Het toekennen van Cahn-Ingold-Prelog (CIP) Prioriteiten (2) – De methode van Dots

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

Dit bericht is geschreven in samenwerking met Matt Pierce van Organic Chemistry Solutions. Vraag Matt over het plannen van een online bijles sessie hier.

In dit bericht zullen we uitbreiden op de Cahn-Ingold-Prelog (CIP) regels en laten zien hoe R / S toe te wijzen in een aantal lastigere gevallen die ringen, meerdere chirale centra, meerdere bindingen, en isotopen te betrekken. We zullen zien dat de “methode van de punten” zeer waardevol is voor het breken van verbanden bij het bepalen van CIP-prioriteiten!

Inhoudsopgave

1. Recapitulatie: Bepaling van CIP-prioriteiten in eenvoudige gevallen
2. Hoe wijzen we CIP-prioriteiten toe in lastiger zaken met ringen, meerdere chirale centra, meerdere bindingen en isotopen?
3. Herinnering: Cahn-Ingold-Prelog Prioriteiten worden bepaald op het eerste punt van verschil
4. Het toekennen van CIP Prioriteiten: Een toepassing van de “methode van de puntjes”
5. Hoe bepalen we de R/S-configuratie in ringen?
6. Hoe bepalen we de R/S-configuratie in ringen: Een veel voorkomende “strikvraag”
7. R/S-configuraties toekennen aan moleculen met meerdere chirale centra
8. Cahn-Ingold-Prelog (CIP)-prioriteiten toekennen met meervoudige bindingen
9. Meervoudige bindingen uitbreiden met “spookatomen”
10. Cahn-Ingold-Prelog-prioriteiten toekennen met isotopen
11. Conclusie: Het toewijzen van R/S-configuraties met “De methode van de puntjes”
12. Noten

1. Recap: Determining CIP Priorities In Straightforward Cases

In onze eerste post over de Cahn-Ingold-Prelog (CIP) Rules, gaven we een breed overzicht van hoe R of S toe te wijzen aan chirale centra in een molecule. We hebben dit opgevolgd met een volgend bericht over hoe de CIP-regels te gebruiken om prioriteiten in alkenen te bepalen om te bepalen of ze E of Z zijn.

Zoals bij de meeste inleidende berichten, waren de gekozen voorbeelden vrij eenvoudig. Het is vrij eenvoudig om prioriteiten toe te kennen in een molecuul zoals de moleculen hieronder, waar de centrale koolstof verbonden is aan vier atomen met verschillende atoomgewichten. En zoals we eerder hebben besproken, is het, als je eenmaal de “single swap”-regel hebt geleerd, gemakkelijk genoeg om R/S te bepalen in gevallen waarin de substituent met prioriteit 4 niet achter het vlak van de bladzijde wijst.

In gevallen van stereocentra die aan identieke atomen vastzitten, hebben we gezien dat het ook vrij eenvoudig is om de “methode van de stippen” te gebruiken om banden te verbreken en lager in de keten te komen. Daarover zo dadelijk meer: hier zijn enkele oefeningen waarmee u kunt oefenen als u wilt.

2. Hoe kennen we CIP-prioriteiten toe in lastiger gevallen met ringen, meervoudige chirale centra, meervoudige bindingen en isotopen?

Deze post gaat over enkele van de verdere complicaties die we tegenkomen bij het toekennen van prioriteiten. Hoe geef je bijvoorbeeld prioriteiten in de volgende gevallen:

• Ringen
• Meervoudige chirale centra
• Het omgaan met meervoudige bindingen
• Hoe zit het met isotopen?

Deze post is gewijd aan het uitzoeken van deze iets lastiger gevallen. We zullen ons uitsluitend richten op het bepalen van R/S, maar dezelfde prioriteitsregels gelden ook voor het bepalen van (E/Z).

3. Herinnering: Cahn-Ingold-Prelog Priorities Are Determined At The First Point Of Difference

Laten we beginnen met een veel voorkomende strikvraag. Wat is de “groep” met de hoogste prioriteit die vastzit aan het chiraal centrum in het onderstaande molecuul? Geef R/S.

Je eerste ingeving is misschien te zeggen: “de koolstofketen die het broom bevat”, omdat broom het hoogste atoomnummer heeft van alle atomen in het molecuul.

In feite is de koolstofketen die het broom bevat de derde prioriteitsgroep (alleen waterstof is lager!

Dit komt door de manier waarop de prioriteiten worden toegekend: we gaan van het chiraal centrum naar buiten, één koolstof per keer, en bepalen de prioriteiten bij het eerste punt van verschil.

4. Het toekennen van CIP-prioriteiten: An Application Of The “Method Of Dots”

Het proces voor het toekennen van prioriteiten is hier in wezen identiek aan wat we eerder hebben laten zien:

1. Voreerst vergelijkt u de vier atomen die direct aan de chirale koolstof zijn gebonden en rangschikt u ze op basis van atoomnummer. In ons voorbeeld is H duidelijk prioriteit nr. 4.
2. Als er een gelijke stand is, maak dan een lijst van de drie atomen die rechtstreeks aan het gebonden atoom zijn verbonden, in afnemende volgorde van atoomnummer. Ik vind het handig om stippen te zetten op elk atoom dat ik vergelijk, daarom noem ik dit De methode van de stippen).
3. Vergelijk elke lijst, atoom voor atoom. De t-butylgroep (C(CH3)3) heeft de hoogste prioriteit, maar we kunnen nog steeds geen onderscheid maken tussen de isobutylgroep of de broompropylgroep.
4. Omdat er nog steeds een gelijkspel is, verplaatsen we de stippen een stap verder in de keten, specifiek naar de volgende koolstof, omdat die het hoogste atoomnummer heeft (de stippen helpen ons bij te houden waar we zijn). Nu kunnen we de prioriteiten #2 en #3 toewijzen.
5. Met alle prioriteiten toegewezen, zijn we klaar om R en S toe te wijzen door het pad van 1 → 3 te volgen. Aangezien nummer 4 op een wig ligt, betekent de draaiing tegen de klok in een R-configuratie (“tegengestelde regel”).

Als dit nog steeds onduidelijk is, ga dan met de muis hierheen voor een pop-up-weergave of klik hier om een afbeelding van een volledige stap-voor-stap behandeling te zien te krijgen.

5. Hoe bepalen we de R/S-configuratie in ringen?

Er zijn eigenlijk geen nieuwe regels nodig voor het bepalen van prioriteiten in ringen, maar veel studenten vertellen me dat ze het moeilijk vinden om R/S te bepalen als een chiraal centrum zich op een ring bevindt. Laten we daarom een voorbeeld geven en proberen dit zo duidelijk mogelijk te maken.

Het bepalen van R/S op een ring is gewoon de methode van de punten helemaal opnieuw. We gaan gewoon langs de keten weg van het chiraal centrum tot we een punt van verschil vinden. Hieronder moeten we twee koolwaterstoffen van het chiraal centrum weg bewegen om (C,C,C) voorrang te geven op (C,H,H):

6. Het bepalen van de R/S-configuratie in ringen:

Er is één geval waarin het bepalen van de R/S-configuratie van een ring voor niet-ingewijden vreemd kan lijken.

Het onderstaande molecuul heeft wiggen en streepjes die de stereochemie van twee carbons aangeven. Wat als men u vraagt R/S te bepalen voor de ster-koolstof?

Hopelijk ziet u dat dit eigenlijk een “strikvraag” is. Wanneer we proberen een verschilpunt te bepalen, convergeren we uiteindelijk terug naar de onderste koolstof zonder een enkel verschil te vinden. Dit betekent dat deze twee “groepen” eigenlijk hetzelfde zijn en dat de “ster” koolstof geen chiraal centrum is.

Toekennen van R/S-configuraties aan moleculen met meerdere chirale centra

Moleculen met meerdere chirale centra vereisen eigenlijk ook geen nieuwe concepten. We hoeven alleen maar elk chiraal centrum te identificeren en R of S voor elk te bepalen. Bij het samenstellen van de uiteindelijke naam moeten we dan de configuratie van elke koolstof aan het begin van de naam opgeven.

Het molecuul hierboven is dus (1R, 3R, 4S)-3-broom-4-ethyl-1-methyl-1-propylcyclopentaan.

Als je precies wilt zien hoe de toewijzing voor de (S)-configuratie tot stand is gekomen, ga dan hierheen voor een pop-up-weergave of volg deze link naar een plaatje.

Toewijzing van Cahn-Ingold-Prelog (CIP)-prioriteiten met meervoudige bindingen

De voorbeelden tot nu toe hebben eigenlijk geen nieuwe concepten vereist. De regels die we tot nu toe hebben gezien, beginnen echter af te breken zodra meerdere bindingen in beeld komen.

Het is bijvoorbeeld niet intuïtief te begrijpen dat een methylgroep een hogere prioriteit zou moeten hebben dan een alkyne.

Het is duidelijk dat een nieuwe regel nodig is om met meerdere bindingen om te gaan.

9. De oplossing is om elke meervoudige binding “uit te breiden” als een enkele binding met een “fantoomatoom” (in blauw).

Deze “fantoomatomen” worden uitsluitend gebruikt voor het bepalen van de CIP-prioriteit – ze hebben geen chemische betekenis.

Merk op dat bij het toewijzen van fantoomatomen aan beide atomen in een meervoudige binding het verder weg gelegen atoom “achterom kijkt” in de richting van het chiraal centrum. Dit is de enige keer dat we dit mogen doen!

Als we de “fantoom-atoom”-methode toepassen op de meervoudige bindingen in dit molecuul, zien we dat het alkyne inderdaad een hogere prioriteit heeft dan het alkeen, dat een hogere prioriteit heeft dan ethyl.

Als het proces van prioriteitstoekenning aan dit molecuul onduidelijk lijkt, ga dan met de muis hierheen voor een pop-up-weergave of klik hier om een afbeelding te zien waarin de prioriteitstoekenning wordt doorlopen.

Probeer voor de gein eens onze nieuwe methode om de prioriteit van vinyl-, isopropyl- en s-butylgroepen te bepalen (hieronder).

Het proces wordt hier vrij uitvoerig beschreven.

Cahn-Ingold-Prelog Prioriteiten Met Isotopen

Is er een punt waarop we ophouden ons druk te maken over verschillen? Bijvoorbeeld, laten we een molecuul maken met deuterium in plaats van waterstof, zoals in het molecuul hieronder. Telt dat nog steeds als een chiraal centrum?

Ja, dit telt absoluut als een chiraal centrum. (Of het een significante optische draaiing heeft is een ander verhaal).

Het toekennen van prioriteit is hier eigenlijk vrij eenvoudig. In gevallen waarin de atoomnummers gelijk zijn, verbreken we de band door de hoogste prioriteit toe te kennen aan de hogere atoomgewichten.

Voor waterstof betekent dit dat tritium (3H) voorrang heeft op deuterium (2H), dat voorrang heeft op protium (1H).

Getwijfeld, dit is niet het soort situatie dat je waarschijnlijk tegenkomt in een inleidende organische cursus. Maar het komt wel voor! Het bereiden van chirale moleculen met deuterium is trouwens niet alleen een theoretische oefening – het heeft enorm veel nut gehad bij het bepalen van het werkingsmechanisme van enzymen. Zie hier bijvoorbeeld.

Conclusie: Het toekennen van R/S-configuraties met de “methode van de puntjes”

In de meeste gevallen brengt de “methode van de puntjes” je waar je moet zijn om de prioriteiten voor een chiraal centrum te bepalen. Het belangrijkste uit dit artikel om te onthouden is het concept van “fantoomatomen” voor het bepalen van prioriteiten in alkenen en andere meervoudige bindingen.

Ontbreekt er nog iets waar je het over wilt hebben? Laat een reactie achter!

Wederom dank aan Matt voor zijn hulp bij dit artikel. Huur Matt in als uw tutor!

Notes

1. Hier is een heel interessant voorbeeld van fantoomatomen in actie. Het veranderen van een groep op stikstof van H naar CH3 resulteert in een verandering in configuratie van (S) naar (R). Big Hat Tip to r/dennisdcao
   http://imgur.com/WLmmDNM
2. In dit bericht werd ook niet ingegaan op de chiraliteit die aanwezig is in allenen en andere soorten met een as van chiraliteit. In die gevallen gebruiken we geen R/S, maar P/M. De voorrangsregels van CIP werken echter nog steeds.
3. Daar is niet op ingegaan, maar… is de middelste koolstof hier een chiraal centrum?

Niet helemaal. Die middelste koolstof is een pseudo asymmetrisch centrum. Het heeft wel 4 verschillende substituenten – het (R) chiraal centrum is anders dan (S). De IUPAC-regel is dat (R) voorrang heeft op (S). In dit geval worden de kleine letters (r) en (s) gebruikt. Meer over dit onderwerp hier.

4. Uncle Al heeft een (theoretisch) voorbeeld van een molecuul waar de CIP regels falen. Oom Al heeft ook een nogal uitgesproken mening over chiraliteit.