Введение

Конвенция о присвоении названий стереоизомерам молекул

В органической химии правила последовательности Кан-Ингольда-Прелога (CIP) (также конвенция приоритетов CIP; названная в честь Роберта Сидни Кана, Кристофера Келка Ингольда и Владимира Прелога) представляют собой стандартный метод для полного и однозначного наименования стереоизомера молекулы. Целью системы CIP является присвоение дескриптора R или S каждому стереоцентру и дескриптора E или Z каждой двойной связи, чтобы конфигурация всей молекулы могла быть однозначно определена путем включения этих дескрипторов в ее систематическое название. Молекула может содержать любое количество стереоцентров и любое количество двойных связей, и каждый из них обычно приводит к образованию двух возможных изомеров. Молекула с целым числом n, определяющим количество стереоцентров, обычно имеет 2<sup>n</sup> стереоизомеров, из которых 2<sup>n-1</sup> – диастереомеры, каждый из которых имеет ассоциированную пару энантиомеров. Ключевая статья, излагающая правила последовательности CIP, была опубликована в 1966 году, а затем подверглась дальнейшим уточнениям, прежде чем была включена в правила Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC), официального органа, определяющего органическую номенклатуру, в 1974 году как часть книги IUPAC «Номенклатура органической химии». Представление правил IUPAC является официальным и формальным стандартом для их использования, и в нем отмечается, что «метод был разработан для охвата всех соединений с координационным числом до 4 и [расширен на случай] координационного числа 6 [а также] для всех конфигураций и конформаций таких соединений». Однако остается другая проблема: в редких случаях два различных стереоизомера одной и той же молекулы могут иметь одинаковые CIP-дескрипторы, поэтому система CIP может оказаться неспособной однозначно назвать стереоизомер, и другие системы могут быть предпочтительнее.

Призначение приоритетов

Описатели R/S и E/Z присваиваются с использованием системы ранжирования приоритетов групп, присоединенных к каждому стереоцентру. Эта процедура, часто известная как правила приоритета, является основой системы CIP. В обзоре в этом разделе опущены некоторые правила, необходимые только в редких случаях. Сравните атомные номера (Z) атомов, непосредственно присоединенных к стереоцентру; группа с атомом с более высоким атомным номером Z получает более высокий приоритет (т.е. номер 1). Если есть совпадение, необходимо рассмотреть атомы на расстоянии 2 от стереоцентра: для каждой группы составляется список атомов, связанных с атомом, непосредственно присоединенным к стереоцентру. Каждый список располагается в порядке убывания атомного номера Z. Затем списки сравниваются атом за атомом; при первом различии группа, содержащая атом с более высоким атомным номером Z, получает более высокий приоритет. Если равенство сохраняется, каждый атом в каждом из двух списков заменяется подсписком других атомов, связанных с ним (на расстоянии 3 от стереоцентра), подсписки располагаются в порядке убывания атомного номера Z, и вся структура снова сравнивается атом за атомом. Этот процесс повторяется рекурсивно, каждый раз с атомами, удаленными на одну связь дальше от стереоцентра, пока равенство не будет устранено.

Изотопы

Если две группы различаются только изотопами, то для установления приоритета используется большая атомная масса.

Двойные и тройные облигации

Если атом А связан двойной связью с другим атомом, то атом А следует рассматривать как будто он "связан дважды с одним и тем же атомом". Атом, участвующий в двойной связи, имеет более высокий приоритет, чем атом, участвующий в одинарной связи. Когда B заменяется списком присоединенных атомов, сам А, но не его "фантом", исключается в соответствии с общим принципом избежания возврата по уже пройденной связи. Тройная связь обрабатывается аналогичным образом, за исключением того, что А и В каждый связаны с двумя фантомными атомами другого.

Циклические молекулы

Чтобы обработать молекулу, содержащую один или несколько циклов, необходимо сначала развернуть её в дерево (называемое иерархическим диграфом), прослеживая связи по всем возможным путям, начинающимся от стереоцентра. Когда прослеживание достигает атома, через который текущий путь уже проходил, генерируется фиктивный атом, чтобы дерево оставалось конечным. Один и тот же атом исходной молекулы может встречаться во многих местах в дереве (некоторые – как фиктивные, некоторые – нет).

Стереоцентр: Р/С

Хиральный sp3-гибридизированный изомер содержит четыре различных заместителя. Всем четырем заместителям присваиваются приоритеты на основе атомных номеров. После того как заместителям стереоцентра присвоены приоритеты, молекула ориентируется в пространстве таким образом, чтобы группа с наименьшим приоритетом была направлена от наблюдателя. Если заместители пронумерованы от 1 (наивысший приоритет) до 4 (наименьший приоритет), то направление вращения кривой, проходящей через группы с приоритетами 1, 2 и 3, различает стереоизомеры. В конфигурационном изомере группа с наименьшим приоритетом (чаще всего водород) располагается за плоскостью или пунктирной связью, удаляющейся от читателя. Для группы с наивысшим приоритетом проводится дуга, соединяющая ее с остальными группами и заканчивающаяся группой с третьим приоритетом. Дуга, проведенная по часовой стрелке, имеет обозначение R (rectus). Дуга, проведенная против часовой стрелки, имеет обозначение S (sinister). Эти обозначения происходят от латинских слов, означающих «правый» и «левый» соответственно. При наименовании органического изомера обозначение R или S помещается перед названием в скобках. Например, 3-метил-1-пентен с обозначением R записывается как (R)-3-метил-1-пентен.

Двойные облигации: E/Z

Для молекул с двойной связью используются правила Ца́на — И́нгольда — Пре́лога (правила CIP) для определения приоритета заместителей у двойной связи. Если обе группы с высоким приоритетом находятся по одну сторону от двойной связи (цис-конфигурация), то стереоизомеру присваивается конфигурация Z (zusammen, немецкое слово, означающее «вместе»). Если группы с высоким приоритетом находятся по разные стороны от двойной связи (транс-конфигурация), то стереоизомеру присваивается конфигурация E (entgegen, немецкое слово, означающее «противоположный»).

Координационные соединения

В некоторых случаях, когда формируются стереогенные центры, необходимо указывать конфигурацию. Без наличия нековалентного взаимодействия соединение является ахиральным. Некоторые специалисты предложили новое правило для учета этого факта. Согласно этому правилу, "нековалентные взаимодействия имеют условное число от 0 до 1" при определении приоритета. Соединения, в которых это имеет место, называют координационными соединениями.

Описание нескольких центров

Если соединение имеет более одного хирального стереоцентра, каждый центр обозначается R или S. Например, эфедрин существует в виде (1R,2S)- и (1S,2R)-стереоизомеров, которые являются различными зеркальными отражениями друг друга, что делает их энантиомерами. Это соединение также существует в виде двух энантиомеров, обозначаемых как (1R,2R) и (1S,2S), которые называются псевдоэфедрином, а не эфедрином. Все четыре изомера в систематической номенклатуре называются 2-метиламино-1-фенил-1-пропанолом. Однако эфедрин и псевдоэфедрин являются диастереомерами, то есть стереоизомерами, которые не являются энантиомерами, поскольку они не являются зеркальными копиями друг друга. Псевдоэфедрин и эфедрин имеют разные названия, потому что, будучи диастереомерами, они обладают различными химическими свойствами, даже для рацемических смесей каждого из них. В более общем случае, 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 и для соединений с более чем двумя стереоцентрами: 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 "совместимо" со своим зеркальным изображением, поэтому оно уменьшает количество стереоизомеров, предсказанных правилом 2n. Это происходит потому, что молекула приобретает плоскость симметрии, которая вызывает вращение молекулы вокруг центральной углерод-углеродной связи.

Относительная конфигурация

Относительная конфигурация двух стереоизомеров может быть обозначена дескрипторами R и S с помощью звездочки (*). (R*,R*) означает два центра с идентичной конфигурацией, (R,R) или (S,S); (R*,S*) означает два центра с противоположной конфигурацией, (R,S) или (S,R). Для начала, стереогенному центру с наименьшим номером (в соответствии с систематической нумерацией IUPAC) присваивается дескриптор R*. Для обозначения двух аномеров используются относительные стереодескрипторы альфа (α) и бета (β). В α-аномере аномерный атом углерода и атом отсчета имеют противоположные конфигурации (R,S) или (S,R), в то время как в β-аномере они одинаковы (R,R) или (S,S).

Лица

Стереохимия также играет роль в определении пространственного расположения граней тригональных молекул, таких как кетоны. Нуклеофил в реакции нуклеофильного присоединения может атаковать карбонильную группу с двух противоположных сторон или граней. Когда ахиральный нуклеофил атакует ацетон, обе грани идентичны, и образуется только один продукт реакции. Когда нуклеофил атакует бутанон, грани становятся неидентичными (энантиотопными), и получается рацемическая смесь. Когда нуклеофил является хиральной молекулой, образуются диастереоизомеры. Если одна грань молекулы экранирована заместителями или геометрическими ограничениями по сравнению с другой гранью, такие грани называются диастереотопными. Те же правила, которые определяют стереохимию стереоцентра (R или S), применяются и при определении грани молекулярной группы. Эти грани называют Re-гранью и Si-гранью. На примере справа соединение ацетофенон представлено видом с Re-грани. Присоединение гидрида, как в процессе восстановления с этой стороны, приводит к образованию (S)-энантиомера, а атака с противоположной Si-грани дает (R)-энантиомер. Однако следует отметить, что присоединение химической группы к прохиральному центру с Re-грани не всегда приводит к (S)-стереоцентру, поскольку необходимо учитывать приоритет этой химической группы. То есть, абсолютная стереохимия продукта определяется независимо, а не исходя из того, с какой грани была произведена атака. В вышеупомянутом примере, если к прохиральному центру с Re-грани присоединить хлорид (Z = 17), это приведет к образованию (R)-энантиомера.