Бутин К.П. Теоретическая стереохимия/ Органическая химия

Система Фишера в свое время позволила создать логичную и непротиворечивую стереохимическую систематику большого числа природных соединений, ведущих свое происхождение от аминокислот и сахаров. Относительная конфигурация энантиомеров в этой системе определялась путем химической корреляции, т.е. путем перехода от данной молекулы к D- или L-глицериновому альдегиду через последовательность химических реакций, не затрагивающих асимметрический атом углерода (подробнее см.раздел 8.5). Вместе с тем, если молекула, конфигурацию которой требовалось установить, по своей структуре очень сильно отличалась от глицеринового альдегида, скоррелировать ее конфигурацию с конфигурацией глицеринового альдегида химическим путем было бы очень обременительно. Кроме того, отнесение конфигурации к D - или L - ряду не всегда было однозначно. Например, D-глицериновый альдегид, в принципе, можно превратить в глицериновую кислоту, затем действием диазометана - в метиловый эфир, и далее селективным окислением первичной спиртовой функции и этерификацией диазоэтаном в метиловоэтиловый эфир гидроксималоновой кислоты (XXV). Все эти реакции не затрагивают хиральный центр и поэтому можно сказать, что диэфир XXV относится к D - ряду.

Если же первую этерификацию проводить диазоэтаном, а вторую диазометаном, то получится диэфир XXVI, который по той же причине также следует отнести к D-ряду. На самом же деле соединения XXV и XXVI представляют собой энантиомеры; т.е. одни относятся к D- а другие к L- ряду. Таким образом, отнесение зависит от того, какую из сложноэфирных групп, CO₂Et или CO₂Me, признать "главной".

Указанные ограничения фишеровской системы, а также тот факт, что в 1951 г. появился рентгеноструктурный метод определения истинного расположения групп вокруг хирального центра, привели к соэданию в 1966 году новой, более строгой и непротиворечивой системы описания стереоизомеров, известной под названием R,S-номенклатуры Кана-Ингольда-Прелога (КИП) или правил последовательного старшинства. Эта система в настоящее время практически вытеснила D,L- систему Фишера (последняя, однако, все еще употребляется для углеводов и аминокислот). В системе КИП к обычному химическому названию прибавляются специальные дескрипторы R- или S-, строго и однозначно определяющие абсолютную конфигурацию.

Возьмем соединение типа Xabcd, содержащее один асимметрический центр Х. Чтобы установить его конфигурацию, четыре заместителя у атома Х следует пронумеровать и расположить в ряд в порядке уменьшения старшинства (см. ниже), т.е. 1>2>3>4. Заместители рассматриваются наблюдателем со стороны наиболее удаленной от самого младшего заместителя (обозначенного номером 4). Если при этом направление убывания старшинства 1 2 3 совпадает с движением по часовой стрелке, то конфигурацию данного асимметрического центра обозначают символом R (от латинского rectus - правый) а если против часовой стрелки - символом S (sinister - левый).

Приведем несколько правил последовательного старшинства, достаточных для рассмотрения подавляющего большинства хиральных соединений.

1) Предпочтение по старшинству отдается атомам с более высокими атомными номерами. Если номера одинаковы (в случае изотопов), то более старшим считается атом с наибольшей атомной массой. Самый младший "заместитель" - неподеленная электронная пара. Таким образом, старшинство возрастает в ряду: неподеленная пара < H < D < T < Li < B < C < N < O < F < Si < P <S < Cl <Br < I. Например:

2) Если с асимметрическим атомом непосредственно связано два, три или все четыре одинаковых атома, порядок устанавливается по атомам второго пояса, которые связаны уже не с хиральным центром, а с теми атомами, которые имели одинаковое старшинство. Например, в молекуле XXVII по первому атому групп СН₂ОН и (СН₃)₂СН установить старшинство не удается, однако предпочтение отдается СН₂ОН, так как атомный номер кислорода больше, чем углерода. Группа СН₂ОН старше, несмотря на то, что в ней с атомом углерода связан лишь один атом кислорода, а в группе СН(СН₃)₂ - два атома углерода. Если и вторые атомы в группе одинаковы, порядок определяется по атомам третьего пояса и т.д.

Если и такая процедура не привела к построению однозначной иерархии, ее продолжают на все более возрастающих расстояниях от центрального атома, пока, наконец, не встретится различия и все четыре заместителя все-таки получат свое старшинство. При этом любое предпочтение, приобретаемое тем или иным заместителем на одной из стадий согласования старшинства считается окончательным и на последующих стадиях переоценке не подлежит. Если в молекуле встречаются точки разветвления, процедуру установления старшинства следует продолжать вдоль молекулярной цепи наибольшего старшинства. При установлении старшинства того или иного центрального атома решающее значение имеет число связанных с ним других атомов высшего старшинства. Например, CCl₃ > CHCl₂ > CH₂Cl.

3) Формально принимается, что валентность всех атомов, кроме водорода, равна 4. Если истинная валентность атома меньше (например, у кислорода, азота, серы), то считается, что у этого атома имеется 4-n (где n - настоящая валентность) так называемых фантом-заместителей, которым приписывается нулевой порядковый номер и отводится последнее место в перечне заместителей. В соответствии с этим группы с двойными и тройными связями представляются так, как если бы они были расщеплены на две или три простые связи. Например, при представлении двойной связи С=С каждый атом рассматривается как связанный с двумя атомами углерода, причем считается, что второй из этих атомов углерода имеет три фантом-заместителя. В качестве примера рассмотрим представления групп -СН=СН₂, -СНО, -СООН, -С СН и -С₆Н₅. Эти представления выглядят следующим образом.

Первые атомы во всех этих группах связаны соответственно с (Н,С,С), (Н,О,О), (О,О,О), (С,С,С) и (С,С,С). Этой информации достаточно, чтобы группу СООН поставить на первом месте (самая старшая), группу СНО на втором, а группу -СН=СН₂ - на последнем (пятом) месте, поскольку наличие хотя бы одного атома кислорода предподчтительнее наличия даже трех атомов углерода. Чтобы сделать вывод об относительном старшинстве групп С СН и -С₆Н₅ нужно пойти дальше по цепи. Группа С₆Н₅ имеет два атома углерода типа (С,С,С), связанные с (С,С,Н), а третий атом относится к типу (О,О,О). Группа ССН имеет только одну группировку (С,С,Н), но две группировки (О,О,О). Следовательно, С₆Н₅ старше, чем С СН, т.е. по порядку старшинства пять указанных групп займут ряд: СООН> СНО> С₆Н₅> С СН> СН=СН₂.

Старшинство наиболее часто встречающихся заместителей можно определить по табл. 8-2, в которой условный номер означает большее старшинство.

Таблица 8.2.

Старшинство некоторых групп по Кану-Ингольду-Прелогу

Группа	Условный номер	Группа	Условный номер
Аллил, - СНСН=СН2	10	Меркапто, - SH	69
Амино, - NH2	43	Метил, -CH3	2
Аммонио, - NH3+	44	Метиламино, - NHCH3	45
Ацетил, - COCH3	36	Метилсульфинил, - SOCH3	71
Ацетиламино, - NHCOCH3	48	Метилсульфинилокси, - OSOCH3	66
Ацетокси, - OCOCH3	64	Метилсульфонил, - SO2CH3	72
Бензил, - CH2C6H5	13	Метилсульфонилокси, - OSO2CH3	67
Бензилокси, - OCH2C6H5	60	Метилтио, - SCH3	70
Бензоил, - COC6H5	37	Метокси, - OCH3	58
Бензоиламино, - NHCOC6H5	49	Метилкарбонил, - COOCH3	30
Бензоилокси, - OCOC6H5	65	Неопентил, - CH2C(CH3)3	11
Бензоилоксикарбонил-амино, - NHCOOCH2C6H5	50	Нитро, - NO2	56
Бром, - Br	75	Нитрозо, - NO	55
втор-Бутил, -CH(CH3)CH3CH3	16	м-нитрофенил,	27
н-Бутил, - CH2CH2CH2CH3	5	о-нитрофенил,	33
трет-Бутил, - C(CH3)3	19	п-нитрофенил,	24
трет-Бутоксикарбонил, - COOC(CH3)3	42	Пентил, - C5H11	6
Винил, - CH2 = CH2	15	Пропенил, - CH=CHCH3	18
Водород, - H	1	Пропил, - CH2CH2CH3	4
н-Гексил, - C6H13	7	Пропинил, - C CCH3	29
Гидрокси, - OH	57	Пропаргил, - CH2C CH	12
Гликозилокси	62	Сульфо, - SO3H	73
Диметиламино, - N(CH3)2	51	м-Толил,	25
2,4-Динитрофенил,	34	о-Толил,	30
3,5-Динитрофенил,	28	п-Толил,	23
Диэтиламино, - N(C2H5)2	52	Триметиламмонио,	53
Изобутил, - CH2CH(CH3)2	9	Тритил, - C(C6H5)3	32
Изопентил, - CH2CH2CH(CH3)2	8	Фенил, - C6H5	22
Изопропенил, - CH(CH3)=CH2	20	Фенилазо, - N=NCC6H5	54
Изопропил, - CH(CH3)2	14	Фениламино, - NHC6H5	47
Иод, - I	76	Фенокси, - OC6H5	61
Карбоксил, - COOH	38	Формил, - CHO	35
2,6-Ксилил,	31	Формилокси, - OCHO	63
3,5-Ксилил,	26	Фтор, - F	68
		Хлор, - Cl	74
		Циклогексил,- C6H11	17
		Этил, - CH2CH3	3
		Этиламино, - NHC2H5	46
		Этинил, - C CH	21
		Этокси, - OC2H5	59
		Этоксикарбонил, - COOC2H5	40

Правила последовательного старшинства были специально задуманы так, чтобы оказаться в максимально близком соответствии с ранней систематикой Фишера, так как по счастливой случайности оказалось, что D-глицериновый альдегид имеет действительно такую конфигурацию, которая ему произвольно была приписана вначале. В результате большинство D-центров и, что очень важно, сам глицериновый альдегид, имеют (R)-конфигурацию, а L-стереоизомеры обычно принадлежат к (S)-ряду.

Одним из исключений является L-цистеин, который принадлежит к (R)-ряду, так сера по правилам старшинства предпочтительнее кислорода. В ситеме КИП генетическое родство между молекулами во внимание не принимается. Эта система может применяться только к соединениям с известной абсолютной конфигурацией. Если конфигурация неизвестна, то соединение приходится обязательно характеризовать знаком его вращения.

Правила последовательного старшинства применимы также и к описанию геометрических изомеров непредельных соединений. Заместители у каждого конца кратной связи при установлении старшинства должны рассматриваться отдельно. Если заместители, имеющие более высокое старшинство, расположены с одной и той же стороны двойной связи, соединению присваивают префикс Z - (от немецкого zusammen - вместе), а если по разные стороны, то префикс Е (entgegen - напротив). (Z, Е) - Номенклатура алкенов рассмтривалась в гл.5. Ниже приведены примеры отнесения структур с использованием (Z, Е) - обозначений.

Последний пример показывает, что преимущественное право включения в главную цепь имеет звено с Z - конфигурацией. (R,S) - Обозначения могут быть применены и для соединений с аксиальной хиральностью. Для отнесения конфигурации изображают проекцию Ньюмена на плоскость, перпендикулярную хиральной оси, и далее применяют дополнительное правило, согласно которому заместители на конце оси, ближайшей к наблюдателю, рассматриваются как имеющие более высокое старшинство, чем заместители на дальнем конце оси. Тогда конфигурацию молекулы определяют направлением обхода заместителей по или против часовой стрелки в обычном порядке убывания старшинства от первого ко второму и затем третьему лиганду. Ниже это проиллюстрировано для 1,3 - аллендикарбоновой и 2,2 - иодиддифенил-6,6-дикарбоновой кислот.

Правило последовательного старшинства разработаны также для планарно и спирально хиральных молекул.

При изображении соединений с помощью фишеровских проекций можно легко определить конфигурацию без построения пространственных моделей. Формулу надо записать так, чтобы младший заместитель находился внизу; если при этом остальные заместители в порядке уменьшения старшинства располагаются по часовой стрелке, соединение относят к (R) - ряду, а если против часовой - то к (S) -ряду, например:

Если младшая группа не находится внизу, то следует поменять ее местами с нижней группой, но следует помнить, что при этом происходит обращение конфигурации.