Reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog

En química orgánica , las reglas de secuencia Cahn-Ingold-Prelog ( CIP ) (también la convención de prioridad CIP ; nombrada en honor a Robert Sidney Cahn , Christopher Kelk Ingold y Vladimir Prelog ) son un proceso estándar para nombrar de forma completa e inequívoca un estereoisómero de una molécula. ^{[ 1 ] [ 2 ] : 26} 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 de manera que la configuración de toda la molécula pueda especificarse de forma 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 generalmente da lugar a dos posibles isómeros. Una molécula con un entero n que describe el número de estereocentros generalmente tendrá 2 ⁿ estereoisómeros y 2 ^{n −1} diastereómeros, cada uno con un par de enantiómeros asociados . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Las reglas de secuencia CIP contribuyen a la denominación precisa de cada estereoisómero de cada molécula orgánica con todos los átomos de ligando de menos de 4 (pero incluyendo también el ligando de 6, término que se refiere al "número de átomos vecinos" unidos a un centro). ^{[ 2 ] : 26f [ 4 ]}

El artículo clave que establece las reglas de secuencia CIP se publicó en 1966, ^{[ 5 ]} y fue seguido por refinamientos adicionales, ^{[ 6 ]} antes de ser incorporado a las reglas de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), el organismo oficial que define la nomenclatura orgánica , en 1974. ^{[ 2 ] : 26 y ss.} Las reglas han sido revisadas desde entonces, la más reciente en 2013, ^{[ 7 ]} como parte del libro de la IUPAC Nomenclatura de Química Orgánica . La presentación de las reglas por parte de la IUPAC constituye el estándar oficial y formal para su uso, y señala que "el método se ha desarrollado para cubrir todos los compuestos con ligandos de hasta 4... y... [se ha extendido al caso de] ligandos de 6... [así como] para todas las configuraciones y conformaciones de dichos compuestos". ^{[ 2 ] : 26 y ss.} Sin embargo, aunque la documentación de la IUPAC presenta una introducción exhaustiva, incluye la advertencia de que "es esencial estudiar los artículos originales, especialmente el de 1966, antes de utilizar la regla de secuencia para casos que no sean bastante sencillos". ^{[ 2 ] : 26 y ss.}

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. ^{[ 8 ]} Sin embargo, persiste otro problema: en raras ocasiones, dos estereoisómeros diferentes de la misma molécula pueden tener los mismos descriptores CIP, por lo que el sistema CIP podría no ser capaz de nombrar un estereoisómero de manera inequívoca, y otros sistemas podrían ser preferibles. ^{[ 9 ] : 27}

Los pasos para nombrar moléculas utilizando el sistema CIP se presentan a menudo de la siguiente manera:

1. Identificación de estereocentros y enlaces dobles ;
2. Asignación de prioridades a los grupos unidos a cada estereocentro o átomo con doble enlace; y
3. Asignación de descriptores R / S y E / Z .

Asignación de prioridades

Los descriptores R / S y E / Z se asignan mediante un sistema de priorización de grupos asociados a cada estereocentro. Este procedimiento, conocido como reglas de secuencia , constituye la base del sistema CIP. En esta sección se omiten algunas reglas que solo son necesarias en casos excepcionales.

1. Compara el número atómico ( Z ) de los átomos directamente unidos al estereocentro; el grupo que tenga el átomo con mayor número atómico Z recibe mayor prioridad (es decir, el número 1).
2. En caso de empate, se deben considerar los átomos a distancia 2 del estereocentro: se elabora una lista para cada grupo de átomos unidos al átomo directamente unido al estereocentro. Cada lista se ordena según su número atómico Z decreciente. A continuación, se comparan las listas átomo por átomo; ante la primera diferencia, el grupo que contiene el átomo con mayor número atómico Z recibe mayor prioridad.
3. Si persiste el empate, cada átomo de cada una de las dos listas se reemplaza por una sublista de los demás átomos unidos a él (a una distancia de 3 del estereocentro). Las sublistas se ordenan en orden descendente según el número atómico Z, y la estructura completa se compara nuevamente átomo por átomo. Este proceso se repite recursivamente, cada vez con átomos a una distancia de enlace mayor del estereocentro, hasta que se resuelva el empate.

isótopos

Si dos grupos difieren solo en isótopos , entonces se utiliza la masa atómica mayor para establecer la prioridad. ^{[ 10 ]}

Enlaces dobles y triples

Si un átomo, A, está unido mediante un doble enlace a otro átomo, entonces el átomo A debe tratarse como si estuviera "conectado al mismo átomo dos veces". ^{[ 11 ]} Un átomo con doble enlace tiene mayor prioridad que un átomo con enlace simple. ^{[ 11 ]} Al trabajar con grupos de prioridad de doble enlace, se permite visitar el mismo átomo dos veces al crear un arco. ^{[ 12 ]}

Cuando B se reemplaza por una lista de átomos unidos, A mismo, pero no su "fantasma", se excluye de acuerdo con el principio general de no retroceder 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. ^{[ 2 ] : 28}

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". ^{[ 13 ]}

Moléculas cíclicas

Para manipular una molécula que contiene uno o más ciclos , primero se debe expandir en un árbol (llamado digrafo jerárquico ) recorriendo los enlaces por todas las rutas posibles a partir del estereocentro. Cuando el recorrido encuentra un átomo por el que ya ha pasado la ruta actual, se genera un átomo fantasma para mantener el árbol finito. Un solo átomo de la molécula original puede aparecer en muchos lugares (algunos como fantasmas, otros no) en el árbol. ^{[ 14 ] : 572}

Asignación de descriptores

Centros estereoscópicos: D / S

Un isómero quiral ^hibridado sp³ contiene cuatro sustituyentes diferentes. A los cuatro sustituyentes se les asigna una prioridad según su número atómico. Una vez asignadas las prioridades a los sustituyentes de un estereocentro , la molécula se orienta en el espacio de manera que el grupo con la menor prioridad apunte en dirección opuesta al observador. Si los sustituyentes se numeran del 1 (mayor prioridad) al 4 (menor prioridad), el sentido de rotación de una curva que pasa por 1, 2 y 3 permite distinguir los estereoisómeros . En un isómero configuracional , el grupo de menor prioridad (generalmente hidrógeno) se sitúa detrás del plano o del enlace rayado que se aleja del lector. Al grupo de mayor prioridad se le dibuja un arco que lo conecta con el resto de los grupos, finalizando en el grupo de tercera prioridad. Un arco dibujado en el sentido de las agujas del reloj se denomina recto ( R ). Un arco dibujado en sentido contrario a las agujas del reloj se denomina siniestro ( S ). Los nombres derivan del latín para «derecha» e «izquierda», respectivamente. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Al nombrar un isómero orgánico, la abreviatura de la asignación recta o siniestra se coloca delante del nombre entre paréntesis. Por ejemplo, el 3-metil-1-penteno con una asignación recta se formatea como ( R )-3-metil-1-penteno. ^{[ 12 ]}

Un método práctico para determinar si un enantiómero es R o S es mediante la regla de la mano derecha : se 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.

En raras ocasiones, dos sustituyentes en un átomo pueden diferir únicamente en su configuración absoluta ( R o S ). Si es necesario establecer la prioridad relativa de estos sustituyentes, R tiene prioridad sobre S. En tal caso, el descriptor del estereocentro se representa con una letra minúscula ( r o s ) en lugar de la mayúscula que se usa habitualmente. ^{[ 17 ]}

Enlaces dobles: 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 "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 "opuestos") ^{[ 18 ].}

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 tener esto en cuenta. Esta regla establece que "las interacciones no covalentes tienen un número ficticio entre 0 y 1" al asignar prioridad. ^{[ 19 ]} Los compuestos en los que esto ocurre se denominan compuestos de coordinación .

compuestos espiro

Algunos compuestos espiro, por ejemplo los ligandos SDP (( R )- y ( S )-7,7'-bis(difenilfosfaneil)-2,2',3,3'-tetrahidro-1,1'-espirobi[indeno]), representan moléculas quirales, C2 _- simétricas donde los anillos se encuentran aproximadamente en ángulo recto entre sí y cada molécula no puede superponerse sobre su imagen especular. ^{[ 12 ]} El carbono espiro, C, es un centro estereogénico, y la prioridad puede asignarse a>a′>b>b′, en el que un anillo (ambos dan la misma respuesta) contiene los átomos a y b adyacentes al carbono espiro, y el otro contiene a′ y b′. La configuración en C puede entonces asignarse como para cualquier otro estereocentro.

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 formas especulares distintas 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 isómeros se denominan 2-metilamino-1-fenil-1-propanol en la nomenclatura sistemática. Sin embargo, la efedrina y la pseudoefedrina son diastereómeros , o estereoisómeros que no son enantiómeros porque no están relacionados como copias especulares. La pseudoefedrina y la efedrina reciben nombres diferentes porque, como diastereómeros, tienen propiedades químicas diferentes, incluso para mezclas racémicas de cada una.

En términos más generales, 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 también se aplica a compuestos con 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 a su imagen especular, por lo que reduce el número de estereoisómeros predichos por la regla 2n ^. Esto ocurre porque la molécula adquiere un plano de simetría que provoca su rotación alrededor del enlace carbono-carbono central. ^{[ 12 ]} Un ejemplo es el ácido meso-tartárico , en el que ( R , S ) es igual que la forma ( S , R ). En los compuestos meso, los estereocentros R y S aparecen en pares posicionados simétricamente. ^{[ 21 ]}

La configuración relativa de dos estereoisómeros se puede indicar mediante los descriptores R y S con un asterisco (*). ( R *, R *) significa dos centros con configuraciones idénticas, ( R , R ) o ( S , S ); ( R *, S *) significa dos centros con configuraciones opuestas, ( R , S ) o ( S , R ). Para empezar, al centro estereogénico con el número más bajo (según la numeración sistemática de la IUPAC) se le asigna 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 ). ^{[ 22 ]}

La estereoquímica también juega un papel en la asignación de caras a moléculas trigonales como las cetonas . Un nucleófilo en una adición nucleofílica puede acercarse al grupo carbonilo desde dos lados o caras opuestas. Cuando un nucleófilo aquiral ataca la acetona , ambas caras son idénticas y hay un solo producto de reacción. Cuando el nucleófilo ataca la butanona , las caras no son idénticas ( enantiotópicas ) y se obtiene 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 entonces cara Re y cara Si . ^{[ 23 ] [ 24 ]} En el ejemplo que se muestra a la derecha, el compuesto acetofenona se observa desde la cara Re . La adición de hidruro, como en un proceso de reducción desde este lado, formará el enantiómero ( S ), mientras que el ataque desde la cara Si opuesta dará lugar al enantiómero ( R ). Sin embargo, la adición de un grupo químico al centro proquiral desde la cara Re no siempre dará como resultado un estereocentro ( S ), ya que debe tenerse en cuenta la prioridad del grupo químico. Es decir, la estereoquímica absoluta del producto se determina por sí misma y no por la cara desde la que fue atacado. En el ejemplo mencionado anteriormente, si se añadiera cloruro ( Z = 17) al centro proquiral desde la cara Re , se obtendría un enantiómero ( R ).

• Quiralidad (química)
• Descriptor (química)
• Notación E - Z
• Isómero
• Estereoquímica