3.5.4. Reguły pierwszeństwa wg Cahna, Ingolda i Preloga

1. W celu przypisania centrum chiralnemu odpowiedniej konfiguracji, np. literek R lub S, należy podstawniki uszeregować wg ważności (starszeństwa), tj wg wartości liczby atomowej atomu związanego z chiralnym (stereogenicznym) atomem węgla od 1 (dla atomu o najwyższej) do 4 (dla atomu o najniższej). Jeżeli atomy są izotopami tego samego pierwiastka o kolejności decyduje liczba masowa; czasami chiralny atom oznaczany jest gwiazdką – *.

2. Jeżeli atomy związane z centrum chiralnym są takie same o ważności podstawników decydują atomy z drugiego szeregu, ewentualnie trzeciego lub dalszych – dla różnych podstawników starszeństwo musi istnieć.

Powyższym pochodnym pentanu łatwo przypisać starszeństwo atomom wodoru i chloru, odpowiednio 1 i 4. Natomiast pozycje pozostałych podstawników (etylu i izopropylu) zależą od tego, ile jest i jakie są atomy w drugim rzędzie. W 3-chloro-2-metylopentanie izopropyl ma 2 atomy C i dlatego otrzymuje drugą pozycję (2) przed etylem (3), który w drugim szeregu ma tylko jeden atom węgla. Natomiast w przypadku drugiego związku kolejność na drugiej i trzeciej pozycji ulega odwróceniu ponieważ w grupie etylowej w drugim rzędzie atomów w odniesieniu do centrum chiralnego znajduje się chlor. Jeden atom o większej liczbie atomowej jest ważniejszy od pozostałych podstawników.

3. W związkach zawierających wiązania wielokrotne oba atomy powiązane w ten sposób liczy się odpowiednio podwójnie lub potrójnie. Po ustaleniu pierwszeństwa podstawników ustawia się cząsteczkę w ten sposób, żeby najmłodszy podstawnik (4) znalazł się najdalej od obserwatora. Bardzo często tym podstawnikiem jest atom wodoru. Następnie łukiem zakreślamy strzałkę od podstawnika najstarszego 1 do trzeciego 3; podstawnik 4 jest ignorowany. Jeżeli strzałka będzie wskazywać kierunek zgodny z kierunkiem ruchu wskazówek zegara to ten enancjomer jest określany jako (R) – rectus, a jeżeli przeciwnie do ruchu wskazówek zegara to jako enancjomer (S) – sinister.

Konfiguracja określona za pomocą symboli (R) i (S) nazywana jest konfiguracja absolutną, ponieważ odpowiada ona rzeczywistej konfiguracji związków organicznych. Znana jest również konfiguracja względna, gdyż została ona wyznaczona względem jakiegoś związku przyjętego za wzorzec – aldehyd glicerynowy.

Przykład: określić konfigurację absolutną obu enancjomerów 2-bromobutanu.

Powyższy sposób przedstawienia przestrzennej budowy związków organicznych nazywa się projekcją Newmana. Wzór jest tak zapisywany, jakby obserwator patrzył na cząsteczkę wzdłuż wiązania atomu C z najmłodszym podstawnikiem, oznaczonym cyfrą 4.

3.5.5 Projekcja Fischera – konfiguracja względna

W projekcji Fischera cząsteczkę ustawia się tak, żeby najdłuższy łańcuch węglowy znalazł się w jednej płaszczyźnie. Następnie robi się jego pionowy (od góry kartki papieru w dół) rzut na papier (tablicę czy ekran). W każdym centrum chiralnym wiązania pionowe oznaczają wiązania znajdujące się pod płaszczyzną kartki, a wiązania boczne nad płaszczyzną.

2-bromobutan w projekcji Fischera

Pojedyncza (lub nieparzysta) zamiana podstawników w projekcji Fischera, np. atomu Br z atomem H powoduje zmianę konfiguracji z (R) na (S) lub z (S) na (R). Parzysta zamiana podstawników w projekcji Fischera, np. atomu Br z atomem H i następnie Br z CH₃ przywraca pierwotną konfigurację.

W celu przypisania konfiguracji absolutnej należy przejść z projekcji Fischera do Newmana. W projekcji Newmana najmłodszy podstawnik (w tym przypadku H) powinien znajdować się za atomem C, czyli pod płaszczyzną kartki. Pojedyncza zamiana podstawników powoduje zmianę konfiguracji, parzysta zachowuje wyjściową konfigurację.

(S)-2-bromobutan

określoną niezgodnie z zasadami konfigurację (S), należy odwrócić – otrzymuje się wówczas prawidłową konfigurację (R)

Taki sposób określania konfiguracji absolutnej na podstawie projekcji Fischera jest dość czasochłonny, wymaga bowiem dwukrotnej zamiany podstawników, jeżeli najmłodszy podstawnik znajduje się nad płaszczyzną kartki. Prościej jest oznaczyć konfiguracje bez zamian podstawników i tylko zamienić otrzymany wynik na przeciwny, tzn. (R) na (S) lub (S) na (R):

Projekcję Fischera wprowadzono wcześniej niż Newmana i była przeznaczona głównie dla związków zawierających kilka grup funkcyjnych; dlatego obowiązywała w niej jeszcze jedna reguła: rzut cząsteczki na płaszczyznę należy tak wykonać, żeby najbardziej utleniony atom węgla znajdował się u góry. Dla oznaczenia konfiguracji absolutnej nie ma znaczenia, gdzie znajduje się grupa karboksylowa, byleby wszystkie podstawniki miały określone usytuowanie przestrzenne. Wymóg zapisania najbardziej utlenionej grupy u góry wzoru potrzebny jest do przypisania konfiguracji względnej D lub L.

Konfiguracja względna określana literami D lub L oznacza położenie grupy funkcyjnej (w kwasie mlekowym -OH) po prawej (D) lub po lewej (L) stronie chiralnego atomu węgla, we wzorze prawidłowo zapisanym wg reguł projekcji Fischera.

3.5.6 Konfiguracja cząsteczek zawierających dwa centra chiralne

Określanie konfiguracji cząsteczek zawierających dwa lub więcej chiralnych atomów węgla polega na przypisaniu konfiguracji kolejno poszczególnym centrom chiralnym.

Zadanie: Oznaczyć konfigurację względną 2,3-dibromopentanu – CH₃CHBrCHBrCH₂CH₃.

Pierwszą czynnością jest zapisanie wzoru przestrzennie, np. za pomocą projekcji Fischera. Zgodnie z regułami otrzymujemy wzory czterech stereoizomerów:

W 2,3-dibromopentanie są dwa centra chiralne: atomy C2 i C3. We wszystkich wzorach najmłodsze podstawniki – atomy H są zapisane poziomo, czyli znajdują się nad płaszczyzną kartki, dlatego stosując uproszczoną procedurę należy po oznaczeniu konfiguracji kolejno dla C2 i C3 przyjąć konfigurację odwrotną jako rzeczywistą.

(2R,3R)-2,3-dibromopentan (2S,3S)-2,3-dibromopentan

(2R,3S)-2,3-dibromopentan (2S,3R)-2,3-dibromopentan

Stereoizomery a i b czyli (2R,3R)-2,3-dibromopentan i (2S,3S)-2,3-dibromopentan są enancjomerami (odbicia lustrzane).

Stereoizomery nie będącymi odbiciami lustrzanymi - diastereoizomery; są to parami „a i c”, „a i d”, „b i c” oraz „b i d”.

Zdarza się, że cząsteczki posiadające po dwa lub więcej elementów chiralnych tracą chiralność z uwagi na symetrię. W 2,3-dibromobutanie c i d płaszczyzna symetrii przechodzącą pomiędzy C2 i C3 powoduje, że cząsteczka jest achiralna, a w związku z tym staje się optycznie nieczynna. Jej odbicie lustrzane da się na siebie nałożyć. Stereoizomery zawierające centra chiralne oraz płaszczyznę symetrii nazywane mezo, inaczej są to achiralne związki zawierające centra chiralne.

(2R,3S)-2,3-dibromobutan (2S,3R)-2,3-dibromobutan Jest to jeden i ten sam związek mezo-dibromobutan.

3.5.8 Stereochemia związków cyklicznych

Stereoizomerię związków cyklicznych warto początkowo rozpatrywać na przykładzie cyklopentanu, którego pierścień uważa się za płaski. Do stereoizomerycznego rozróżnienia pochodnych cyklopentanu dochodzi wówczas, kiedy co najmniej dwa podstawniki związane są z jego pierścieniem, np. 1,2-dimetylocypentan występuje w formie dwóch enancjomerów (R,R) i (S,S) (które są zarazem izomerami trans) oraz w formie mezo (cis).

Atomy węgla C1 i C2 są chiralne. Dla streoizomeru a konfigurację można oznaczyć w następujący sposób:

Izomer b ma konfigurację (S,S), a c jest związkiem mezo (R,S) i (S,R), ponieważ ma płaszczyznę symetrii.