Cahn-Ingold-Prelog (CIP) prioritások kijelölése (2) – A pontok módszere

Cahn-Ingold-Prelog prioritások (2): R/S meghatározása gyűrűkön, láncokon és más területeken

Ez a bejegyzés Matt Pierce-szel (Organic Chemistry Solutions) közösen íródott. Kérdezze meg Mattet egy online korrepetálás időpontjának egyeztetéséről itt.

Ebben a bejegyzésben kibővítjük a Cahn-Ingold-Prelog (CIP) szabályokat, és megmutatjuk, hogyan lehet R/S-t rendelni néhány bonyolultabb esetben, amelyek gyűrűket, több királis centrumot, több kötést és izotópokat tartalmaznak. Látni fogjuk, hogy a “pontok módszere” rendkívül értékes a CIP-prioritások meghatározásakor a döntetlenek feloldásában!”

Tartalomjegyzék

1. Összefoglaló:
2. Hogyan határozzuk meg a CIP prioritásokat bonyolultabb esetekben, amelyekben gyűrűk, több királis centrum, több kötés és izotópok szerepelnek?
3. Emlékeztető: A Cahn-Ingold-Prelog prioritásokat az első különbségpontban határozzuk meg
4. CIP prioritások kijelölése: A “pontok módszerének alkalmazása”
5. How Do We Determine R/S Configuration In Rings?
6. R/S konfiguráció meghatározása gyűrűkben: A Common “Trick Question”
7. Assigning R/S Configurations To Molecules With Multiple Chiral Centers
8. Assigning Cahn-Ingold-Prelog (CIP) Priorities With Multiple Bonds
9. Expanding Out Multiple Bonds With “Phantom Atoms”
10. Cahn-Ingold-Prelog Priorities With Isotopes
11. Conclusion:
12. Jegyzetek

1. Összefoglaló: CIP prioritások meghatározása egyszerű esetekben

A Cahn-Ingold-Prelog (CIP) szabályokról szóló első bejegyzésünkben nagy vonalakban áttekintést adtunk arról, hogyan rendelhetünk R vagy S konfigurációt egy molekula királis centrumaihoz. Ezt egy következő bejegyzéssel folytattuk, amely arról szólt, hogyan használjuk a CIP-szabályokat az alkénekben lévő prioritások meghatározására annak érdekében, hogy megállapítsuk, hogy E vagy Z.

A legtöbb bevezető bejegyzéshez hasonlóan a választott példák meglehetősen egyszerűek voltak. Elég egyszerű a prioritások kijelölése egy olyan molekulában, mint az alábbi molekulák, ahol a központi szén négy különböző atomtömegű atomhoz kapcsolódik. És ahogyan azt korábban tárgyaltuk, ha egyszer megtanuljuk az egyszeri csere szabályát, elég könnyű meghatározni az R/S-t olyan esetekben, amikor a 4. prioritású szubsztituens nem a lap síkja mögé mutat.

Az azonos atomokhoz kötött sztereocentrumok esetében láttuk, hogy szintén elég egyszerű a “pontok módszerét” használni a kötések felbontására és a láncban való továbblépésre. Erről mindjárt bővebben: itt van néhány feladat, amin gyakorolhatsz, ha szeretnél.

2. Hogyan rendeljük ki a CIP prioritásokat bonyolultabb esetekben, amelyekben gyűrűk, több királis centrum, több kötés és izotópok szerepelnek?

Ez a bejegyzés a prioritások kijelölésével kapcsolatos további bonyodalmakról szól. Például hogyan rendeljük ki a prioritásokat a következő esetekben:

• gyűrűk
• több királis centrum
• több kötés kezelése
• Mi a helyzet az izotópokkal?

Ez a bejegyzés ezeknek a kissé trükkösebb eseteknek a rendezésével foglalkozik. Kizárólag az R/S meghatározására fogunk koncentrálni, de ugyanazok az elsőbbségi szabályok érvényesek az (E/Z) meghatározására is.

3. Emlékeztető: A Cahn-Ingold-Prelog prioritásokat az első különbségpontban határozzuk meg

Kezdjük egy gyakori trükkös kérdéssel. Melyik a legmagasabb prioritású “csoport”, amely az alábbi molekulában a királis centrumhoz kapcsolódik? R/S hozzárendelése .

Előre talán azt mondaná, hogy “a brómot tartalmazó szénlánc”, mivel a molekula összes atomja közül a brómnak van a legmagasabb atomszáma.

Valójában a brómot tartalmazó szénlánc a harmadik elsőbbségi csoport (csak a hidrogén alacsonyabb!), ami a királis centrumnak R-konfigurációt ad.

Ez a prioritások kiosztásának módja miatt van: a királis centrumtól kifelé haladva, szénenként haladunk, és az első különbségpontnál határozzuk meg a prioritásokat.

4. A CIP prioritások hozzárendelése: A “pontok módszerének alkalmazása”

A prioritások kijelölésének folyamata itt lényegében megegyezik azzal, amit korábban bemutattunk:

1. Először hasonlítsuk össze a királis szénhez közvetlenül kötődő négy atomot, és rangsoroljuk őket az atomszámuk alapján. Példánkban a H egyértelműen a 4. prioritású.
2. Ha holtverseny van, soroljuk fel mindhárom, a holtversenyben lévő atomhoz közvetlenül kötődő atomot az atomszámuk szerint csökkenő sorrendben. Hasznosnak találom, ha minden egyes összehasonlítandó atomra pontot teszek, ezért nevezem ezt A pontok módszerének).
3. Minden listát atomonként hasonlítsunk össze. A t-butil (C(CH3)3) csoportnak van a legnagyobb prioritása . de még mindig nem tudjuk megkülönböztetni az izobutil csoportot vagy a bromopropil csoportot.
4. Miatt, hogy még mindig holtverseny van, a pontokat egy lépéssel lejjebb visszük a láncban, konkrétan a következő szénre, mert annak van a legmagasabb atomszáma (a pontok segítenek követni, hogy hol vagyunk). Ez most lehetővé teszi számunkra, hogy hozzárendeljük a 2. és 3. prioritást .
5. Mivel minden prioritást hozzárendeltünk, készen állunk az R és S hozzárendelésére az 1 → 3 útvonalának követésével. Mivel a #4 egy ékben van, az óramutató járásával ellentétes irányú forgás R konfigurációt jelent (“ellentétes szabály”).



Ha ez még mindig nem világos, a felugró nézet megjelenítéséhez mozduljon ide, vagy kattintson ide, hogy megjelenjen egy kép a teljes lépésről-lépésre történő kezelésről.

5. Hogyan határozzuk meg az R/S konfigurációt gyűrűkben?

A gyűrűkben a prioritások meghatározásához valójában nincs szükség új szabályokra, de sok diák mondja nekem, hogy nehezen tudják meghatározni az R/S-t, ha egy királis központ egy gyűrűn van. Ezért menjünk végig egy példán, és próbáljuk meg ezt a lehető legegyértelműbbé tenni.

Az R/S meghatározása egy gyűrűn nem más, mint a pontok módszere újra és újra. Csak addig haladunk a lánc mentén a királis középponttól távolodva, amíg nem találunk egy különbségi pontot. Az alábbiakban két szénatomot kell eltávolodnunk a királis centrumtól, hogy a (C,C,C) a (C,H,H)-val szemben elsőbbséget kapjon:



6. Determining R/S Configuration In Rings: Egy gyakori “trükkös kérdés”

Tényleg van egy eset, amikor az R/S meghatározása egy gyűrűn furcsának tűnhet a beavatatlanok számára.

A lenti molekulában ékek és kötőjelek jelzik két szénatom sztereokémiáját. Mi lenne, ha azt kérnénk, hogy határozzuk meg az R/S-t a csillaggal jelölt szénhez?



Remélhetőleg belátja, hogy ez valójában egy “beugratós kérdés”. Ha megpróbáljuk meghatározni a különbségpontot, akkor a végén úgy konvergálunk vissza az alsó szénhez, hogy egyetlen különbséget sem találunk. Ez azt jelenti, hogy ez a két “csoport” valójában ugyanaz, és a “csillagos” szén nem királis centrum.

R/S-konfigurációk hozzárendelése több királis centrummal rendelkező molekulákhoz

A több királis centrummal rendelkező molekulákhoz valójában nincs szükség új fogalmakra sem. Csupán azonosítanunk kell az egyes királis centrumokat, és mindegyikhez meg kell határoznunk az R- vagy S-konfigurációt. Amikor összeállítjuk a végleges nevet, akkor a név elején meg kell adnunk az egyes szénatomok konfigurációját.



A fenti molekula tehát (1R, 3R, 4S)-3-brom-4-etil-1-metil-1-propil-ciklopentán.

Ha látni szeretné, hogy pontosan hogyan történt az (S)-konfigurációhoz való hozzárendelés, akkor a felugró nézethez itt lebegjen, vagy kövesse ezt a linket egy képhez.

Cahn-Ingold-Prelog (CIP) prioritások hozzárendelése több kötéssel

Az eddigi példák valójában nem igényeltek új fogalmakat. Azonban az eddig látott szabályok kezdenek összeomlani, amint több kötés kerül a képbe.

Egy metilcsoportnak például nincs intuitív értelme, hogy magasabb prioritása legyen, mint egy alkinnak.



Egyértelmű, hogy egy új szabályra van szükség a többszörös kötések kezelésére.

9. Többszörös kötések kibontása “fantomatomokkal”

A megoldás az, hogy minden egyes többszörös kötést “kibontunk” egyetlen kötésként, amely egy “fantomatomhoz” (kékkel) kapcsolódik.



Ezeket a “fantomatomokat” kizárólag a CIP-prioritás meghatározása céljából használjuk – nincs kémiai jelentésük.

Megjegyezzük, hogy a fantomatomok hozzárendelése során egy többszörös kötésben mindkét atomhoz a távolabbi atom “hátrafelé néz” a királis centrum felé. Ez az egyetlen alkalom, amikor ezt megtehetjük!

Ha ebben a molekulában a “fantomatom” módszerét alkalmazzuk a többszörös kötésekre, akkor azt látjuk, hogy valóban az alkin magasabb prioritású, mint az alkén, amely magasabb prioritású, mint az etil.



Ha a prioritások hozzárendelésének folyamata ehhez a molekulához nem tűnt egyértelműnek, akkor a felugró nézetért mozogjon ide, vagy kattintson ide, hogy egy képen végigmenjen a hozzárendelésen.

A jó időtöltés kedvéért próbáld ki új módszerünket a vinil-, izopropil- és s-butilcsoportok prioritásának meghatározására (lentebb).



A folyamatot itt elég sűrűn leírtuk.

Cahn-Ingold-Prelog prioritások izotópokkal

Van egy pont, amikor már nem törődünk a különbségekkel? Tegyük fel például, hogy olyan molekulát készítünk, amelyben hidrogén helyett deutérium van, mint az alábbi molekulában. Ez még mindig királis centrumnak számít?



Igen, ez abszolút királis centrumnak számít. (Hogy lenne-e jelentős optikai forgása, az egy másik történet).

A prioritás kijelölése itt tulajdonképpen elég egyszerű. Azokban az esetekben, ahol az atomszámok azonosak, a döntetleneket úgy bontjuk meg, hogy a magasabb atomtömegűeknek adjuk a legnagyobb prioritást.

A hidrogén esetében ez azt jelenti, hogy a trícium (3H) elsőbbséget élvez a deutériummal (2H) szemben, amely elsőbbséget élvez a protiummal (1H) szemben.



Elismerem, ez nem az a fajta helyzet, amivel valószínűleg nem találkozol a bevezető szerves tananyagban. De azért előfordul! És egyébként a deutériumot tartalmazó királis molekulák előállítása nem pusztán elméleti feladat – az enzimek hatásmechanizmusának meghatározásában óriási hasznot hozott. Lásd például itt.

Következtetés:

A legtöbb esetben a “pontok módszerével” eljuthatunk oda, ahová egy királis centrum prioritásainak meghatározásához el kell jutnunk. Az egyik legfontosabb dolog ebből a bejegyzésből, amit nem szabad elfelejteni, a “fantomatomok” fogalma a prioritások meghatározásához alkénekben és más többszörös kötésekben.

Mi hiányzik, amiről beszélni szeretne? Hagyj egy megjegyzést!

Köszönjük még egyszer Mattnek, hogy segített ebben a bejegyzésben. Vedd fel Mattet oktatónak!

Jegyzetek

1. Itt egy igazán érdekes példa a fantomatomok működésére. Ha egy nitrogéncsoportot H-ról CH3-ra cserélünk, az (S)-ről (R)-re változik a konfiguráció. Big Hat Tip to r/dennisdcao
   http://imgur.com/WLmmDNM
2. Ez a poszt sem foglalkozott az alleinekben és más chiralitás tengellyel rendelkező fajokban jelenlévő kiralitással. Ezekben az esetekben nem R/S-t használunk, hanem P/M-et. A CIP prioritási szabályok azonban ettől még működnek.
3. Ezzel nem foglalkoztam, de… a középső szén itt királis centrum?



Nem egészen. Ez a középső szén az úgynevezett pszeudoaszimmetrikus centrum. Valóban 4 különböző szubsztituenssel rendelkezik – az (R) királis centrum különbözik az (S)-től. Az IUPAC szabálya szerint az (R) elsőbbséget élvez az (S)-el szemben. Ebben az esetben a kisbetűs (r) és (s) betűket használjuk. Bővebben erről a témáról itt.

4. Al bácsinak van egy (elméleti) példája egy olyan molekulára, ahol a CIP szabályok nem működnek. Al bácsinak a kiralitásról is elég határozott véleménye van.