6.3: Абсолютна конфігурація та система (R) та (S)

Мета навчання

• назва хіральних сполук з використанням (R) & (S) номенклатури

ВИКОРИСТОВУЙТЕ ВАШ МОДЕЛЬНИЙ КОМПЛЕКТ: Моделі допомагають візуалізувати структуру. Під час використання моделі переконайтеся, що найнижчий пріоритет вказує на вас. Потім визначте напрямок від найвищого пріоритету замінника до найнижчого: за годинниковою стрілкою (R) або проти годинникової стрілки (S).

ЯКЩО У ВАС НЕМАЄ КОМПЛЕКТУ ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ: пам'ятайте, що тире означають, що зв'язок збирається в екран, а клини означають, що зв'язок виходить з екрану. Якщо найнижчий пріоритет зв'язок не вказує на спину, подумки поверніть її так, щоб вона була. Однак дуже корисно при вивченні органічної хімії використовувати моделі.

Якщо у вас є набір для моделювання, використовуйте його, коли ви читаєте цей розділ і працюєте над проблемами практики.

Вступ та правила пріоритету Chan-Ingold-Prelog

Щоб однозначно назвати енантіомери сполуки, їх назви повинні включати в себе «врученість» молекули. Букви «R» і «S» визначаються шляхом застосування правил Чан-Інгольд-Прелог (CIP). Оптична активність (+/-) також може передаватися в назві, але повинна бути емпірично виведена. Існують також біохімічні умовності для вуглеводів (цукрів) і амінокислот (будівельних блоків білків).

Метод однозначного присвоєння врученості молекул зародився трьома хіміками: Р.С.Каном, К.Інгольдом і В.Прелогом і, як такий, також часто називають правилами Чан-Інгольда-Прелога. Крім системи СІП, існує два способи експериментального визначення абсолютної конфігурації енантіомера:

1. Рентгенівський дифракційний аналіз. Відзначимо, що немає кореляції між знаком обертання і будовою того чи іншого енантіомера.
2. Хімічна кореляція з молекулою, структура якої вже визначена за допомогою рентгенівської дифракції.

Однак для нелабораторних цілей вигідно орієнтуватися на систему R/S. Ознака оптичного обертання, хоча і відрізняється для двох енантіомерів хіральної молекули, при однаковій температурі, не може бути використаний для встановлення абсолютної конфігурації енантіомера; це пов'язано з тим, що знак оптичного обертання для конкретного енантіомера може змінюватися, коли температура зміни.

Правила пріоритету Chan-Ingold-Prelog засновані на атомних номерах атомів, що цікавлять. Для хіральності атоми, що представляють інтерес, - це атоми, пов'язані з хіральним вуглецем.

1. Атом з більшим атомним номером має вищий пріоритет (I > Br > Cl > S > P > F > O > N > C > H).
2. При порівнянні ізотопів атом з більшим числом маси має вищий пріоритет [¹⁸ O > ¹⁶ O або ¹⁵ N > ¹⁴ N або ¹³ C > ¹² C або T (³ H) > D (² H) > H].
3. Коли є зв'язок у (2) вище, встановіть відносний пріоритет, перейшовши до наступного атома (ів) уздовж ланцюга, поки не буде спостерігатися перша різниця.

Кілька зв'язків розглядаються так, ніби кожен зв'язок множинного зв'язку пов'язаний з унікальним атомом. Наприклад, етенильна група (СН ₂ = СН) має вищий пріоритет, ніж етилова група (СН ₃ СН ₂). Пріоритет етилового вуглецю - це «дві» зв'язки з атомами вуглецю і один зв'язок з атомом водню порівняно з етиловим вуглецем, який має лише один зв'язок з атомом вуглецю і два зв'язки з двома атомами водню. Аналогічно, вуглецево-вуглецевий потрійний зв'язок ацетилену надасть йому вищий пріоритет CIP, ніж етенильна група, як узагальнено нижче.

Стереоцентри маркуються R або S

Номенклатура «права рука» і «ліва рука» використовується для назви енантіомерів хірального з'єднання. Стереоцентри позначені як R або S.

Розглянемо діаграму вище зліва: вигнута стрілка намальована проти годинникової стрілки (c-cw) від замісника найвищого пріоритету (1) до замісника найнижчого пріоритету (4) в t he S - конфігурація («Sinister» → Latin=» ліворуч»). Напрямок проти годинникової стрілки можна розпізнати за рухом вліво при виході з 12 o 'положення годинника. Тепер розглянемо діаграму вище праворуч, де вигнута стрілка намальована за годинниковою стрілкою (cw) від замісника найвищого пріоритету (1) до найнижчого пріоритетного замінника (4) у конфігурації R («Rectus» → Latin= «праворуч»). R або S потім додається як префікс, у дужках, до назви енантіомера, що цікавить. Номер локатора необхідний, якщо є більше одного хірального центру. В іншому випадку людина, яка читає ім'я, як очікується, розпізнає хіральний центр.

Приклад 1

Дві хіральні сполуки нижче намальовані, щоб підкреслити хіральний вуглець з повною хімічною назвою під кожною структурою.

Абсолютні конфігурації перспективних формул

Хімікам потрібен зручний спосіб відрізнити один стереоізомер від іншого. Система Chan-Ingold-Prelog - це набір правил, який дозволяє однозначно визначити стереохімічну конфігурацію будь-якого стереоцентру, використовуючи позначення «R» (від латинського rectus, що означає правша) або 'S' (від латинська зловісна, що означає лівша).

Правила цієї системи стереохімічної номенклатури, на поверхні, досить прості.

Правила присвоєння R/S позначення хіральному центру

1: Призначте пріоритети чотирьом замінникам, причому #1 є найвищим пріоритетом, а #4 найнижчим. Пріоритети засновані на атомному номері.

2: Проведіть коло від #1 до #2 до #3.

3: Визначте орієнтацію групи пріоритетів #4. Якщо вона орієнтована в площину сторінки (подалі від вас), перейдіть до кроку 4а. Якщо вона орієнтована з площини сторінки (на вас) перейдіть до кроку 4b.

4a: (група #4 вказує на вас): коло за годинниковою стрілкою у частині 2 відповідає конфігурації R, тоді як коло проти годинникової стрілки відповідає конфігурації S.

4b: (група #4 вказує на вас): коло за годинниковою стрілкою у частині 2 відповідає конфігурації S, тоді як коло проти годинникової стрілки відповідає конфігурації R.

Ми будемо використовувати 3-вуглецевий цукровий гліцеральдегід як наш перший приклад. Перше, що ми повинні зробити, це призначити пріоритет кожному з чотирьох замісників, прив'язаних до хірального центру. Спочатку розглянемо атоми, які безпосередньо пов'язані з хіральним центром: це H, O (в гідроксилі), C (в альдегіді) і C (в групі CH ₂ OH).

Призначення конфігурації R/S гліцеральдегіду:

Два пріоритети прості: водень, з атомним номером 1, є найнижчим (#4) пріоритетом, а гідроксильний кисень, з атомним номером 8, є пріоритетом #1. Вуглець має атомний номер 6. Яка з двох груп «С» є пріоритетом #2, альдегід або CH ₂ OH? Щоб визначити це, ми відсуваємо ще один зв'язок від хірального центру: для альдегіду ми маємо подвійний зв'язок з киснем, тоді як на групі CH ₂ OH ми маємо єдиний зв'язок з киснем. Якщо атом однаковий, подвійні зв'язки мають вищий пріоритет, ніж одиночні. Тому альдегідної групі присвоюється пріоритет #2, а групі CH ₂ OH - пріоритет #3.

З нашими пріоритетами ми дивимося далі на #4 пріоритетну групу (водень) і бачимо, що вона спрямована назад від нас, в площину сторінки - таким чином крок 4a з процедури вище застосовується. Потім ми простежуємо коло, визначене групами пріоритетів #1, #2 та #3, у зростаючому порядку. Коло за годинниковою стрілкою, що за кроком 4а говорить нам, що цей вуглець має конфігурацію «R», і що ця молекула є (R) -гліцеральдегідом. Його енантіомер, за визначенням, повинен бути (S) -гліцеральдегід.

Далі розглянемо один з енантіомерів молочної кислоти і визначимося з конфігурацією хірального центру. Зрозуміло, що H є замінником #4, а OH - #1. Завдяки трьом зв'язкам з киснем вуглець на кислотній групі має пріоритет #2, а метильна група займає #3. Група #4, водень, виявляється намальована, вказуючи на нас (з площини сторінки) на цьому малюнку, тому ми використовуємо крок 4b: Коло, промальоване від #1 до #2 до #3, знаходиться за годинниковою стрілкою, що означає, що хіральний центр має конфігурацію S.

Препарат талідомід є цікавим - але трагічним - тематичним дослідженням важливості стереохімії в дизайні ліків. Вперше виготовлений німецькою фармацевтичною компанією і широко призначається в Європі та Австралії наприкінці 1950-х років як седативний засіб та засіб від ранкової нудоти у вагітних жінок, талідомід незабаром був залучений як причина руйнівних вроджених дефектів у немовлят, народжених жінками, які його прийняли. Талідомід містить хіральний центр, і, таким чином, існує в двох енантіомерних формах. Він продавався як рацемічна суміш: іншими словами, суміш 50:50 обох енантіомерів.

Спробуємо визначити стереохімічну конфігурацію енантіомера зліва. З чотирьох зв'язків до хірального центру пріоритетом #4 є водень. Група азоту - #1, карбонільна сторона кільця #2, а сторона кільця —CH ₂ - #3.

Водень показано, що вказує від нас, а пріоритетні замісники простежують коло за годинниковою стрілкою: це R енантіомер талідоміду. Інший енантіомер, звичайно, повинен мати конфігурацію S.

Хоча вчені досі не впевнені, як працює талідомід, експериментальні дані свідчать про те, що насправді R енантіомер мав бажані медичні ефекти, тоді як S енантіомер викликав вроджені дефекти. Однак навіть при цьому знанні чистий (R) -талідомід не є безпечним, оскільки ферменти в організмі швидко перетворюються між двома енантіомерами - ми побачимо, як це відбувається в главі 12.

Як історична примітка, талідомід ніколи не був схвалений для використання в Сполучених Штатах. Це було значною мірою завдяки зусиллям доктора Френсіс Келсі, офіцера з харчових продуктів та наркотиків, який, під загрозою для своєї кар'єри, заблокував його схвалення через її занепокоєння щодо відсутності адекватних досліджень безпеки, особливо щодо здатності препарату потрапляти в кров плоду, що розвивається. На жаль, хоча, в той час клінічні випробування нових препаратів передбачали широке та нерегульоване розповсюдження лікарям та їхнім пацієнтам по всій країні, тому сім'ї в США не були позбавлені від заподіяної шкоди.

Зовсім недавно близьке похідне талідоміду стало законним призначати знову в Сполучених Штатах із суворими заходами безпеки для лікування форми раку крові під назвою множинна мієлома. У Бразилії талідомід використовується при лікуванні прокази - але, незважаючи на заходи безпеки, діти все ще народжуються з вадами, пов'язаними з талідомідом.

Вправа 1. : Визначте стереохімічні конфігурації хіральних центрів у біомолекулах, показаних нижче.

Вправа 2. : Чи повинен (R) енантіомер малату мати твердий або пунктирний клин для зв'язку C-O на малюнку нижче?

Вправа 3. : Використовуючи тверді або пунктирні клини, щоб показати стереохімію, намалюйте (R) енантіомер ібупрофену та (S) енантіомер 2-метилерітрітол-4-фосфату (структури показані раніше в цьому розділі без стереохімії).

Рішення вправ

Абсолютні конфігурації проекцій Фішера

Щоб визначити абсолютну конфігурацію хірального центру в проекції Фішера, скористайтеся наступною двоетапною процедурою.

Крок 1
Призначте номери пріоритету чотирьом лігандам (групам), прив'язаним до хірального центру за допомогою системи пріоритетів CIP.

Крок 2 - вертикальний варіант
Якщо ліганд з найнижчим пріоритетом знаходиться на V вертикальному зв'язку, то він вказує подалі від глядача.

Простежте три ліганди з найвищим пріоритетом, починаючи з ліганду найвищого пріоритету (① → ② → ③) у напрямку, який дасть V дуже правильну відповідь.

У з'єднанні нижче рух здійснюється за годинниковою стрілкою, що вказує на R-конфігурацію. Повна назва IUPAC для цієї сполуки є (R) -бутан-2-ол.

Крок 2 - горизонтальний варіант

Якщо ліганд з найнижчим пріоритетом знаходиться на горизонтальному зв'язку H, то він вказує на глядача.

Простежте три ліганди з найвищим пріоритетом, починаючи з ліганду найвищого пріоритету (① → ② → ③) у напрямку, який дасть H жахливо неправильну відповідь. Зверніть увагу в таблиці нижче, що конфігурації змінюються з першого прикладу.

У сполуці нижче рух за годинниковою стрілкою (R), що є жахливо неправильним, тому фактична конфігурація - S. Повна назва IUPAC для цієї сполуки - (S) -бутан-2-ол.

Маніпулювання проекціями Фішера без зміни конфігурації

Проекція Фішера обмежує тривимірну молекулу в двох вимірах. Отже, існують обмеження щодо операцій, які можна виконувати на проекції Фішера без зміни абсолютної конфігурації в хіральних центрах. Операції, які не змінюють абсолютну конфігурацію в хіральному центрі в проекціях Фішера, можна узагальнити як два правила.

Правило 1: Обертання проекції Фішера на 180º в будь-якому напрямку, не піднімаючи її з площини паперу, не змінює абсолютної конфігурації в хіральному центрі.

Правило 2: Обертання трьох лігандів по хіральному центру в будь-якому напрямку, утримуючи залишився ліганд на місці, не змінює абсолютної конфігурації в хіральному центрі.

Маніпулювання проекціями Фішера зі зміною конфігурації

Операції, які змінюють абсолютну конфігурацію в хіральному центрі в проекції Фішера, можна узагальнити як два правила.

Правило 1: Обертання проекції Фішера на 90º в будь-якому напрямку змінює абсолютну конфігурацію в хіральному центрі.

Правило 2: Зміна будь-яких двох лігандів на хіральному центрі змінює абсолютну конфігурацію в хіральному центрі.

Перераховані вище правила припускають, що розглянута проекція Фішера містить тільки один хіральний центр. Однак з обережністю їх можна наносити на проекції Фішера, що містять будь-яку кількість хіральних центрів.

Вправа 1

Класифікувати такі сполуки як R або S?

Рішення

1. S: I > Br > F > H. Замінник найнижчого пріоритету, H, вже йде до спини. Він повертає ліворуч від I до Br до F, так що це S.
2. R: Br > Cl > CH ₃ > H. Ви повинні переключити H і Br, щоб розмістити H, найнижчий пріоритет, ззаду. Потім, йдучи від Br до Cl, CH ₃ повертає вправо, даючи вам R.
3. Ні R, ні S: Ця молекула є ахіральною. Тільки хіральні молекули можуть називатися R або S.
4. R: OH> CN > CH _{2 NH 2} > H, найнижчий пріоритет, повинен бути переведений на спину. Потім, переходячи від OH до CN до CH ₂ NH ₂, ви повертаєте праворуч, даючи вам R.
5. (5) S:\(\ce{-COOH}\)\(\ce{-CH_2OH}\) >\(\ce{C#CH}\) >\(\ce{H}\). Потім, переходячи від\(\ce{-COOH}\)\(\ce{-CH_2OH}\) до\(\ce{-C#CH}\) вас повертаємо ліворуч, надаючи вам конфігурацію S.

Вправи

6. Орієнтуйте наступне так, щоб найменший пріоритет (4) атом відстав, потім призначте стереохімію (R або S).

7. Намалюйте (R) -2-бромбутан-2-ол.

8. Призначити R/S наступної молекули.

Рішення

6.

А = С; Б = Р

7.

 

8. Стереоцентр - R.

Інші ресурси

Відеоурок Академії Кан по системі іменування R-S

Посилання

1. Шоре і Волльхардт. Структура та функції органічної хімії. Нью-Йорк: W.H Фрімен і компанія, 2007.
2. Макмюррі, Джон і Сіманек, Ерік. Основи органічної хімії. 6-е изд. Брукс Коул, 2006 рік.

Дописувачі та атрибуція

• Екта Патель (UCD), Аворанті (Університет штату Меріленд, округ Балтімор)
• ParseError: invalid DekiScript (click for details)

  Callstack:
      at (Хімія/Органічна_хімія/Карта:_Органічна_хімія_(Wade)/06:_Стереохімія_та_тетраедричні_центри/6.03:_Абсолютна_конфігурація_та_система_(R)_та_(S)), /content/body/div[2]/div[2]/fieldset/fieldset/fieldset/div[3]/ul/li[2]/span, line 1, column 1