Règles de priorité Cahn–Ingold–Prelog - Cahn–Ingold–Prelog priority rules

Un exemple de hiérarchisation de la structure au sein du système CIP. La priorité est attribuée en fonction de la substitution d'éléments avec des numéros atomiques plus élevés, ou d'autres groupes attachés. En rouge se trouve le substituant qui détermine la priorité finale (image ci-dessus).

Les règles de séquence Cahn-Ingold-Prelog ( CIP ) , nommées en l'honneur des chimistes organiques Robert Sidney Cahn , Christopher Kelk Ingold et Vladimir Prelog , également appelées règles , système ou conventions de priorité CIP , sont un processus standard utilisé en chimie organique pour et nommer sans équivoque un stéréoisomère d'une molécule. Le but du système CIP est d'attribuer un descripteur R ou S à chaque stéréocentre et un descripteur E ou Z à chaque double liaison afin que la configuration de la molécule entière puisse être spécifiée de manière unique en incluant les descripteurs dans son nom systématique. Une molécule peut contenir n'importe quel nombre de stéréocentres et n'importe quel nombre de doubles liaisons , et chacun donne généralement lieu à deux isomères possibles. Une molécule avec un entier n décrivant le nombre de ses centres stéréogènes aura généralement 2 n stéréoisomères et 2 n -1 diastéréomères ayant chacun une paire d'énantiomères associée. Les règles de séquence CIP contribuent à la dénomination précise de chaque stéréoisomère de chaque molécule organique et organométallique avec tous les atomes de ligance inférieure à 4 (mais incluant également la ligature de 6, ce terme faisant référence au "nombre d'atomes voisins" liés à un centre).

L'article clé énonçant les règles de séquence CIP a été publié en 1966, et a été suivi d'autres améliorations, avant d'être incorporé dans les règles de l' Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC), l'organisme officiel qui définit la nomenclature organique , en 1974. Les règles ont depuis été révisées, la plus récente en 2013, dans le cadre du livre IUPAC Nomenclature of Organic Chemistry . La présentation IUPAC des règles constitue la norme officielle et formelle pour leur utilisation, et il note que "la méthode a été développée pour couvrir tous les composés avec une ligance jusqu'à 4... et... [étendu au cas de] ligance 6... [ainsi que] pour toutes les configurations et conformations de ces composés." Néanmoins, bien que la documentation de l'IUPAC présente une introduction complète, elle inclut la mise en garde qu'"il est essentiel d'étudier les articles originaux, en particulier l'article de 1966, avant d'utiliser la règle de séquence pour des cas autres que des cas assez simples".

Un article récent plaide en faveur de modifications de certaines règles (règles de séquence 1b et 2) pour traiter certaines molécules pour lesquelles les descripteurs corrects n'étaient pas clairs. Cependant, un problème différent demeure : dans de rares cas, deux stéréoisomères différents de la même molécule peuvent avoir les mêmes descripteurs CIP, de sorte que le système CIP peut ne pas être en mesure de nommer sans ambiguïté un stéréoisomère, et d'autres systèmes peuvent être préférables.

Étapes pour nommer

Les étapes pour nommer les molécules à l'aide du système CIP sont souvent présentées comme suit :

  1. Identification des stéréocentres et des doubles liaisons ;
  2. Attribution de priorités aux groupes attachés à chaque stéréocentre ou atome à double liaison ; et
  3. Attribution des descripteurs R / S et E / Z .

Attribution des priorités

Les descripteurs R / S et E / Z sont attribués en utilisant un système de classement par priorité des groupes rattachés à chaque stéréocentre. Cette procédure, souvent connue sous le nom de règles de séquence , est au cœur du système CIP. L'aperçu de cette section omet certaines règles qui ne sont nécessaires que dans de rares cas.

  1. Comparez le numéro atomique ( Z ) des atomes directement attachés au stéréocentre; le groupe ayant l'atome de numéro atomique supérieur reçoit une priorité plus élevée.
  2. S'il y a égalité, il faut considérer les atomes à distance 2 du stéréocentre — car une liste est faite pour chaque groupe d'atomes liés à celui directement attaché au stéréocentre. Chaque liste est classée par ordre de numéro atomique décroissant. Ensuite, les listes sont comparées atome par atome ; à la différence la plus précoce, le groupe contenant l'atome de numéro atomique supérieur reçoit une priorité plus élevée.
  3. S'il y a encore égalité, chaque atome de chacune des deux listes est remplacé par une sous-liste des autres atomes qui lui sont liés (à distance 3 du stéréocentre), les sous-listes sont classées par ordre décroissant de numéro atomique, et l'ensemble la structure est à nouveau comparée atome par atome. Ce processus est répété de manière récursive, chaque fois avec des atomes une liaison plus éloignée du stéréocentre, jusqu'à ce que la liaison soit rompue.

Isotopes

Si deux groupes ne diffèrent que par les isotopes , la masse atomique la plus élevée est utilisée pour définir la priorité.

Doubles et triples liaisons

Cet exemple présente la "règle de division et de duplication" pour les doubles liaisons. Le groupe vinyle (C=C) ou la partie alcène a une priorité plus élevée sur la partie alcane (C-C).

Si un atome A est doublement lié à un atome B, A est traité comme étant simplement lié à deux atomes : B et un « atome fantôme » qui est un doublon de B (a le même numéro atomique) mais qui n'est attaché à rien sauf A. Lorsque B est remplacé par une liste d'atomes attachés, A lui-même, mais pas son "fantôme", est exclu conformément au principe général de ne pas redoubler le long d'une liaison qui vient d'être suivie. Une triple liaison est traitée de la même manière sauf que A et B sont chacun connectés à deux atomes fantômes l'un de l'autre.

Isomères géométriques

Si deux substituants sur un atome sont des isomères géométriques l'un de l'autre, l' isomère Z a une priorité plus élevée que l' isomère E.

Molécules cycliques

Pour manipuler une molécule contenant un ou plusieurs cycles , il faut d'abord l'étendre en un arbre (appelé digraphe hiérarchique ) en parcourant les liaisons dans tous les chemins possibles en partant du stéréocentre. Lorsque le parcours rencontre un atome par lequel le chemin actuel est déjà passé, un atome fantôme est généré afin de maintenir l'arbre fini. Un seul atome de la molécule d'origine peut apparaître à de nombreux endroits (certains sous forme de fantômes, d'autres non) dans l'arbre.

Attribution de descripteurs

Stéréocentres : R / S

Deux exemples de stéréocentres. Le substituant le plus bas (numéro 4) est représenté uniquement par une ligne ondulée et est supposé être derrière le reste de la molécule. Les deux centres indiqués sont des isomères S.

Une fois que les substituants d'un stéréocentre ont reçu leurs priorités, la molécule est orientée dans l'espace de sorte que le groupe ayant la priorité la plus faible soit pointé loin de l'observateur. Si les substituants sont numérotés de 1 (priorité la plus élevée) à 4 (priorité la plus faible), alors le sens de rotation d'une courbe passant par 1, 2 et 3 distingue les stéréoisomères . Un centre avec un sens de rotation dans le sens des aiguilles d'une montre est un centre R ( droit ) et un centre avec un sens de rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre est un centre S ( sinistre ). Les noms sont dérivés du latin pour « droite » et « gauche », respectivement.

Un exemple de descripteur ( s ) : (1 R ,2 s ,3 S )-1,2,3-trichlorocyclopentane

Une méthode pratique pour déterminer si un énantiomère est R ou S consiste à utiliser la règle de la main droite : on enveloppe la molécule avec les doigts dans le sens 1 → 2 → 3 . Si le pouce pointe en direction du quatrième substituant, l'énantiomère est R ; sinon, c'est S .

Il est possible dans de rares cas que deux substituants sur un atome ne diffèrent que par leur configuration absolue ( R ou S ). Si les priorités relatives de ces substituants doivent être établies, R est prioritaire sur S . Lorsque cela se produit, le descripteur du stéréocentre est une lettre minuscule ( r ou s ) au lieu de la lettre majuscule normalement utilisée.

Doubles liaisons : E / Z

Pour les alcènes et les molécules à double liaison similaires, le même processus de hiérarchisation est suivi pour les substituants. Dans ce cas, c'est le placement des deux substituants les plus prioritaires par rapport à la double liaison qui importe. Si les deux substituants de haute priorité sont du même côté de la double liaison, c'est-à-dire dans la configuration cis , alors le stéréoisomère se voit attribuer un Z ( zusammen ). Si au contraire ils sont dans une configuration trans , alors le stéréoisomère se voit attribuer un E ( entgegen ). Dans ce cas, les lettres d'identification sont dérivées de l' allemand pour « ensemble » et « opposée », respectivement.

Exemples

Voici des exemples d'application de la nomenclature.

Affectations R / S pour plusieurs composés
R-bromochlorofluoroiodométhane-2D.png
La molécule hypothétique bromochlorofluoroiodométhane représentée dans sa configuration ( R ) serait un composé chiral très simple. Les priorités sont attribuées en fonction du numéro atomique ( Z ) : iode ( Z = 53) > brome ( Z = 35) > chlore ( Z = 17) > fluor ( Z = 9). Permettant au fluor (priorité la plus basse) de pointer loin du spectateur, la rotation est dans le sens des aiguilles d'une montre d'où l' affectation R.
L-sérine-squelettique.png
Dans l'affectation de L -sérine plus haute priorité est donnée à l' azote atome ( Z = 7) dans le groupe amino (NH 2 ). Le groupe hydroxyméthyle (CH 2 OH) et le groupe acide carboxylique (COOH) ont tous deux des atomes de carbone ( Z = 6) mais la priorité est donnée à ce dernier car l'atome de carbone dans le groupe COOH est connecté à un deuxième oxygène ( Z = 8 ) alors que dans le groupe CH 2 OH, le carbone est relié à un atome d' hydrogène ( Z = 1). La plus basse priorité est donnée à l'atome d'hydrogène et que ce point atome loin du spectateur la diminution de la gauche en priorité sur les trois substituants complète l'affectation en tant que S .
(S)-Carvone.svg
Le stéréocentre de la ( S )-carvone est connecté à un atome d'hydrogène (non représenté, priorité 4) et à trois atomes de carbone. Le groupe isopropényle a la priorité 1 (atomes de carbone uniquement) et pour les deux atomes de carbone restants, la priorité est décidée avec les atomes de carbone deux liaisons supprimées du stéréocentre, une partie du groupe céto (O, O, C, priorité 2) et une partie d'un alcène (C, C, H, priorité 3). La rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre qui en résulte donne S .

Description de plusieurs centres

Si un composé a plus d'un stéréocentre chiral, chaque centre est désigné par R ou S . Par exemple, l' éphédrine existe dans les stéréoisomères (1 R ,2 S ) et (1 S ,2 R ), qui sont des formes d'image miroir distinctes l'une de l'autre, ce qui en fait des énantiomères . Ce composé existe également sous les deux énantiomères écrits (1 R ,2 R ) et (1 S ,2 S ), qui sont nommés pseudoéphédrine plutôt qu'éphédrine. Ces quatre isomères sont nommés 2-méthylamino-1-phényl-1-propanol dans la nomenclature systématique. Cependant, l'éphédrine et la pseudoéphédrine sont des diastéréoisomères ou des stéréoisomères qui ne sont pas des énantiomères car ils ne sont pas apparentés en tant que copies miroir. La pseudoéphédrine et l'éphédrine portent des noms différents car, en tant que diastéréoisomères, elles ont des propriétés chimiques différentes, même pour les mélanges racémiques de chacune.

Plus généralement, pour tout couple d'énantiomères, tous les descripteurs sont opposés : ( R , R ) et ( S , S ) sont des énantiomères, de même que ( R , S ) et ( S , R ). Les diastéréomères ont au moins un descripteur en commun ; par exemple ( R , S ) et ( R , R ) sont des diastéréomères, tout comme ( S , R ) et ( S , S ). Ceci est également vrai pour les composés ayant plus de deux stéréocentres : si deux stéréoisomères ont au moins un descripteur en commun, ce sont des diastéréoisomères. Si tous les descripteurs sont opposés, ce sont des énantiomères.

Lorsque l'attribution numérique des stéréocentres n'est pas unique en raison de la symétrie miroir de la molécule entière, le résultat est un composé méso tel que l'acide mésotartrique , dans lequel ( R , S ) est identique à la forme ( S , R ). Dans les composés méso, les stéréocentres R et S apparaissent en paires positionnées symétriquement.

Configuration relative

La configuration relative de deux stéréoisomères peut être désignée par les descripteurs R et S avec un astérisque (*). ( R *, R *) signifie deux centres ayant des configurations identiques, ( R , R ) ou ( S , S ) ; ( R *, S *) signifie deux centres ayant des configurations opposées, ( R , S ) ou ( S , R ). Pour commencer, le centre stéréogénique le plus petit (selon la numérotation systématique IUPAC) reçoit le descripteur R *.

Pour désigner deux anomères, les stéréodescripteurs relatifs alpha (α) et bêta (β) sont utilisés. Dans l'anomère , l' atome de carbone anomère et l' atome de référence ont des configurations opposées ( R , S ) ou ( S , R ), alors que dans l'anomère , ils sont identiques ( R , R ) ou ( S , S ).

Visages

La stéréochimie joue également un rôle dans l'attribution de faces à des molécules trigonales telles que les cétones . Un nucléophile dans une addition nucléophile peut approcher le groupe carbonyle à partir de deux côtés ou faces opposés. Lorsqu'un nucléophile achiral attaque l' acétone , les deux faces sont identiques et il n'y a qu'un seul produit de réaction. Lorsque le nucléophile attaque la butanone , les faces ne sont pas identiques ( énantiotopiques ) et il en résulte un produit racémique . Lorsque le nucléophile est une molécule chirale , des diastéréoisomères se forment. Lorsqu'une face d'une molécule est protégée par des substituants ou des contraintes géométriques par rapport à l'autre face, les faces sont dites diastéréotopiques . Les mêmes règles qui déterminent la stéréochimie d'un stéréocentre ( R ou S ) s'appliquent également lors de l'attribution de la face d'un groupe moléculaire. Les faces sont alors appelées Re- face et Si- face . Dans l'exemple affiché à droite, le composé acétophénone est vu depuis le Re- face. L'addition d'hydrure comme dans un processus de réduction de ce côté formera l' énantiomère ( S ) et l'attaque de la face Si opposée donnera l' énantiomère ( R ). Cependant, il convient de noter que l'ajout d'un groupe chimique au centre prochiral à partir de la Re- face ne conduira pas toujours à un ( S )-stéréocentre, car la priorité du groupe chimique doit être prise en compte. C'est-à-dire que la stéréochimie absolue du produit est déterminée par elle-même et non en considérant de quelle face il a été attaqué. Dans l'exemple mentionné ci-dessus, si du chlorure ( Z = 17) était ajouté au centre prochiral à partir de la face Re , cela donnerait lieu à un énantiomère ( R ).

Les références