Система Кайна — Ингольда — Прелога

Система Кайна — Ингольда — Прелога (CIP-система, от англ. Cahn–Ingold–Prelog priority rules) — это набор правил, используемых в стереохимии для однозначного описания пространственного расположения заместителей вокруг хирального центра (атома углерода, фосфора, серы и других), а также для определения конфигурации двойных связей (E/Z-изомерия). Система была разработана в 1960-х годах британским химиком Робертом Сидни Кайном, британским химиком Кристофером Кельком Ингольдом и швейцарским химиком Владимиром Прелогом. Она является основой номенклатуры ИЮПАК (IUPAC) для стереоизомеров и позволяет присваивать каждому хиральному центру дескриптор R (от лат. rectus — правый) или S (от лат. sinister — левый), а каждой двойной связи — дескриптор E (от нем. entgegen — напротив) или Z (от нем. zusammen — вместе).

Основные принципы

Система основана на иерархии заместителей, присоединённых к стереогенному центру. Для определения приоритета (старшинства) заместителей используются следующие правила:

1. Атомный номер: Чем выше атомный номер элемента, непосредственно связанного с хиральным центром (или с атомом двойной связи), тем выше его приоритет. Например, хлор (Cl, Z=17) старше кислорода (O, Z=8), а кислород старше углерода (C, Z=6).
2. Массовое число (изотопы): Если атомы имеют одинаковый атомный номер, приоритет определяется по массовому числу. Например, дейтерий (²H) старше протия (¹H).
3. Правило «следующего атома»: Если два заместителя начинаются с атомов одного и того же элемента, рассматривается следующий атом в цепи. Приоритет определяется по совокупности атомов, пока не будет найдено различие. Например, группа –CH₂Cl старше –CH₃, так как у первой после углерода идёт хлор (Z=17), а у второй — водород (Z=1).
4. Кратные связи: Кратные связи рассматриваются как эквивалент нескольких одинарных связей с соответствующими атомами. Например, двойная связь C=O интерпретируется как C, связанный с двумя атомами кислорода (O, O), а тройная связь C≡N — как C, связанный с тремя атомами азота (N, N, N).
5. Циклические структуры: В циклических соединениях приоритет определяется по последовательности атомов в кольце, при этом разветвления рассматриваются как отдельные ветви.

Определение конфигурации хирального центра

Для присвоения дескриптора R или S хиральному центру (например, асимметрическому атому углерода) необходимо:

1. Определить приоритет четырёх заместителей (1 — самый старший, 4 — самый младший).
2. Расположить молекулу так, чтобы заместитель с наименьшим приоритетом (4) был направлен от наблюдателя (за плоскость рисунка).
3. Рассмотреть порядок убывания приоритетов трёх оставшихся заместителей (1 → 2 → 3).

• Если порядок по часовой стрелке — конфигурация R (от лат. rectus — правый).
• Если порядок против часовой стрелки — конфигурация S (от лат. sinister — левый).

Пример: аланин

Аминокислота аланин (2-аминопропановая кислота) имеет хиральный центр при α-углероде. Заместители: –NH₂, –COOH, –CH₃, –H.

• Приоритет: 1 – NH₂ (N, Z=7), 2 – COOH (C, затем O, O, O), 3 – CH₃ (C, затем H, H, H), 4 – H (H, Z=1).
• При ориентации водорода (4) от наблюдателя порядок 1→2→3 (NH₂ → COOH → CH₃) идёт по часовой стрелке — конфигурация R.
• Для L-аланина (природная форма) конфигурация — S.

Определение конфигурации двойной связи (E/Z-изомерия)

Для двойных связей C=C или C=N, где каждый из атомов углерода (или азота) имеет два заместителя, применяется правило старшинства для каждой пары заместителей отдельно.

1. Для каждого из двух атомов, образующих двойную связь, определяется приоритет двух его заместителей.
2. Если старшие заместители находятся по разные стороны от плоскости двойной связи — конфигурация E (от нем. entgegen — напротив).
3. Если старшие заместители находятся по одну сторону — конфигурация Z (от нем. zusammen — вместе).

Пример: 1,2-дихлорэтен

В молекуле 1,2-дихлорэтена (ClHC=CHCl) каждый атом углерода имеет заместители: Cl и H.

• Приоритет: Cl (Z=17) старше H (Z=1).
• Если оба атома хлора расположены по одну сторону от двойной связи — это Z-изомер (цис-форма).
• Если атомы хлора расположены по разные стороны — это E-изомер (транс-форма).

Применение к другим стереогенным центрам

Система Кайна — Ингольда — Прелога применима не только к углероду, но и к другим элементам, образующим хиральные центры: фосфору (в фосфинах, фосфатах), сере (в сульфоксидах), кремнию (в силанах) и азоту (в четвертичных аммониевых солях, хотя для аминов часто используется другой подход из-за быстрой инверсии). Правила остаются теми же: приоритет определяется атомным номером центрального атома и его заместителей.

История и развитие

Система была предложена в 1966 году в статье Роберта Кайна, Кристофера Ингольда и Владимира Прелога «Specification of Molecular Chirality» (Angewandte Chemie International Edition). До этого для описания конфигурации использовались обозначения D/L (по Фишеру) и d/l (по направлению вращения плоскости поляризации света), которые были менее универсальны и не подходили для сложных молекул. CIP-система была принята ИЮПАК в 1970-х годах и с тех пор неоднократно дополнялась, в частности, для работы с хиральностью в макроциклах, плоскими хиральными молекулами (например, в ферроценах) и стереоизомерами с несколькими хиральными центрами.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, система имеет ряд недостатков:

• Сложность для больших молекул: При большом количестве заместителей и разветвлений последовательное применение правил может быть трудоёмким.
• Неоднозначность для некоторых структур: В редких случаях, например, при наличии одинаковых заместителей на разных расстояниях, возможны ситуации, когда правила не дают однозначного результата (так называемые «псевдоасимметрические» центры).
• Зависимость от нумерации: Для циклических соединений приоритет может зависеть от выбора направления обхода кольца, что иногда приводит к путанице.
• Неприменимость к некоторым типам хиральности: Система плохо описывает хиральность, обусловленную не точкой, а осью (аллены) или плоскостью (циклофаны), хотя для этих случаев существуют отдельные правила (например, дескрипторы M/P).

Значение в химии

Система Кайна — Ингольда — Прелога является фундаментальным инструментом в органической химии, биохимии, фармацевтике и материаловедении. Она позволяет:

• Однозначно идентифицировать стереоизомеры, что критически важно для синтеза и анализа лекарственных препаратов (например, талидомид — один энантиомер обладает терапевтическим действием, другой — тератогенным).
• Описывать механизмы стереоселективных реакций.
• Классифицировать природные соединения (аминокислоты, сахара, стероиды).
• Создавать базы данных химических соединений (CAS, PubChem, Reaxys), где стереохимическая информация кодируется с помощью R/S- и E/Z-дескрипторов.

Источники

• Cahn, R. S.; Ingold, C. K.; Prelog, V. (1966). "Specification of Molecular Chirality". Angewandte Chemie International Edition.
• IUPAC. "Nomenclature of Organic Chemistry: Sections R, S, and T" (Blue Book).
• Eliel, E. L.; Wilen, S. H. (1994). Stereochemistry of Organic Compounds. Wiley.
• Прелог, В. (1975). "Основы стереохимии". Мир.