Правила Кана – Інґольда – Прелога

Правила Ка́на – І́нґольда – Пре́лога (також правила старшинства Кана – Інґольда – Прелога, правила КІП, або RS-номенклатура; англ. Cahn–Ingold–Prelog priority rules, CIP rules, RS nomenclature) — номенклатурна система правил, що слугує для однозначного опису просторової орієнтації замісників на хіральному центрі або подвійному зв'язку.^[1] Ця система була вперше запропонована Робертом Сіднеєм Каном^[en], Крістофером Келком Інґольдом^[en] і Владіміром Прелогом у 1966 році,^[2] а потім дороблена Владіміром Прелогом та Гюнтером Хельмхеном^[de] у 1982 році.^[3] У 1974 році ці правила були включені до рекомендацій ІЮПАК.^[4]

Іменування молекул згідно RS-номенклатури

Ідентифікація хіральних центрів

Найпершим кроком є пошук хіральних центрів. Найпоширенішими в хімії є хіральні центри, що мають чотири замісники; зазвичай вони виникають на атомах вуглецю, але також можуть існувати на атомах азоту, сірки, кремнію й фосфору. При цьому вільні електронні пари теж вважаються заступниками.

Розподіл замісників за старшинством

Кожен хіральний центр розглядається окремо. Метою цього кроку є нумерація заступників за старшинством в порядку 1–4, що відбувається згідно наступних правил:

Атоми, безпосередньо пов'язані з хіральним центром (їх називають атомами першої сфери), нумеруються в порядку спадання їхнього масового числа: замісник з найвищим масовим числом вважається найстаршим і отримує порядковий номер 1, замісник із наступним за величиною масовим числом отримує номер 2 і т. д. Під уживанням терміну «масове число» також мається на увазі, що у випадку ізотопів одного елемента (наприклад, водень, дейтерій і тритій) ізотоп з більшою кількістю нейтронів отримує вище старшинство. Вільні електронні пари отримують фіктивне атомне число 0 і тому завжди мають найнижче старшинство.
Якщо два або більше атомів з першої сфери є ідентичними, то вони замінюються списком усіх атомів, пов'язаних із ними (т. зв. атоми другої сфери). Замісник першої сфери, що пов'язаний із атомами другої сфери з найбільшим сумарним масовим числом, отримує найвище старшинство (приклад: бічний ланцюг ${\ce {-CH(CH3)2}}$ є старшим за ланцюг ${\ce {-CH2CH2CH3}}$ ).
Якщо атоми другої сфери теж однакові, то розглядаються атоми третьої сфери і т. д. Так робиться, доки не буде знайдено першу відміну у замісниках.
Якщо розподіл за старшинством виявився неможливим навіть при розгляді атомів останньої сферри (наприклад, якщо закінчився ланцюг замісника або якщо у випадку циклічної молекули атом останньої сфери виявився атомом першої сфери) — тоді беруться до уваги наступні фактори:
- Якщо в молекулі присутні подвійні зв’язки, то ізомер (Z) є старшим за ізомер (Е).
- Якщо замісники містять хіральний центр, то дескриптор (R) є старшим за дескриптор (S).
- Якщо замісники містять декілька хіральних центрів, то пара ідентичних дескрипторів (напр. (SS)) є старшою за пару різних (напр. (RS)).
- У випадку наявності центрів псевдохіральності, (r) посідає старшинство над (s) (докладніше: див. нижче).

Розподіл старшинств «за годинниковою стрілкою» та «проти годинникової стрілки»

Визначення дескриптора

Для визначення дескриптора хірального центру останній споглядають так, щоб замісник з порядковим номером 4 «дивився» геть від спостерігача; при такій відносній орієнтації інші три замісника мають «дивитись» на спостерігача. Наступним кроком є відлік замісників за зростаючим порядковим номером. Якщо номери 1–2–3 розташовані за годинниковою стрілкою, то хіральний центр позначається дескриптором (R) (від лат. rectus); якщо ж вони розташовані проти годинникової стрілки, то хіральний центр отримує дескриптор (S) (від лат. sinister).

Слід зауважити, що номенклатура RS не є еквівалентною номенклатурі (+/-), тому внаслідок такого теоретичного аналізу неможливо розрахувати напрямок і величину питомого обертання відповідного енантіомера молекули.

Особливі випадки

Подвійні зв'язки й кон'юговані системи

Подвійні й потрійні зв’язки на атомах розглядаються таким чином, ніби відповідний атом наступної сфери присутній двічі або тричі (т. зв. фантомні атоми, або атоми-дублікати). Однак, фантомні атоми за замовчуванням не пов'язані з атомами наступної сфери. Також слід зазначити, що подвійні зв’язки між двома гетероатомами, з яких принаймні один є елементом третього періоду або вище, за домовленістю розглядаються як одинарні зв’язки (наприклад, ${\ce {P = O}}$ тлумачиться як ${\ce {P - O}}$ ).

Якщо атоми наступної сфери утворюють кон'юговану систему (наприклад, (гетеро)ароматичні системи), то масове число фантомного атома визначається як середнє значення масових чисел всіх атомів, з якими може бути утворено подвійний зв'язок в рамках мезомерії.^[5]

Приклад сполуки із псевдохіральним центром: (1R,2s,3S)-1,2,3-трихлороциклопентан

Циклічні молекули

У випадку призначення дескриптора хіральному центру на карбоциклі розгляд кожної гілки циклу проходить незалежно одна від одної; так робиться до моменту досягнення вихідного атома (або ж атома першої сфери тіє ж гілки), який тепер розглядається лише як фантом — тобто, є кінцевим.^[5]

Псевдохіральність

Існують випадки, коли єдиною відмінністю між двома замісниками на певному атомі є лише їхня стереохімічна конфігурація (тобто, наприклад, один замісник має хіральний центр з дескриптором (R), а інший — такий же хіральний центр, але з дескриптором (S). У такому випадку — оскільки (R) > (S) — визначення дескриптора для цього атома теж відбувається стандартним способом, але такий дескриптор називається псевдохіральним і підписується як (r) або (s) (малі літери замість звичних великих).^[6]

Подвійні зв'язки: (E)/(Z)-номенклатура

Для встановлення старшинства серед замісників на подвійному зв'язку використовується той же алгоритм, що наведений вище.

Якщо два заступники з найвищими старшинствами знаходяться на одній стороні подвійного зв'язку, то останній отримує дескриптор (Z) (від нім. zusammen — «разом»).
Якщо ці заступники знаходяться по різні сторони подвійного зв'язку, то йому присвоюється дескриптор (E) (від нім. entgegen — «навпроти»).

Часто (Z)-стереомери також є цис-діастереомерами, у той час як (E)-стереомери часто є транс-діастереомерами. Однак, не слід ототожнювати ці дві номенклатурні системи: (E)/(Z)-номенклатура позначає абсолютну конфігурацію замісників на подвійному зв'язку, у той час як цис-/транс-номенклатура описує відносну конфігурацію певних двох замісників. Саме тому остання система на сьогодні поширена загалом лише серед циклічних алкенів, а для загального використання рекомендуєтьться вживання системи (E)/(Z).^[7]

Прохіральність

Докладніше: Прохіральність

Правила КІП також можуть бути певним чином застосовані для опису реакцій на ахіральних молекулах, в результаті яких виникають хіральні продукти. Так, найвідомішим прикладом застосування є реакції карбонільних сполук з нуклеофілами (напр. BH₄^-, CN^-, літій- або магнійорганічні сполуки): атом вуглецю у вихідній карбонільній сполуці має гібридизацію sp², яка перетворюється на sp³ в похідній молекулі спирту. Якщо вихідною сполукою є, наприклад, ацетон, то похідний спирт є теж ахіральним. Однак, якщо замісники на карбонільній групі різні, то реакція нуклеофільного приєднання призведе до одного з двох (або ж суміші обидвох) енантіомерів. Така карбонільна сполука вважається прохіральною й має дві різні сторони (площини), з яких нуклеофіл може атакувати. За визначенням, ці сторони позначаються як:

Площина Re (англ. Re-face): рахунок від найстаршого замісника (у цьому випадку це карбонільна група) до найменшого перебігає за годинниковою стрілкою;
Площина Si (англ. Si-face): протилежна їй площина.

Відповідно, нуклеофільне приєднання може відбуватись як атака з площини Re (англ. Re face approach), або як атака з площини Si (англ. Si face approach). Абсолютна стереохімічна конфігурація продукту реакції заледить від конкретних замісників, а також від уживаного нуклеофілу й має бути визначена за правилами КІП.^[8]

Примітки

↑ March, Jerry; Michael B., Smith (2007). March's advanced organic chemistry : reactions, mechanisms, and structure (вид. 6.). Hoboken, NJ: Wiley-Interscience. с. 155–162. ISBN 978-0-471-72091-1.
↑ Cahn, R. S.; Ingold, Christopher; Prelog, V. (21 квітня 1966). Spezifikation der molekularen Chiralität. Angewandte Chemie (нім.). Т. 78, № 8. с. 413—447. doi:10.1002/ange.19660780803.
↑ Prelog, Vladimir; Helmchen, Günter (16 січня 2006). Grundlagen des CIP-Systems und Vorschläge für eine Revision. Angewandte Chemie (англ.). Т. 94, № 8. с. 614—631. doi:10.1002/ange.19820940805.
↑ Cross, L.C; Klyne, W. (1974). Rules for the Nomenclature of Organic Chemistry: Section E: Stereochemistry (Recommendations 1974) (PDF). ISBN 978-0-08-021019-3. Архів оригіналу (PDF) за 7 квітня 2016.
↑ ^а ^б Hellwich, Karl-Heinz. Stereochemie Grundbegriffe. ISBN 9783540717072. OCLC 196473498.
↑ Nič, Miloslav; Jirát, Jiří; Košata, Bedřich; Jenkins, Aubrey; McNaught, Alan, ред. (12 червня 2009). pseudo-asymmetric carbon atom. IUPAC Compendium of Chemical Terminology (англ.) (вид. 2.1.0). Research Triagle Park, NC: IUPAC. doi:10.1351/goldbook.p04921. ISBN 978-0-9678550-9-7.
↑ Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren, Peter Wothers: Organic Chemistry. Oxford University Press, 2001, ISBN 978-0-19-850346-0, S. 487.
↑ Moss, G. P. (1 січня 1996). Basic terminology of stereochemistry (IUPAC Recommendations 1996). Pure and Applied Chemistry (нім.). Т. 68, № 12. с. 2193—2222. doi:10.1351/pac199668122193. ISSN 1365-3075. Процитовано 16 лютого 2021.

[1] March, Jerry; Michael B., Smith (2007). March's advanced organic chemistry : reactions, mechanisms, and structure (вид. 6.). Hoboken, NJ: Wiley-Interscience. с. 155–162. ISBN 978-0-471-72091-1.

[2] Cahn, R. S.; Ingold, Christopher; Prelog, V. (21 квітня 1966). Spezifikation der molekularen Chiralität. Angewandte Chemie (нім.). Т. 78, № 8. с. 413—447. doi:10.1002/ange.19660780803.

[3] Prelog, Vladimir; Helmchen, Günter (16 січня 2006). Grundlagen des CIP-Systems und Vorschläge für eine Revision. Angewandte Chemie (англ.). Т. 94, № 8. с. 614—631. doi:10.1002/ange.19820940805.

[IUPAC-4] Cross, L.C; Klyne, W. (1974). Rules for the Nomenclature of Organic Chemistry: Section E: Stereochemistry (Recommendations 1974) (PDF). ISBN 978-0-08-021019-3. Архів оригіналу (PDF) за 7 квітня 2016.

[:0-5] а ^б Hellwich, Karl-Heinz. Stereochemie Grundbegriffe. ISBN 9783540717072. OCLC 196473498.

[6] Nič, Miloslav; Jirát, Jiří; Košata, Bedřich; Jenkins, Aubrey; McNaught, Alan, ред. (12 червня 2009). pseudo-asymmetric carbon atom. IUPAC Compendium of Chemical Terminology (англ.) (вид. 2.1.0). Research Triagle Park, NC: IUPAC. doi:10.1351/goldbook.p04921. ISBN 978-0-9678550-9-7.

[Clayden-7] Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren, Peter Wothers: Organic Chemistry. Oxford University Press, 2001, ISBN 978-0-19-850346-0, S. 487.

[8] Moss, G. P. (1 січня 1996). Basic terminology of stereochemistry (IUPAC Recommendations 1996). Pure and Applied Chemistry (нім.). Т. 68, № 12. с. 2193—2222. doi:10.1351/pac199668122193. ISSN 1365-3075. Процитовано 16 лютого 2021.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]