Reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog

Ejemplo de la priorización de la estructura dentro del sistema CIP. La prioridad se asigna según la sustitución de elementos con números atómicos superiores, u otros grupos adjuntos. En rojo es el sustituto que determina la prioridad final (imagen anterior).

En química orgánica, las reglas de secuencia Cahn–Ingold–Prelog (CIP) (también la convención de prioridad CIP llamadas así por R.S. Cahn, CK Ingold y Vladimir Prelog) son un proceso estándar para nombrar completa e inequívocamente un estereoisómero de una molécula. El propósito del sistema CIP es asignar un descriptor R o S a cada estereocentro y un descriptor E o Z a cada doble enlace para que la configuración de la molécula completa se pueda especificar de manera única al incluir los descriptores en su nombre sistemático. Una molécula puede contener cualquier número de estereocentros y cualquier número de dobles enlaces, y cada uno suele dar lugar a dos posibles isómeros. Una molécula con un número entero n que describe el número de estereocentros normalmente tendrá 2ⁿ estereoisómeros y 2ⁿ⁻¹ diastereómeros cada uno que tiene un par de enantiómeros asociados. Las reglas de secuencia del CIP contribuyen a la denominación precisa de cada estereoisómero de cada molécula orgánica con todos los átomos de ligancia de menos de 4 (pero incluyendo también la ligancia de 6, este término se refiere al "número de átomos vecinos" unido a un centro).

El artículo clave que establece las reglas de la secuencia CIP se publicó en 1966 y fue seguido por mejoras adicionales, antes de que se incorporara a las reglas de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), el organismo oficial que define nomenclatura, en 1974. Desde entonces, las reglas han sido revisadas, más recientemente en 2013, como parte del libro IUPAC Nomenclature of Organic Chemistry. La presentación de las reglas de la IUPAC constituye el estándar oficial y formal para su uso, y señala que "el método ha sido desarrollado para cubrir todos los compuestos con ligancia hasta 4... y... [extendido al caso de] ligancia 6… [así como] para todas las configuraciones y conformaciones de tales compuestos." Sin embargo, aunque la documentación de la IUPAC presenta una introducción completa, incluye la advertencia de que "es esencial estudiar los artículos originales, especialmente el artículo de 1966, antes de usar la regla de secuencia para otros casos que no sean bastante simples".

Un artículo reciente aboga por cambios en algunas de las reglas (reglas de secuencia 1b y 2) para abordar ciertas moléculas para las cuales los descriptores correctos no estaban claros. Sin embargo, persiste un problema diferente: en casos raros, dos estereoisómeros diferentes de la misma molécula pueden tener los mismos descriptores CIP, por lo que es posible que el sistema CIP no pueda nombrar un estereoisómero sin ambigüedades, y otros sistemas pueden ser preferibles.

Pasos para nombrar

Los pasos para nombrar moléculas utilizando el sistema CIP a menudo se presentan como:

1. Identificación de estereocentros y dobles vínculos;
2. Asignación de prioridades a los grupos que se adjunten a cada estereocentro o átomo de doble unión; y
3. Asignación de R/S y E/Z Descriptores.

Asignación de prioridades

R/S y E/Z se asignan utilizando un sistema para clasificar la prioridad de los grupos adjuntos a cada estereocentro. Este procedimiento, a menudo conocido como reglas de secuencia, es el corazón del sistema CIP. La descripción general de esta sección omite algunas reglas que son necesarias solo en casos excepcionales.

1. Compare el número atómico (Z) de los átomos directamente ligados al estereocentro; el grupo que tiene el átomo de mayor número atómico Z recibe mayor prioridad (es decir, número 1).
2. Si hay una corbata, los átomos a distancia 2 del estereocentro tienen que ser considerados: una lista se hace para cada grupo de átomos adicionales unidos al uno directamente conectado al estereocentro. Cada lista está dispuesta para disminuir el número atómico Z. Luego las listas se comparan átomo por átomo; a la primera diferencia, el grupo que contiene el átomo de mayor número atómico Z recibe mayor prioridad.
3. Si todavía hay una corbata, cada átomo en cada una de las dos listas es reemplazado por una sublista de los otros átomos unidos a él (a la distancia 3 del estereocentro), las sublistas se arreglan en la disminución del orden del número atómico Z, y toda la estructura se compara de nuevo átomo por átomo. Este proceso se repite recursivamente, cada vez con átomos un vínculo más lejos del estereocentro, hasta que la corbata se rompe.

Isótopos

Si dos grupos difieren solo en los isótopos, entonces se usa la masa atómica más grande para establecer la prioridad.

Enlaces dobles y triples

Este ejemplo muestra la "regla de división y duplicación" para dobles bonos. El grupo de vinilo (C=C) o porción de alkenés tiene una prioridad mayor sobre la porción de alcalino (C−C).

Si un átomo, A, tiene un doble enlace con otro átomo, entonces el átomo A debe tratarse como si estuviera "conectado al mismo átomo dos veces". Un átomo con doble enlace tiene mayor prioridad que un átomo con enlace simple. Cuando se trata de grupos de prioridad de doble enlace, se le permite visitar el mismo átomo dos veces mientras crea un arco.

Cuando B se reemplaza con una lista de átomos unidos, A en sí mismo, pero no su "fantasma", se excluye de acuerdo con el principio general de no doblar hacia atrás a lo largo de un enlace que se acaba de seguir. Un enlace triple se maneja de la misma manera, excepto que A y B están conectados cada uno a dos átomos fantasma del otro.

Isómeros geométricos

Si dos sustituyentes en un átomo son isómeros geométricos entre sí, el isómero Z tiene mayor prioridad que el isómero E. Un estereoisómero que contiene dos grupos de mayor prioridad en la misma cara del doble enlace (cis) se clasifica como "Z." El estereoisómero con dos grupos de mayor prioridad en lados opuestos de un doble enlace carbono-carbono (trans) se clasifica como "E."

Moléculas cíclicas

Para manejar una molécula que contiene uno o más ciclos, primero se debe expandir en un árbol (llamado dígrafo jerárquico) atravesando enlaces en todos los caminos posibles comenzando en el estereocentro. Cuando el recorrido encuentra un átomo a través del cual ya ha pasado el camino actual, se genera un átomo fantasma para mantener finito el árbol. Un solo átomo de la molécula original puede aparecer en muchos lugares (algunos como fantasmas, otros no) en el árbol.

Asignación de descriptores

Estereocentros: R/S

Dos ejemplos de estereocentros. El substituto más bajo (número 4) se muestra sólo por una línea ondulada, y se supone que está detrás del resto de la molécula. Ambos centros se muestran S isómeros.

Un isómero hibridado sp3 quiral contiene cuatro sustituyentes diferentes. A los cuatro sustituyentes se les asignan proritos en función de sus números atómicos. Una vez que se han asignado sus prioridades a los sustituyentes de un estereocentro, la molécula se orienta en el espacio de modo que el grupo con la prioridad más baja apunte hacia el lado opuesto del observador. Si los sustituyentes están numerados del 1 (prioridad más alta) al 4 (prioridad más baja), entonces el sentido de rotación de una curva que pasa por 1, 2 y 3 distingue a los estereoisómeros. En un isómero configuracional, el grupo de menor prioridad (la mayoría de las veces hidrógeno) se coloca detrás del plano o del enlace rayado que se aleja de usted. El grupo de mayor prioridad tendrá dibujado un arco conectando con el resto de grupos, finalizando en el grupo de tercera prioridad. Un arco trazado en el sentido de las agujas del reloj, tiene la asignación rectus (R). Un arco trazado en sentido antihorario, tiene la asignación siniestra (S). Cuando se nombra un isómero orgánico, la abreviatura de la asignación rectus o sinister se coloca delante del nombre entre paréntesis. Por ejemplo, el 3-metil-1-penteno con una asignación rectus tiene el formato (R) 3-metil-1-penteno. Los nombres se derivan del latín para 'derecho' y 'izquierda', respectivamente.

Un ejemplo de a (s) descriptor: (1R,2s,3S)-1,2,3-trichlorocyclopentane

Un método práctico para determinar si un enantiómero es R o S es usar la regla de la mano derecha: uno envuelve la molécula con los dedos en la dirección 1 → 2 → 3. Si el pulgar apunta en la dirección del cuarto sustituyente, el enantiómero es R; de lo contrario, es S.

Es posible en casos raros que dos sustituyentes en un átomo difieran solo en su configuración absoluta (R o S). Si es necesario establecer las prioridades relativas de estos sustituyentes, R tiene prioridad sobre S. Cuando esto sucede, el descriptor del estereocentro es una letra minúscula (r o s) en lugar de la letra mayúscula que normalmente se usa.

Dobles enlaces: E/Z

Para las moléculas con doble enlace, se siguen las reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog (reglas CIP) para determinar la prioridad de los sustituyentes del doble enlace. Si ambos grupos de alta prioridad están en el mismo lado del doble enlace (configuración cis), entonces al estereoisómero se le asigna la configuración Z (zusammen, palabra alemana que significa & #34;juntos"). Si los grupos de alta prioridad están en lados opuestos del doble enlace (configuración trans), entonces al estereoisómero se le asigna la configuración E (entgegen, palabra alemana que significa "opuesto")

Compuestos de coordinación

En algunos casos donde se forman centros estereogénicos, se debe especificar la configuración. Sin la presencia de una interacción no covalente, un compuesto es aquiral. Algunos profesionales han propuesto una nueva regla para dar cuenta de esto. Esta regla establece que "las interacciones no covalentes tienen un número ficticio entre 0 y 1" al asignar prioridad. Los compuestos en los que esto ocurre se denominan compuestos de coordinación.

Compuestos espiro

Las estructuras Spiro contienen moléculas quirales sin un centro asimétrico. Los anillos de una estructura de espiro se encuentran en ángulo recto entre sí. Es importante tener en cuenta que las imágenes especulares de las estructuras de espiro no son superponibles y son enantiómeros.

Isomería óptica

Los isómeros ópticos son compuestos que tienen cuatro sustituyentes diferentes unidos a un carbono central. Los isómeros ópticos juegan un papel importante en la actividad biológica. Los isómeros ópticos tienen la capacidad de girar polarizados en un plano en el sentido de las agujas del reloj (R) o en el sentido contrario a las agujas del reloj (S). Cuando los isómeros ópticos crean dos enantiómeros, uno girará en el sentido de las agujas del reloj mientras que el otro girará en el sentido contrario a las agujas del reloj. Sin embargo, una mezcla de los dos isómeros no rotará la luz polarizada en el plano. Estos dos isómeros pueden ser idénticos químicamente, pero no se pueden distinguir.

Ejemplos

Los siguientes son ejemplos de aplicación de la nomenclatura.

R/S asignaciones para varios compuestos
	La molécula hipotética bromoclorofluoroiodododometano se muestra en su (R)-configuración sería un compuesto chiral muy simple. Las prioridades se asignan sobre la base del número atómico (en inglés)Z): yodoZ = 53)Z = 35)Z = 17)Z = 9). Permitiendo que el flúor (prioridad más baja, número 4) apunte lejos del espectador la rotación es el relojero por lo tanto el R asignación.
	En la asignación de la máxima prioridad de la Serina (es decir, número 1) se da al átomo de nitrógeno (Z = 7) en el grupo amino (NH)2). Tanto el grupo hidroximetil (CH)2OH) y el grupo de ácido carboxílico (COOH) tienen átomos de carbono (Z = 6) pero se da prioridad a este último porque el átomo de carbono en el grupo COOH está conectado a un segundo oxígeno (Z = 8) mientras que en el CH2El carbono del grupo OH está conectado a un átomo de hidrógenoZ = 1). La prioridad más baja (es decir, el número 4) se da al átomo de hidrógeno y como este átomo señala fuera del espectador, la disminución en sentido contrario de la prioridad sobre los tres sustitutos restantes completa la asignación como S.
	El estereocentro en (S)-carvona está conectado a un átomo de hidrógeno (no se muestra, prioridad 4) y tres átomos de carbono. El grupo isopropenyl tiene prioridad 1 (sólo átomos de carbono), y para los dos átomos de carbono restantes, se decide prioridad con los átomos de carbono dos bonos eliminados del estereocentro, una parte del grupo de keto (O, O, C, prioridad número 2) y una parte de un alkene (C, C, H, prioridad número 3). El resultado de la rotación en sentido contrario resulta en S.

Describir varios centros

Si un compuesto tiene más de un estereocentro quiral, cada centro se denota con R o S. Por ejemplo, la efedrina existe en los estereoisómeros (1R,2S) y (1S,2R)., que son distintas formas especulares entre sí, lo que los convierte en enantiómeros. Este compuesto también existe como los dos enantiómeros escritos (1R,2R) y (1S,2S), que se denominan pseudoefedrina en lugar de efedrina. Los cuatro de estos isómeros se denominan 2-metilamino-1-fenil-1-propanol en la nomenclatura sistemática. Sin embargo, la efedrina y la pseudoefedrina son diastereoisómeros o estereoisómeros que no son enantiómeros porque no están relacionados como copias especulares. La pseudoefedrina y la efedrina reciben nombres diferentes porque, como diastereoisómeros, tienen propiedades químicas diferentes, incluso para mezclas racémicas de cada una.

Más generalmente, para cualquier par de enantiómeros, todos los descriptores son opuestos: (R,R) y (S,S) son enantiómeros, al igual que (R,S) y (S,R). Los diastereómeros tienen al menos un descriptor en común; por ejemplo (R,S) y (R,R) son diastereómeros, al igual que ( S,R) y (S,S). Esto es válido también para los compuestos que tienen más de dos estereocentros: si dos estereoisómeros tienen al menos un descriptor en común, son diastereómeros. Si todos los descriptores son opuestos, son enantiómeros.

Un compuesto meso es una molécula aquiral, a pesar de tener dos o más centros estereogénicos. Un compuesto meso es "superponible" en su imagen especular, por lo tanto, reduce el número de estereoisómeros predicho por la regla 2ⁿ. Esto ocurre porque la molécula obtiene un plano de simetría que hace que la molécula gire alrededor del enlace carbono-carbono central. Un ejemplo es el ácido meso-tartárico, en el que (R,S) es lo mismo que (S,R) formulario. En los compuestos meso, los estereocentros R y S aparecen en pares posicionados simétricamente.

Configuración relativa

La configuración relativa de dos estereoisómeros puede indicarse mediante los descriptores R y S con un asterisco (*). (R*,R*) significa dos centros que tienen configuraciones idénticas, (R,R) o (S,S); (R*,S*) significa dos centros que tienen configuraciones opuestas, (R,S) o (S,R). Para empezar, el centro estereogénico con el número más bajo (según la numeración sistemática de la IUPAC) recibe el descriptor R*.

Para designar dos anómeros se utilizan los estereodescriptores relativos alfa (α) y beta (β). En el anómero α, el átomo de carbono anomérico y el átomo de referencia tienen configuraciones opuestas (R,S) o (S,R), mientras que en el anómero β son iguales (R,R) o (S,S).

Caras

Acetophenona y α-fenyletanol. El átomo H tiene la prioridad más baja 4.

La estereoquímica también desempeña un papel en la asignación de caras a moléculas trigonales como las cetonas. Un nucleófilo en una adición nucleófila puede acercarse al grupo carbonilo desde dos lados o caras opuestas. Cuando un nucleófilo aquiral ataca a la acetona, ambas caras son idénticas y solo hay un producto de reacción. Cuando el nucleófilo ataca a la butanona, las caras no son idénticas (enantiotópicas) y resulta un producto racémico. Cuando el nucleófilo es una molécula quiral, se forman diastereoisómeros. Cuando una cara de una molécula está protegida por sustituyentes o restricciones geométricas en comparación con la otra cara, las caras se denominan diastereotópicas. Las mismas reglas que determinan la estereoquímica de un estereocentro (R o S) también se aplican al asignar la cara de un grupo molecular. Las caras se denominan Re-cara y Si-cara. En el ejemplo que se muestra a la derecha, el compuesto de acetofenona se ve desde la cara Re. La adición de hidruro como en un proceso de reducción desde este lado formará el enantiómero (S) y el ataque desde la cara Si opuesta dará el (R)-enantiómero. Sin embargo, se debe tener en cuenta que agregar un grupo químico al centro proquiral de la cara Re no siempre conducirá a un estereocentro (S), ya que la prioridad de la Hay que tener en cuenta el grupo químico. Es decir, la estereoquímica absoluta del producto se determina por sí sola y no considerando desde qué cara fue atacado. En el ejemplo mencionado anteriormente, si se agregara cloruro (Z = 17) al centro proquiral desde la cara Re, esto daría como resultado un (R )-enantiómero.