Select Page

Номенклатура Кана-Ингольда-Прелога

Для называния энантиомеров и диастереомеров используется очень удобная номенклатура, предложенная тремя крупнейшими учеными середины прошлого века, последний из которых получил Нобелевскую премию, а два первых ее не получили. Смысл номенклатуры очень прост – она устанавливает единые, непротиворечивые и очень простые правила старшинства групп, которые гарантированно и однозначно устанавливают старшинство групп, как бы сложны они ни были. Дальше это старшинство используется при обозначении энантиомеров и диастереомеров.

Основа правила проста и универсальна:

  1. Главный ключ к старшинству – атомный номер элемента.
  2. Если группы различаются только изотопным составом, то в ход идет масса изотопа старшего элемента, чем тяжелее, тем лучше, поэтому дейтерий старше обычного водорода, а группа 13CH3 старше чем 12CD3. Последний пример не совсем удачный, а почему разберитесь сами.
  3. Если группы различаются только как диастереомеры, то (E) старше (Z)
  4. Если группы различаются только как энантиомеры, то (R) старше (S)

В подавляющем большинстве случаев достаточно первого ключа. Посмотрим, как это работает сначала на диастереомерах за счет положения заместителей относительно двойной связи C=C. В простых случаях заместителей только два, по одному на каждом углероде, и это традиционно обозначается приставками цис- и транс-. Но если заместителей три или четыре, это не работает, потому что нам нужно еще установить, какой из заместителей с каждой стороны старше.

E/Z обозначения диастереомерных алкенов
Для наличия диастереомеров при двойной связи должно быть не менее двух заместителей, причем на каждом из углеродов двойной связи заместители должны быть разными. Правила позволяют нам установить старшего заместителя с каждой из сторон, и если старшие заместители оказываются по разные стороны от двойной связи – это E-изомер (E от немецкого слова entgegen, то есть напротив), а если по одну, то это Z-изомер.

В самом простом случае заместители представляют собой либо просто атомы, либо очень простые группы. Старшинство устанавливается просто, как в примере. Получаем (E)-1-фтор-2-хлорпроп-1-ен

Более сложные заместители требуют разбора по слоям. Слой – это все атомы, связанные со всеми атомами предыдущего слоя, выписанные строкой по убыванию атомного номера. Такую нехитрую операцию нужно проделать отдельно для каждого из углеродов двойной связи для удобства корявенько расписав структуру по атомам, как в детском саду, не стесняйтесь. И если в первом слое различий нет, то они проявляются во втором слое, как в данном примере. Это (E)-2,4-диметил-3-этилгекс-3-ен.

Сложности возникают, если в заместителях есть двойные или тройные связи. Если этого не учитывать, то получаются неоднозначные порядки старшинства. Чтобы этого избежать кратные связи учитывают по отдельным связям (черточкам), и, например, если во втором слое кетонный кислород, он учитывается как два кислорода. Получаем (Z)-3-(1-гидроксиэтил)-4-трифторметил-5,5-дифтор-5-хлорпент-3-ен-2-он.

Обычно старшинcтво находится в первом или втором слое. Но не исключены ситуации, когда приходится лезть и в более далекие слои. С каждым следующим слоем делать это нужно все внимательнее и аккуратнее, чтобы что-то не потерять, но принцип прост – просто выписывайте атомы слоя в порядке убывания, не обращая внимания на то, с каким конкретно атомом предыдущего слоя они связаны. Итого получаем (E)-1-циклобутил-1-циклопентилпроп-1-ен.

Вот еще пример с фенильной группой. Ее нужно разрисовывать точно так же, как все остальное, не забывая про формально двойные связи. Это еще одна причина не рисовать фенилы гайками. Рисуйте всегда формулы с чередующимися двойными и простыми связями (формулы Кекуле). В этом примере показан еще и третий слой просто как иллюстрация, хотя старшинство уже вполне определилось на втором слое. Итого получилось (E)-N,N-диметил-2-фенил-2-циклогексилэтениламин.

 

R/S обозначения энантиомеров со стереогенным центром

Атом углерода с четырьмя разными группами – самая известная причина хиральности. Энантиомеры с такими центрами легко называются с помощью тех же правил старшинства. Задача сложнее только тем, что выстраивать по старшинству нужно не пары групп, а сразу все четыре. Кроме того необходимо использовать стереохимические проекции, чтобы изображать пространственные структуры.

Для обозначения расположения заместителей используются две буквы R и S. Этими буквами обозначается каждый стереогенный центр в молекуле. Конкретное расположение заместителей на таком центре называется абсолютной конфигурацией. Буквами R или S называется именно абсолютная конфигурация. Почему такое громкое название у, казалось бы, довольно простой вещи? Потому что это очень даже непростая вещь. Понятие об энантиомерии возникло еще в XIX веке, когда стало понятно, что она связана с расположением четырех разных групп на одном углероде, но в это время не было никакой возможности установить, как точно расположены заместители в конкретных хиральных молекулах, не существовало методов определения молекулярной структуры. Поэтому расположение рисовали произвольно, и договаривались делать это некоторым стандартным образом по крайней мере для очень важных молекул типа аминокислот и углеводов. И разными способами удавалось установить, что конфигурация стереогенных центров в целых семействах похожих молекул одинаковая. Оцените изящество решения – какая точно не известно, но одинаковая. Оттуда пошли обозначения для стереоизомеров в семействах похожих молекул как D/L, эритро/трео (и еще много других). Такая конфигурация по совершенно очевидной причине называлась относительной – то есть неизвестно какой, но одинаковой по отношению к некоторой стандартной молекуле, относительно этой молекулы. И в XIX и начале XX века, когда вот такая относительная стереохимия уже достигла невероятных успехов, потому что были установлены относительные конфигурации подавляющего большинства важных природных энантиомеров и диастереомеров, никто не был уверен, что когда-либо вообще станет возможным установить реальную конфигурацию. Но такие методы появились, прежде всего рентгеноструктурный анализ. Так как к этому моменту были установлены относительные конфигурации для огромного количества оптически активных соединений, то достаточно было определить правильную, настоящую конфигурацию только нескольких молекул, как все остальное тоже стало известно – относительное стало абсолютным.

Итак, буквами R или S обозначают абсолютную, то есть точно известную, конфигурацию стереогенных центров (и не только центров, но об этом пока не будем). Проще всего делать эту работу на проекциях Фишера. От проекций Фишера очень легко перейти к более современным естественным проекциям, поэтому переучиваться не придется.

Итак, берем интересующий нас энантиомер, рисуем его проекцией Фишера. Далее определяем старшинство всех четырех групп “на кресте” и находим самую младшую из четырех. Может случится так, что самая младшая группа находится на вертикальной палке сверху или снизу. Тогда нам осталось сделать одно единственное – стрелкой показать направление убывания старшинства. Если направление по часовой стрелке, то такой центр обозначается как (R) (от латинского слова rectus – прямой, правильный или правый). Если против – то (S) (от sinister – неправильный, зловещий или левый). Если не помните, куда крутится часовая стрелка, то можно запомнит направление довольно просто – именно в таких направлениях рисуют буквы R и S. Как и в случае E/Z эти обозначения ставятся перед названием в скобках. Попробуем:

А что делать, если младшенькая группа сидит на горизонтальной палке (слева или справа, все равно). Ничего особенного делать не придется. Точно так же нужно определить старшинство всех остальных заместителей и нарисовать стрелку по убыванию старшинства. Только буквы R и S в этом случае будут противоположны – если направление стрелки соответстует R, то конфигурацию будет S, и наоборот. Картинку для примера нарисуем как-нибудь потом. 

А что лучше - проекции Фишера или естественные проекции?

Проекции Фишера – пережиток проклятого прошлого. Не 90-х, как некоторые могут подумать, а тех времен, когда были неизвестны абсолютные конфигурации хиральных молекул, а приходилось довольствоваться относительными конфигурациями. Если подумать и внимательно посмотреть на проекцию Фишера, то можно понять, что на ней явно не обозначены реальные положения групп в пространстве, а только их относительное расположение. Сейчас мы привыкли к конвенции, что вертикальная палка проекции Фишера обозначает связи назад (зебры), а горизонтальная – связи вперед (клинья). С этой оговоркой проекция Фишера дает абсолютную конфигурацию. Но эта конвенция условна, и легко может быть изменена на противоположную – зебра по горизонтали, клинья по вертикали. Тогда конфигурация станет относительной – зависимой от этой конвенции, и от того, насколько хорошо мы ее помним. В самой проекции Фишера ничто не выдает обязательности такого толкования. Более того, сам Эмиль Фишер совершенно этим и не заморачивался, а само толкование возникло намного позже, только через полвека, в 1948 году, в статье некоего Хадсона. Этот человек рисковал, потому что ему еще не было известно, верно это или нет. Можно сказать, что Хадсон играл в архетипическую блондинку из дурацкого анекдота про вероятность встретить динозавра на улице Горького. Буквально через два года предсказание сбылось, и динозавр был успешно встречен. 

Да строго говоря, Фишер и не мог этого сделать, потому что ничего про это не знал и не имел совершенно никаких возможностей узнать. Во времена Фишера, то есть как раз в те самые девяностые, только 19 века, никому и в голову не могло прийти, что когда-нибудь станет возможным экспериментально определять положения атомов в пространстве. В принципе, это ведь никому особенно и не нужно, если речь идет о химии. В химии молекулы всегда определяют себя во взаимодействии с другими молекулами, и важно не то, каковы координаты атомов в пространстве относительно какого-то абстрактного центра абстрактной системы координат, а то, каковы расположения атомов относительно атомов другой молекулы, задумавшей вступить с этой в реакцию, образовать комплекс, еще как-нибудь провзаимодействовать. Поэтому химия вполне может обходится относительными конфигурациями молекул, конфигурациями относительно друг друга – это вполне позволяет понять, какие атомы сближаются, а какие отдаляются при том или ином взаимном расположении. Строго говоря, химия до сих пор могла бы обходиться относительными конфигурациями, и ничего особенного не потеряла бы, если бы способа реально определять абсолютные конфигурации так и не появилось бы до сих пор. Отчасти поэтому имя ученого, голландского кристаллографа Иоханна Мартина Бейфута (или Бейвута, голландская фамилия Bijvoet может читаться и так, и так), впервые решившего эту задачу вроде бы совершенно фундаментальной важности, не только не числится среди нобелевских лауреатов, но и вообще мало кому известно в химии. Бейфут в 1951 году определил абсолютную конфигурацию того самого энантиомера винной кислоты, на которой сам Фишер и строил свою систему относительных конфигураций, и с этого момента относительная система стала абсолютной. Только тогда и понадобилась, и была разработана R/S-номенклатура, и все стали понемногу привыкать рисовать естественные стереохимические проекции. Стало ясно, что такие проекции намного удобнее, не требуют запоминания всяких условностей, их можно крутить-вертеть, собирать по ним модели, и воочию видеь образ молекулы.  

Поэтому в современной химии, где все конфигурации всегда абсолютные, необходимости в формулах Фишера нет, и вы практически никогда не увидите их в современной литературе. Но изучить их все же стоит и потому, что они весьма удобны, и потому что старую литературу читать приходится постоянно, а без них в ней разобраться будет почти невозможно.