تخصیص پیکربندی‌های R و S با قوانین Cahn-Ingold-Prelog (CIP)

این پست توسط مت پیرس از Solutions شیمی آلی نوشته شده است. از مت در مورد برنامه ریزی یک جلسه تدریس خصوصی در اینجا بپرسید.

1. مراکز کایرال و مشکل نامگذاری

قبلاً در MOC ما انانتیومرها را توصیف کرده‌ایم: مولکول‌هایی که تصاویر آینه‌ای غیرقابل نصب از یکدیگر هستند. شاید به یاد ماندنی ترین نمونه همین «انانتیوکات ها» باشد.

گفته می شود که هر یک از این گربه ها “کاایرال” هستند: آنها فاقد سطح تقارن هستند.

چه چیزی باعث می شود مولکول ها کایرالیته شوند؟

رایج‌ترین منبع کایرالی «مرکز کایرال» است: معمولاً یک کربن چهار وجهی متصل به چهار «گروه» یا «جایگزین‌کننده» متفاوت. برای هر مرکز کایرال، دو روش مختلف (و فقط دو!) برای چیدمان 4 جایگزین مختلف وجود دارد که منجر به دو پیکربندی متفاوت می‌شود. [اگر باور ندارید فقط دو مورد وجود دارد، این پست را بررسی کنید].

هدف این پست معرفی و توصیف نام‌گذاری است که برای توصیف این پیکربندی‌ها استفاده می‌کنیم: نماد (R)/(S) یا قوانین Cahn-Ingold Prelog.

بیایید به یک مثال ساده نگاه کنیم.

هر دوی این مولکول ها 1-بروم-1-کلرواتان هستند. اما آنها دقیقاً همان مولکول نیستند، به همان شکلی که کفش چپ شما دقیقاً مشابه کفش راست شما نیست. آنها تصاویر آینه ای غیرقابل نصب از یکدیگر هستند. چگونه این تفاوت را بیان کنیم؟

یکی از راه ها توصیف خواص فیزیکی آنها خواهد بود. به عنوان مثال، اگرچه این دو مولکول دارای نقطه جوش، نقطه ذوب و بسیاری از خواص فیزیکی دیگر هستند، نور پلاریزه شده صفحه را در جهات مساوی و مخالف می چرخانند، خاصیتی به نام چرخش نوری. ما می‌توانیم از (+)-1-بروم-1-کلرواتان برای اشاره به ایزومری استفاده کنیم که نور پلاریزه شده را به راست می‌چرخاند (در جهت عقربه‌های ساعت، یا “درون چرخشی”) و از (-)-1-بروم-1-کلرواتان برای اشاره استفاده کنیم. ایزومری که نور پلاریزه شده را به سمت چپ می چرخاند (در خلاف جهت عقربه های ساعت یا “چرخش چپ”).

با این حال این نامگذاری از یک مشکل جدی رنج می برد. هیچ ارتباط ساده ای بین آرایش جانشین ها در اطراف یک مرکز کایرال و جهتی که نور پلاریزه شده در آن می چرخد ​​وجود ندارد. راه حل دیگری لازم است.

2. سیستم Cahn Ingold Prelog (CIP) برای نامگذاری مراکز کایرال

راه حلی برای این معضل توسط رابرت کان، کریس اینگولد و ولادیمیر پریلوگ در سال 1966 پیشنهاد شد. پروتکل “CIP” حاصل به شرح زیر عمل می کند:

چهار گروه را در اطراف یک مرکز کایرال با توجه به عدد اتمی اولویت بندی کنید. به بالاترین عدد اتمی اولویت شماره 1 و کمترین عدد اتمی به اولویت شماره 4 اختصاص داده شده است.
مرکز کایرال را طوری جهت دهید که جایگزین اولویت شماره 4 به سمت بیننده باشد. برای اهداف ما، کافی است که آن را صرفاً به یک پیوند “برخورده” متصل کنیم.
مسیر اولویت های #1، #2 و #3 را دنبال کنید. (برای این بخش، شماره 4 را نادیده می گیرید).
اگر مسیر ترسیم شده از 1-2-3   در جهت عقربه های ساعت باشد، مرکز کایرال (R) اختصاص داده می شود (از لاتین، rectus)
اگر مسیر ردیابی شده خلاف جهت عقربه های ساعت باشد، مرکز کایرال (S) (از کلمه لاتین sinister) اختصاص داده می شود.
اکنون راه بهتری برای توصیف مولکول‌های [A] و [B] که در بالا نشان داده شده است داریم. مولکول [A] (R)-1-bromo-1-chloroethane و مولکول [B] با نام (S)-1-bromo-1-chloroethane نامگذاری شده است.

باید تکرار کنیم که نام‌گذاری‌های (R) و (S) هیچ ارتباطی با اینکه یک مولکول نور پلاریزه‌شده صفحه را در جهت عقربه‌های ساعت (+) می‌چرخاند یا در خلاف جهت عقربه‌های ساعت (-) ندارد. به عنوان مثال، رایج ترین پیکربندی طبیعی اسید آمینه آلانین (S) است، اما چرخش نوری آن (در محلول اسید آبی) (+) است.

3. وقتی شماره 4 در پشت نباشد چطور؟

این به اندازه کافی ساده به نظر می رسد! ممکن است بپرسید “این است؟”

اوه، نه همانطور که اتفاق می افتد، هنگامی که از مثال ساده بالا فراتر می رویم، چند ضربه در مسیر تعیین (R)/(S) وجود دارد.

این “موارد پیچیده تر” به سه دسته اصلی تقسیم می شوند.

اگر جایگزین شماره 4 به طور مفیدی مانند مثال ما در بالا به سمت بیننده نشانه نرود، چه؟ اگر در «جلو» باشد (یعنی به یک پیوند «گوه‌ای» متصل باشد) یا، خدای ناکرده، در صفحه صفحه باشد، چه؟
تعیین اولویت ها در موقعیت های پیچیده. در شرایطی که یک مرکز کایرال دو یا چند اتم یکسان به هم متصل است، چه کار می کنیم؟ به عبارت دیگر چگونه پیوندها را قطع کنیم؟
اگر مولکول به روشی خاص ترسیم شود، مانند پیش بینی های فیشر یا نیومن، چه کار می کنیم؟

ما نمی‌توانیم به طور کامل به همه این مسائل در این پست بپردازیم. اما مطمئناً می‌توانیم با شماره 1 کنار بیاییم و با شماره 2 پیشرفت کنیم. در پست بعدی به شماره 3 خواهیم پرداخت.

4. تعیین R/S زمانی که جایگزین شماره 4 در جلو است (یعنی روی یک گوه): یک برش کوتاه

بیایید ابتدا مولکول زیر را در نظر بگیریم. نام این مولکول (R)-1-fluoroethanol است. در زیر با اولویت های اختصاص داده شده بر اساس عدد اتمی فهرست شده است. در این مورد F>O>C>H. بنابراین F شماره 1 و H شماره 4 است. بخش مشکل در اینجا این است که اولویت شماره 4 به بیرون از صفحه اشاره می کند (روی “گوه”).

چگونه (R)/(S) را در این مورد تعیین کنیم؟ دو راه برای انجام آن وجود دارد.

بسیاری از مربیان به شما می گویند که «به سادگی» موها را بچرخانید

در سر خود جای دهید تا اولویت شماره 4 روی خط تیره باشد. سپس می توانید R یا S را به روش سنتی اختصاص دهید. این توصیه “ساده” همیشه برای مبتدیان کار آسانی نیست.

خوشبختانه، انجام چنین چرخش ذهنی از نظر فنی غیرضروری است.

در اینجا راهی برای دور زدن این موضوع وجود دارد. وقتی اولویت شماره 4 روی گوه است، فقط می توانید قوانین را معکوس کنید. بنابراین اکنون دو مجموعه قانون داریم:

اگر اولویت شماره 4 روی خط تیره باشد:

در جهت عقربه های ساعت = R
خلاف جهت عقربه های ساعت = S

اگر اولویت شماره 4 روی یک گوه است، قوانین معمولی را معکوس کنید:

در جهت عقربه های ساعت = S
خلاف جهت عقربه های ساعت = R

R و S را می توان به راحتی به هر یک از تصاویر مولکول نسبت داد. من همچنان شما را تشویق می کنم که از یک کیت مدل استفاده کنید و یاد بگیرید که چگونه این کار را انجام دهید. درک شیمی آلی بسیار ساده تر و بسیار زیباتر است، اگر بتوانید در تجسم یک اتم کربن چهار وجهی مهارت داشته باشید.

5. تعیین R/S زمانی که گروه شماره 4 در صفحه صفحه است؟

اگر اولویت شماره 4 در صفحه کاغذ باشد، مثلاً روی یک خط، چه؟ در این مورد، تخصیص R و S به روش سنتی غیرممکن است. شما باید یک عکس 50:50 داشته باشید تا آن را درست به دست آورید: شانس خوبی نیست. باز هم، اگر می توانید مولکول را در سر خود دوباره ترسیم کنید، بهتر است این کار را انجام دهید. اگر نمی توانید این کار را به طور قابل اعتماد انجام دهید، باید مفهوم “تعویض واحد” را یاد بگیرید.

در اینجا نحوه عملکرد آن آمده است. تعویض هر دو گروه در یک مرکز کایرال، پیکربندی مرکز کایرال را از R به S تغییر می‌دهد (و بالعکس). [ما قبلاً در مورد “قانون مبادله واحد” در اینجا صحبت کردیم]

با دانستن این موضوع، می توانیم یک ترفند خوب انجام دهیم.

جایگزین شماره 4 (در صفحه صفحه) را بردارید و آن را با جایگزین پشت آن تعویض کنید [اگر پیکربندی R است، آن را به S تغییر می‌دهیم. اگر پیکربندی S باشد، آن را به R تبدیل می‌کنیم. باید این را در مرحله 3 در نظر بگیریم.
مرکز کایرال را دوباره ترسیم کنید و R/S را روی مرکز کایرال جدید که اکنون گروه #4 در پشت دارد تعیین کنید.
هر نتیجه‌ای که گرفتید، آن را برعکس آن برگردانید تا این واقعیت را در نظر بگیرید که در مرحله 1 یک تعویض انجام داده‌اید.

در اینجا یک مثال است. توجه داشته باشید که در اینجا  من ابتدا #4 و #3 را تغییر دادم، اما نکته اصلی این است که دو گروه را جابه‌جا کنید تا شماره 4 خارج از صفحه کاغذ باشد.

این روش همیشه کار می کند، با این فرض که شما چهار اولویت را به طور دقیق تعیین کرده اید. (همچنین برای مواردی که شماره 4 روی گوه است نیز کار می کند).

با این حال، گاهی اوقات ما در موقعیتی نیستیم که با 4 اتم مختلف متصل به کربن کایرال سروکار داشته باشیم. برای مثال، می‌توان کربن‌های کایرال داشت که به ۴ کربن متصل هستند. پس چگونه در این موارد پیوندها را قطع کنیم؟

6. تعیین اولویت های CIP: شکستن “پیوندها” با “تکنیک نقطه”

پاسخ سریع استفاده از “تکنیک نقطه” است. در اینجا نحوه عملکرد آن آمده است. بیایید این کار را برای 4-اتیل-4-متیلوکتان، در بالا انجام دهیم.

از مرکز کایرال به سمت هر یک از 4 اتم اطراف بروید و اولویت‌ها (بر اساس عدد اتمی) را به هر یک از این اتم‌ها اختصاص دهید. [گاهی اوقات کشیدن نقطه روی هر یک از این اتم ها مفید است.]

2. اگر تساوی وجود دارد، اتم های متصل به هر یک از آن اتم های نقطه چین را به ترتیب کاهش عدد اتمی فهرست کنید.

3. هر فهرست را اتم به اتم مقایسه کنید. در مثال ما، از آنجایی که C>H، (C، H، H) بر (H، H، H) اولویت دارد، بنابراین به گروه CH3 اولویت شماره 4 اختصاص داده شده است.

4. اگر هنوز تساوی وجود دارد، نقاط را به بالاترین رتبه اتمی در لیست (یعنی اتمی با بالاترین عدد اتمی) منتقل کنید. نقطه ها مفید هستند زیرا به شما کمک می کنند تا موقعیت خود را پیگیری کنید، که می تواند در مثال های پیچیده مهم باشد.

5. در این مورد، ما به حرکت در طول زنجیره ادامه می دهیم. به هر حال، اگر بدون تعیین تفاوت به انتهای زنجیره برسید، به این معنی است که گروه ها یکسان هستند و در نهایت یک مرکز کایرال نیست.

6. در این مرحله اطلاعات کافی برای اختصاص (R)/(S) داریم. از آنجایی که اولویت شماره 4 در جلو است، ما همچنین می توانیم “قاعده مخالف” خود را برای اندازه گیری خوب بشکنیم:

7. نتیجه‌گیری: قوانین Cahn-Ingold-Prelog برای تخصیص پیکربندی‌های R و S

در پست بعدی به چند مثال پیچیده تر در مورد تعیین R/S خواهیم پرداخت، از جمله نحوه برخورد با پیوندهای دوگانه، حلقه ها و ایزوتوپ ها. در پست آینده، به تعیین R/S در پیش بینی های فیشر و نیومن خواهیم پرداخت.

با تشکر از مت پیرس برای مشارکت عمده در این مقاله.

از مت در مورد برنامه‌ریزی یک جلسه تدریس خصوصی در اینجا بپرسید.

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
مشخصات کایرالیته مولکولی
R. S. Cahn، سر کریستوفر اینگولد، V. Prelog
آنژو. شیمی. بین المللی اد. 1966، 5 (4)، 385-415
DOI: 10.1002/anie.196603851
این اولین مقاله در مورد این موضوع توسط نویسندگان نیست (رجوع کنید به مراجع 4 و 5)، اما این یک نشریه بزرگ و تلاشی برای ادغام تمام اطلاعات در مورد کایرالیته در یک مکان واحد است. این مقاله در مورد انواع مختلف کایرالیته ممکن در شیمی (نه فقط در کربن‌های چهار وجهی!) و چگونگی اختصاص دادن کایرالیتی به طور واضح بحث می‌کند.
اصول اساسی سیستم CIP و پیشنهادات برای تجدید نظر
دکتر Vladlmir Prelog و پروفسور دکتر Günter Helmchen
آنژو. شیمی. بین المللی اد. 1982، 21 (8)، 567-583
DOI: 10.1002/anie.198205671
به روز رسانی به Ref. شماره 1، که به بسیاری از موارد لبه می پردازد که ممکن استدر تکالیف استریوشیمیایی پیچیده مطرح شوند.
کایرالیتی در شیمی
ولادیمیر پریلوگ
سخنرانی نوبل، 1975
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1975/prelog/lecture/
سخنرانی نوبل پریلوگ خواندن سخنرانی‌های نوبل بسیار جذاب است، زیرا بینشی از زندگی دانشمندان و مسیر اکتشاف به دست می‌دهد، که به ندرت خطی است.
“کاملا” استریوشیمی ساده
فیلیپ اس. بوچمپ
مجله آموزش شیمی 1984، 61 (8)، 666
DOI: 10.1021/ed061p666
این مقاله یک روش ساده برای تعیین شیمی فضایی کربن های چهار وجهی با استفاده از عقربه ها، مناسب برای دانشجویان مقطع کارشناسی شیمی آلی را شرح می دهد.
یک روش دستی ساده برای تخصیص Cahn-Ingold-Prelog پیکربندی R و S به کربن های کایرال
مارتین پی آلوند و جیمز پینکاک
مجله آموزش شیمی 1986، 63 (7)، 600
DOI: 10.1021/ed063p600
ادامه مقاله قبلی (مرجع شماره 4)، اما متأسفانه ناقص است!
یک ابزار استریوشیمی مبتنی بر وب برای بهبود توانایی دانش‌آموزان برای ترسیم طرح‌های نیومن و انطباق‌های صندلی و اختصاص برچسب‌های R/S
نیمش میستری، راوی سینگ و جیمی ریدلی
مجله آموزش شیمی 2020، 97 (4)، 1157-1161
DOI: 10.1021/acs.jchemed.9b00688
این مقاله یک ابزار مبتنی بر وب را مورد بحث قرار می دهد که به دانش آموزان در تجسم ترکیبات کایرال و تخصیص استریوشیمی مطابق با قوانین Cahn-Ingold-Prelog (CIL) کمک می کند. رجوع به رجوع شود. 34 در مقاله برای پیوند.