Zuweisung von Cahn-Ingold-Prelog (CIP) Prioritäten (2) – Die Methode der Punkte

Cahn-Ingold-Prelog Prioritäten (2): Bestimmung von R/S bei Ringen, Ketten und mehr

Dieser Beitrag wurde gemeinsam mit Matt Pierce von Organic Chemistry Solutions verfasst. Fragen Sie Matt nach einer Online-Tutoring-Sitzung hier.

In diesem Beitrag werden wir die Cahn-Ingold-Prelog (CIP)-Regeln erweitern und zeigen, wie man R/S in einigen kniffligeren Fällen zuordnen kann, die Ringe, mehrere chirale Zentren, Mehrfachbindungen und Isotope umfassen. Wir werden sehen, dass die „Methode der Punkte“ äußerst wertvoll ist, um Gleichheiten bei der Bestimmung von CIP-Prioritäten aufzulösen!

Inhaltsverzeichnis

1. Rekapitulation: Bestimmung von CIP-Prioritäten in einfachen Fällen
2. Wie ordnen wir CIP-Prioritäten in kniffligeren Fällen zu, bei denen Ringe, mehrere chirale Zentren, Mehrfachbindungen und Isotope beteiligt sind?
3. Erinnerung: Cahn-Ingold-Prelog Prioritäten werden am ersten Differenzpunkt bestimmt
4. Zuweisung von CIP Prioritäten: Eine Anwendung der „Methode der Punkte“
5. Wie bestimmt man die R/S-Konfiguration in Ringen?
6. Bestimmung der R/S-Konfiguration in Ringen: Eine häufige „Fangfrage“
7. Zuweisung von R/S-Konfigurationen an Moleküle mit mehreren chiralen Zentren
8. Zuweisung von Cahn-Ingold-Prelog (CIP)-Prioritäten mit Mehrfachbindungen
9. Erweiterung von Mehrfachbindungen mit „Phantom-Atomen“
10. Cahn-Ingold-Prelog-Prioritäten mit Isotopen
11. Abschluss: Zuweisung von R/S-Konfigurationen mit der „Methode der Punkte“
12. Hinweise

1. Recap: Bestimmung von CIP-Prioritäten in einfachen Fällen

In unserem ersten Beitrag über die Cahn-Ingold-Prelog (CIP)-Regeln haben wir einen allgemeinen Überblick über die Zuordnung von R oder S zu chiralen Zentren in einem Molekül gegeben. In einem weiteren Beitrag haben wir gezeigt, wie man die CIP-Regeln zur Bestimmung von Prioritäten in Alkenen verwendet, um festzustellen, ob es sich um E oder Z handelt.

Wie bei den meisten Einführungsbeiträgen waren die gewählten Beispiele recht einfach. Es ist ziemlich einfach, Prioritäten in einem Molekül wie den unten stehenden Molekülen zuzuordnen, bei denen das zentrale Kohlenstoffatom an vier Atome mit unterschiedlichen Atomgewichten gebunden ist. Und wie wir bereits besprochen haben, ist es nach dem Erlernen der Single-Swap-Regel einfach genug, R/S in Fällen zu bestimmen, in denen der Substituent mit der Priorität 4 nicht hinter die Ebene der Seite zeigt.

In Fällen von Stereozentren, die an identische Atome gebunden sind, haben wir gesehen, dass es auch ziemlich einfach ist, die „Methode der Punkte“ zu verwenden, um Bindungen zu brechen und die Kette abwärts zu bewegen. Mehr dazu in einer Minute: hier sind einige Übungen, mit denen Sie üben können, wenn Sie möchten.

2. Wie weisen wir CIP-Prioritäten in kniffligeren Fällen zu, bei denen Ringe, mehrere chirale Zentren, mehrere Bindungen und Isotope beteiligt sind?

In diesem Beitrag geht es um einige der weiteren Komplikationen, die wir bei der Zuweisung von Prioritäten sehen. Wie ordnet man zum Beispiel Prioritäten in den folgenden Fällen zu:

• Ringe
• Mehrere chirale Zentren
• Mehrere Bindungen
• Wie sieht es mit Isotopen aus?

Dieser Beitrag widmet sich der Klärung dieser etwas kniffligeren Fälle. Wir werden uns ausschließlich auf die Bestimmung von R/S konzentrieren, aber die gleichen Prioritätsregeln gelten auch für die Bestimmung von (E/Z).

3. Zur Erinnerung: Cahn-Ingold-Prelog Prioritäten werden am ersten Differenzpunkt bestimmt

Beginnen wir mit einer häufigen Trickfrage. Welches ist die „Gruppe“ mit der höchsten Priorität, die an das chirale Zentrum im folgenden Molekül gebunden ist? Ordnen Sie R/S zu.

Ihr erster Instinkt könnte sein, zu sagen: „die Kohlenstoffkette, die das Brom enthält“, da Brom die höchste Ordnungszahl aller Atome im Molekül hat.

In der Tat ist die Kohlenstoffkette, die das Brom enthält, die Gruppe mit der dritten Priorität (nur Wasserstoff ist niedriger!

Das liegt an der Art und Weise, wie die Prioritäten zugewiesen werden: wir bewegen uns vom chiralen Zentrum aus nach außen, ein Kohlenstoffatom nach dem anderen, und bestimmen die Prioritäten am ersten Punkt der Differenz.

4. Zuweisung von KVP-Prioritäten: Eine Anwendung der „Methode der Punkte“

Dieses Verfahren zur Zuweisung von Prioritäten ist im Wesentlichen identisch mit dem, das wir zuvor gezeigt haben:

1. Zunächst vergleichen wir die vier direkt an den chiralen Kohlenstoff gebundenen Atome und ordnen sie nach ihrer Ordnungszahl. In unserem Beispiel ist H eindeutig die Nummer 4.
2. Wenn es einen Gleichstand gibt, listen Sie alle drei Atome auf, die direkt an das gebundene Atom gebunden sind, in abnehmender Reihenfolge der Ordnungszahl. Ich finde es hilfreich, jedes Atom, das ich vergleiche, mit Punkten zu versehen, deshalb nenne ich dies die Methode der Punkte).
3. Vergleiche jede Liste, Atom für Atom. Die t-Butylgruppe (C(CH3)3) hat die höchste Priorität, aber wir können immer noch nicht zwischen der Isobutylgruppe und der Brompropylgruppe unterscheiden.
4. Da es immer noch ein Unentschieden gibt, verschieben wir die Punkte einen Schritt weiter nach unten in der Kette, und zwar zum nächsten Kohlenstoff, weil dieser die höchste Ordnungszahl hat (die Punkte helfen uns, den Überblick zu behalten). Damit können wir nun die Prioritäten 2 und 3 zuweisen.
5. Wenn alle Prioritäten zugewiesen sind, können wir R und S zuweisen, indem wir den Weg von 1 → 3 verfolgen. Da sich die Nummer 4 auf einem Keil befindet, bedeutet die Drehung gegen den Uhrzeigersinn eine R-Konfiguration („entgegengesetzte Regel“).

Wenn dies immer noch unklar ist, bewegen Sie den Mauszeiger hier, um eine Pop-up-Ansicht zu erhalten, oder klicken Sie hier, um ein Bild mit einer vollständigen Schritt-für-Schritt-Behandlung anzuzeigen.

5. Wie bestimmt man die R/S-Konfiguration in Ringen?

Eigentlich sind keine neuen Regeln für die Bestimmung von Prioritäten in Ringen erforderlich, aber viele Schüler berichten mir, dass sie Schwierigkeiten haben, R/S zu bestimmen, wenn sich ein chirales Zentrum in einem Ring befindet. Aus diesem Grund wollen wir ein Beispiel durchgehen und versuchen, dies so klar wie möglich zu machen.

Die Bestimmung von R/S an einem Ring ist einfach eine Wiederholung der Punktmethode. Wir bewegen uns einfach entlang der Kette vom chiralen Zentrum weg, bis wir einen Punkt der Differenz finden. Im Folgenden müssen wir uns zwei Kohlenstoffe vom chiralen Zentrum entfernen, um (C,C,C) gegenüber (C,H,H) zu bevorzugen:

6. Die Bestimmung der R/S-Konfiguration in Ringen: Eine häufige „Trickfrage“

Es gibt tatsächlich einen Fall, in dem die Bestimmung der R/S-Konfiguration eines Rings dem Uneingeweihten seltsam erscheinen mag.

Das untenstehende Molekül hat Keile und Striche, die die Stereochemie von zwei Kohlenstoffen anzeigen. Was wäre, wenn man Sie bitten würde, R/S für das Kohlenstoffatom mit dem Stern zu bestimmen?

Hoffentlich erkennen Sie, dass dies eigentlich eine „Trickfrage“ ist. Wenn wir versuchen, einen Differenzpunkt zu bestimmen, konvergieren wir zum unteren Kohlenstoff zurück, ohne einen einzigen Unterschied zu finden. Das bedeutet, dass diese beiden „Gruppen“ in Wirklichkeit gleich sind und der „Stern“-Kohlenstoff kein chirales Zentrum ist.

Molekülen mit mehreren chiralen Zentren R/S-Konfigurationen zuordnen

Moleküle mit mehreren chiralen Zentren erfordern eigentlich auch keine neuen Konzepte. Wir müssen lediglich jedes chirale Zentrum identifizieren und R oder S für jedes bestimmen. Wenn wir den endgültigen Namen zusammenstellen, müssen wir dann die Konfiguration jedes Kohlenstoffs am Anfang des Namens angeben.

Das obige Molekül ist also (1R, 3R, 4S)-3-Brom-4-ethyl-1-methyl-1-propylcyclopentan.

Wenn Sie genau sehen wollen, wie die Zuordnung für die (S)-Konfiguration vorgenommen wurde, bewegen Sie den Mauszeiger hier, um eine Pop-up-Ansicht zu erhalten, oder folgen Sie diesem Link zu einem Bild.

Zuordnung von Cahn-Ingold-Prelog (CIP)-Prioritäten mit mehreren Bindungen

Die bisherigen Beispiele haben eigentlich keine neuen Konzepte erfordert. Die Regeln, die wir bisher gesehen haben, brechen jedoch zusammen, sobald Mehrfachbindungen ins Spiel kommen.

Es ergibt zum Beispiel keinen intuitiven Sinn, dass eine Methylgruppe eine höhere Priorität haben sollte als ein Alkin.

Es ist klar, dass eine neue Regel erforderlich ist, um mit Mehrfachbindungen umzugehen.

9. Ausdehnung von Mehrfachbindungen mit „Phantom-Atomen“

Die Lösung ist die „Ausdehnung“ jeder Mehrfachbindung als Einzelbindung, die an ein „Phantom-Atom“ (in blau) gebunden ist.

Diese „Phantom-Atome“ werden nur zum Zweck der Bestimmung der CIP-Priorität verwendet – sie haben keine chemische Bedeutung.

Bei der Zuordnung von Phantomatomen zu beiden Atomen in einer Mehrfachbindung muss das weiter entfernte Atom in Richtung des chiralen Zentrums „zurückschauen“. Dies ist das einzige Mal, dass wir dies tun dürfen!

Wenn wir die „Phantomatom“-Methode auf die Mehrfachbindungen in diesem Molekül anwenden, sehen wir, dass das Alkin in der Tat eine höhere Priorität hat als das Alken, das wiederum eine höhere Priorität als das Ethyl hat.

Wenn der Prozess der Zuweisung von Prioritäten zu diesem Molekül unklar erscheint, können Sie hier mit dem Mauszeiger eine Pop-up-Ansicht aufrufen oder hier klicken, um ein Bild zu sehen, das die Zuweisung durchgeht.

Versuchen Sie doch einmal, unsere neue Methode zur Bestimmung der Priorität von Vinyl-, Isopropyl- und s-Butylgruppen (unten) anzuwenden.

Das Verfahren ist hier recht ausführlich beschrieben.

Cahn-Ingold-Prelog Prioritäten mit Isotopen

Gibt es einen Punkt, an dem wir aufhören, uns um Unterschiede zu kümmern? Nehmen wir zum Beispiel an, wir stellen ein Molekül mit Deuterium anstelle von Wasserstoff her, wie in dem folgenden Molekül. Zählt das immer noch als chirales Zentrum?

Ja, das zählt absolut als chirales Zentrum. (Ob es eine signifikante optische Drehung hat, ist eine andere Geschichte).

Die Zuordnung der Priorität ist hier eigentlich ziemlich einfach. In Fällen, in denen die Ordnungszahlen gleich sind, lösen wir Gleichstände auf, indem wir den höheren Ordnungszahlen die höchste Priorität zuweisen.

Für Wasserstoff bedeutet das, dass Tritium (3H) Vorrang vor Deuterium (2H) hat, das wiederum Vorrang vor Protium (1H) hat.

Zugegeben, das ist nicht die Art von Situation, auf die man in der Einführung in Bio stoßen würde. Aber sie kommt vor! Übrigens ist die Herstellung chiraler Moleküle mit Deuterium nicht nur eine theoretische Übung – sie hat sich als äußerst nützlich erwiesen, um den Wirkungsmechanismus von Enzymen zu bestimmen. Siehe zum Beispiel hier.

Abschluss: Zuweisung von R/S-Konfigurationen mit der „Methode der Punkte“

In den meisten Fällen führt die „Methode der Punkte“ zum Ziel, wenn es darum geht, Prioritäten für ein chirales Zentrum zu bestimmen. Das Wichtigste aus diesem Beitrag, das man sich merken sollte, ist das Konzept der „Phantomatome“ zur Bestimmung der Prioritäten bei Alkenen und anderen Mehrfachbindungen.

Fehlt etwas, worüber Sie sprechen möchten? Hinterlassen Sie einen Kommentar!

Danke nochmals an Matt für seine Hilfe bei diesem Beitrag. Stellen Sie Matt als Ihren Tutor ein!

Notizen

1. Hier ist ein wirklich interessantes Beispiel für Phantomatome in Aktion. Der Wechsel einer Gruppe am Stickstoff von H zu CH3 führt zu einer Änderung der Konfiguration von (S) zu (R). Big Hat Tip to r/dennisdcao
   http://imgur.com/WLmmDNM
2. In diesem Beitrag wurde auch nicht auf die Chiralität in Allenen und anderen Arten mit einer Chiralitätsachse eingegangen. In diesen Fällen verwenden wir nicht R/S, sondern P/M. Die CIP-Prioritätsregeln funktionieren aber immer noch.
3. Ich bin nicht darauf eingegangen, aber… ist der mittlere Kohlenstoff hier ein chirales Zentrum?

Nicht ganz. Das mittlere Kohlenstoffatom ist ein sogenanntes pseudo-asymmetrisches Zentrum. Es hat 4 verschiedene Substituenten – das (R) chirale Zentrum unterscheidet sich von dem (S). Die IUPAC-Regel besagt, dass (R) Vorrang vor (S) hat. In diesem Fall werden die Kleinbuchstaben (r) und (s) verwendet. Mehr zu diesem Thema hier.

4. Onkel Al hat ein (theoretisches) Beispiel für ein Molekül, bei dem die CIP-Regeln versagen. Onkel Al hat auch eine ziemlich starke Meinung über Chiralität.