vi ser ved tildeling af prioriteter. Hvordan tildeler man f.eks. prioriteter i følgende tilfælde:

• Ringe
• Multiple chirale centre
• Håndtering af flere bindinger
• Hvad med isotoper?

Dette indlæg er afsat til at sortere disse lidt mere vanskelige tilfælde. Vi vil udelukkende fokusere på bestemmelse af R/S, men de samme prioritetsregler gælder også for bestemmelse af (E/Z).

3. Påmindelse: Cahn-Ingold-Prelog prioriteterne bestemmes ved det første forskelspunkt

Lad os starte med et almindeligt trickspørgsmål. Hvad er den højest prioriterede “gruppe”, der er knyttet til det chirale center i molekylet nedenfor? Tildel R/S .

Din første indskydelse vil måske være at sige “den kulstofkæde, der indeholder brom”, da brom har det højeste atomnummer af alle atomerne i molekylet.

Faktisk er den kulstofkæde, der indeholder brom, den tredje prioriterede gruppe (kun brint er lavere!), hvilket giver det chirale center en R-konfiguration.

Dette skyldes den måde, hvorpå prioriteterne tildeles: Vi bevæger os udad fra det chirale center, et kulstof ad gangen, og bestemmer prioriteterne ved det første forskelspunkt.

4. Tildeling af CIP-prioriteter: An Application Of The “Method Of Dots”

Denne proces for tildeling af prioriteter her er i det væsentlige identisk med den, vi viste tidligere:

1. Først sammenligner man de fire atomer, der er direkte bundet til det chirale kulstof, og rangordner dem efter atomnummer. I vores eksempel er H klart prioritet nr. 4.
2. Hvis der er uafgjort, skal du opregne alle tre atomer, der er direkte bundet til de uafgjorte atomer, i faldende rækkefølge efter atomnummer. Jeg synes, det er nyttigt at sætte prikker på hvert atom, jeg sammenligner, og derfor kalder jeg denne metode “The Method of Dots”).
3. Sammenlign hver liste, atom for atom. t-butylgruppen (C(CH3)3) har den højeste prioritet . men vi kan stadig ikke skelne isobutylgruppen eller bromopropylgruppen fra hinanden.
4. Da der stadig er uafgjort, flytter vi prikkerne et trin længere ned i kæden, nærmere bestemt til det næste kulstof, fordi det har det højeste atomnummer (prikkerne hjælper os med at holde styr på, hvor vi er). Dette giver os nu mulighed for at tildele prioritet nr. 2 og 3 .
5. Med alle prioriteter tildelt, er vi klar til at tildele R og S ved at spore stien af 1 → 3. Da nr. 4 er på en kile, betyder rotationen mod uret en R-konfiguration (“modsatte regel”).

Hvis dette stadig er uklart, kan du holde musen her for at få en pop-up-visning eller klikke her for at få et billede af en fuld trinvis behandling frem.

5. Hvordan bestemmer vi R/S-konfiguration i ringe?

Der er faktisk ingen nye regler, der er nødvendige for at bestemme prioriteter i ringe, men mange studerende fortæller mig, at de har svært ved at bestemme R/S, hvis et chiralt center er på en ring. Lad os derfor gennemgå et eksempel og forsøge at gøre det så klart som muligt.

Det at bestemme R/S på en ring er bare metoden med punkterne om igen. Vi bevæger os bare langs kæden væk fra det chirale center, indtil vi finder et punkt, hvor der er forskel. Nedenfor skal vi bevæge os to kulstofatomer væk fra det chirale center for at prioritere (C,C,C) frem for (C,H,H):

6. Bestemmelse af R/S-konfiguration i ringe: Et almindeligt “trickspørgsmål”

Der er faktisk et tilfælde, hvor bestemmelse af R/S på en ring kan virke mærkeligt på den uindviede.

Molekylet nedenfor har kiler og streger, der angiver stereokemien for to kulstofatomer. Hvad nu hvis du blev bedt om at bestemme R/S for det stjernede kulstof?

Håbenligt kan du se, at dette faktisk er et “trickspørgsmål”. Når vi forsøger at bestemme et forskelspunkt, ender det med, at vi konvergerer tilbage til det nederste kulstof uden at finde en eneste forskel. Det betyder, at disse to “grupper” faktisk er de samme, og at det “stjernede” kulstof ikke er et chiralt center.

Tildeling af R/S-konfigurationer til molekyler med flere chirale centre

Molekyler med flere chirale centre kræver faktisk heller ikke nogen nye begreber. Vi skal blot identificere hvert enkelt chiralt center og bestemme R eller S for hvert center. Når vi sammensætter det endelige navn, skal vi så angive konfigurationen af hvert kulstof i begyndelsen af navnet.

Det ovenstående molekyle er således (1R, 3R, 4S)-3-bromo-4-ethyl-1-methyl-1-propylcyclopentan.

Hvis du vil se præcis, hvordan tildelingen for (S)-konfigurationen blev foretaget, kan du svæve her for at få en pop-up visning eller følge dette link til et billede.

Tildeling af Cahn-Ingold-Prelog (CIP) prioriteter med flere bindinger

De hidtidige eksempler har faktisk ikke krævet nogen nye begreber. Men de regler, vi har set indtil nu, begynder at bryde sammen, når der kommer flere bindinger ind i billedet.

For eksempel giver det ikke intuitiv mening, at en methylgruppe skulle have højere prioritet end et alkyn.

Det er klart, at der er behov for en ny regel for at håndtere flere bindinger.

9. Udvidelse af flerbindinger med “fantomatomer”

Løsningen er at “udvide” hver enkelt flerbinding som en enkelt binding knyttet til et “fantomatom” (i blåt).

Disse “fantomatomer” anvendes udelukkende med henblik på at bestemme CIP-prioritet – de har ingen kemisk betydning.

Bemærk, at i processen med at tildele fantomatomer til begge atomer i en flerbinding indebærer, at det mere fjerntliggende atom “kigger bagud” mod det chirale center. Dette er den eneste gang, vi nogensinde har lov til at gøre dette!

Hvis vi anvender “fantomatom”-metoden på de multiple bindinger i dette molekyle, ser vi så, at alkyne faktisk har højere prioritet end alken, som har højere prioritet end ethyl.

Hvis processen med at tildele prioriteter til dette molekyle virkede uklar, kan du svæve her for at få en pop-up visning eller klikke her for at se et billede, der gennemgår tildelingen.

For en god gangs skyld kan du prøve at bruge vores nye metode til at bestemme prioriteten af vinyl-, isopropyl- og s-butylgrupper (nedenfor).

Processen er beskrevet ret tæt her.

Cahn-Ingold-Prelog Prioriteter med isotoper

Er der et punkt, hvor vi holder op med at interessere os for forskelle? Lad os f.eks. sige, at vi fremstiller et molekyle med deuterium i stedet for hydrogen som i molekylet nedenfor. Tæller det stadig som et chiralt center?

Ja, det tæller absolut som et chiralt center. (Om det ville have en betydelig optisk rotation er en anden sag).

Det er faktisk ret ligetil at tildele prioritet her. I de tilfælde, hvor atomnumrene er ens, bryder vi lighed ved at tildele højeste prioritet til de højere atomvægte.

For brint betyder det, at tritium (3H) har prioritet over deuterium (2H), som har prioritet over protium (1H).

Givetvis er det ikke den slags situationer, som du sandsynligvis vil støde på i introduktionskursus i organik. Men den kommer altså alligevel op! Og i øvrigt er fremstillingen af chirale molekyler, der indeholder deuterium, ikke blot en teoretisk øvelse – det har været enormt gavnligt til bestemmelse af enzymernes virkningsmekanisme. Se f.eks. her.

Slutning: Tildeling af R/S-konfigurationer med “The Method Of Dots”

For de fleste tilfælde vil “the method of dots” bringe dig derhen, hvor du skal hen for at bestemme prioriteter for et chiralt center. Den ene vigtige ting fra dette indlæg, som du skal huske, er begrebet “fantomatomer” til bestemmelse af prioriteter i alkener og andre flerbindinger.

Er der noget, du mangler, som du ønsker at tale om? Efterlad en kommentar!

Tak igen til Matt for at hjælpe med dette indlæg. Hyr Matt som din tutor!

Notes

1. Her er et virkelig interessant eksempel på fantomatomer i aktion. Ændring af en gruppe på nitrogen fra H til CH3 resulterer i et skift i konfigurationen fra (S) til (R). Big Hat Tip to r/dennisdcao
   http://imgur.com/WLmmDNM
2. Dette indlæg behandlede heller ikke den chiralitet, der er til stede i allener og andre arter med en akse af chiralitet. I disse tilfælde bruger vi ikke R/S, vi bruger P/M. CIP-prioriteringsreglerne fungerer dog stadig.
3. Det kom ikke ind på dette, men … er det midterste kulstof her et chiralt center?

Nikke helt. Det midterste kulstof er det, man kalder et pseudoasymmetrisk center. Det har 4 forskellige substituenter – det (R) chirale center er forskelligt fra (S). IUPAC-reglen er, at (R) har forrang for (S). I dette tilfælde anvendes de små bogstaver (r) og (s). Mere om dette emne her.

4. Onkel Al har et (teoretisk) eksempel på et molekyle, hvor CIP-reglerne svigter. Onkel Al har også nogle ret stærke meninger om chiralitet.