Quy tắc Prelog (Prelog’s Rule)

Quy tắc Prelog, hay còn gọi là quy tắc ưu tiên Cahn-Ingold-Prelog (CIP), là một tập hợp các quy tắc được sử dụng để xác định cấu hình tuyệt đối của một trung tâm chiral, thường là một nguyên tử carbon bất đối xứng. Quy tắc này rất quan trọng trong hóa học hữu cơ, đặc biệt là trong lĩnh vực hóa học lập thể, để đặt tên cho các enantiomer (đồng phân đối quang) sử dụng hệ thống danh pháp R/S.

Nguyên tắc hoạt động

Quy tắc Prelog dựa trên việc gán thứ tự ưu tiên cho bốn nhóm thế gắn liền với trung tâm chiral. Nhóm thế có số nguyên tử cao nhất được ưu tiên cao nhất. Nếu hai nguyên tử trực tiếp gắn với trung tâm chiral giống nhau, quy tắc sẽ xem xét các nguyên tử ở xa hơn cho đến khi tìm thấy sự khác biệt. Cụ thể hơn, ta sẽ so sánh số nguyên tử của các nguyên tử gắn với nguyên tử đang xét. Ví dụ, nếu cùng là carbon, carbon nào gắn với nhiều nguyên tử hơn (bậc cao hơn) sẽ được ưu tiên hơn. Quá trình này được lặp lại cho đến khi tìm được sự khác biệt về ưu tiên. Trong trường hợp có liên kết đôi hoặc liên kết ba, chúng được coi như liên kết với hai hoặc ba nguyên tử giống nhau tương ứng.

Các bước áp dụng Quy tắc Prelog

Xác định trung tâm chiral: Tìm nguyên tử carbon (hoặc nguyên tử khác) liên kết với bốn nhóm thế khác nhau.
Gán thứ tự ưu tiên cho các nhóm thế:
- Quy tắc 1: Số nguyên tử: Nguyên tử có số nguyên tử cao hơn được ưu tiên hơn. Ví dụ: Br > Cl > S > O > N > C > H.
- Quy tắc 2: Đồng vị: Nếu hai nguyên tử giống nhau, đồng vị có khối lượng nguyên tử lớn hơn được ưu tiên hơn. Ví dụ: $^{13}$C > $^{12}$C.
- Quy tắc 3: Liên kết bội: Liên kết đôi hoặc ba được coi như liên kết với hai hoặc ba nguyên tử giống nhau. Ví dụ, C=O được coi như C liên kết với hai nguyên tử O.
- Quy tắc 4: Cấu hình Z/E: Đối với liên kết đôi, nhóm thế có cấu hình Z được ưu tiên hơn nhóm thế có cấu hình E.
Định hướng phân tử: Đặt nhóm thế có ưu tiên thấp nhất (thường là H) hướng ra xa người quan sát. Có thể tưởng tượng như cầm nhóm thế này và kéo nó ra phía sau.
Xác định chiều quay: Quan sát thứ tự ưu tiên của ba nhóm thế còn lại. Nếu thứ tự ưu tiên giảm dần theo chiều kim đồng hồ, cấu hình được gán là R (Latin: rectus, nghĩa là phải). Nếu thứ tự ưu tiên giảm dần ngược chiều kim đồng hồ, cấu hình được gán là S (Latin: sinister, nghĩa là trái).

Ví dụ

Xét phân tử bromochlorofluoromethane (CHBrClF).

Br có số nguyên tử cao nhất (35), nên được ưu tiên cao nhất (1).
Cl có số nguyên tử tiếp theo (17), nên được ưu tiên thứ hai (2).
F có số nguyên tử tiếp theo (9), nên được ưu tiên thứ ba (3).
H có số nguyên tử thấp nhất (1), nên được ưu tiên thấp nhất (4).

Nếu đặt H hướng ra xa, thứ tự ưu tiên Br -> Cl -> F quay theo chiều kim đồng hồ. Vậy cấu hình của phân tử này là R.

Lưu ý

Quy tắc Prelog chỉ áp dụng cho một trung tâm chiral duy nhất. Đối với phân tử có nhiều trung tâm chiral, quy tắc này phải được áp dụng cho từng trung tâm.
Việc xác định cấu hình R/S không liên quan đến tính chất vật lý như khả năng quay cực của phân tử.

Các trường hợp phức tạp hơn

Nhóm thế vòng: Khi gặp nhóm thế vòng, việc áp dụng Quy tắc Prelog có thể phức tạp hơn. Cần “du hành” theo vòng theo cả hai hướng từ trung tâm chiral. Nguyên tử được ưu tiên ở mỗi bước so sánh. Quá trình này tiếp tục cho đến khi tìm thấy điểm khác biệt. Hãy tưởng tượng như ta đang đi dọc theo vòng, so sánh từng nguyên tử một cho đến khi tìm thấy sự khác biệt.
Liên kết đôi và ba: Như đã đề cập, liên kết đôi và ba được coi như liên kết với hai hoặc ba nguyên tử giống nhau. Ví dụ, nhóm -C≡N được xem như -C(-N)(-N). Một liên kết đôi với nguyên tử C được ưu tiên hơn liên kết đơn với nguyên tử C khác.

Ứng dụng của Quy tắc Prelog

Quy tắc Prelog có ứng dụng rộng rãi trong hóa học hữu cơ, đặc biệt là trong:

Danh pháp: Đặt tên cho các enantiomer sử dụng hệ thống danh pháp R/S.
Dự đoán tính chất: Cấu hình tuyệt đối của một phân tử có thể ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học, do đó, Quy tắc Prelog giúp dự đoán các tính chất này.
Tổng hợp bất đối xứng: Thiết kế và tổng hợp các phân tử chiral với cấu hình mong muốn.
Phân tích cấu trúc: Xác định cấu trúc không gian của các phân tử phức tạp.

So sánh với quy tắc Fischer

Trước Quy tắc Prelog, quy tắc Fischer được sử dụng để xác định cấu hình của các carbohydrate và amino acid. Tuy nhiên, quy tắc Fischer chỉ áp dụng cho một nhóm nhỏ các phân tử và không tổng quát như Quy tắc Prelog. Quy tắc Prelog được coi là phương pháp hiện đại và chính xác hơn để xác định cấu hình tuyệt đối.

Hạn chế

Mặc dù rất hữu ích, Quy tắc Prelog cũng có một số hạn chế. Trong một số trường hợp hiếm gặp, việc áp dụng quy tắc có thể dẫn đến kết quả mơ hồ, đặc biệt là khi liên quan đến các nhóm thế phức tạp hoặc các phân tử có nhiều trung tâm chiral gần nhau.

Tóm tắt về Quy tắc Prelog

Quy tắc Prelog (hay quy tắc Cahn-Ingold-Prelog) là một hệ thống quan trọng để gán cấu hình tuyệt đối R hoặc S cho các trung tâm chiral. Nguyên tắc cốt lõi là xác định thứ tự ưu tiên của bốn nhóm thế gắn với trung tâm chiral dựa trên số nguyên tử của nguyên tử trực tiếp liên kết. Nguyên tử có số nguyên tử cao hơn sẽ được ưu tiên hơn (ví dụ: Br > Cl > O > N > C > H).

Khi hai nguyên tử gắn trực tiếp giống nhau, ta phải xét các nguyên tử ở xa hơn cho đến khi tìm thấy sự khác biệt. Liên kết bội được xử lý như liên kết với nhiều nguyên tử giống nhau. Ví dụ, một nhóm carbonyl C=O được coi như carbon liên kết với hai nguyên tử oxy. Việc hiểu rõ cách xử lý liên kết bội là rất quan trọng để áp dụng Quy tắc Prelog một cách chính xác.

Sau khi xác định thứ tự ưu tiên, ta đặt nhóm có ưu tiên thấp nhất (thường là H) hướng ra xa người quan sát. Nếu thứ tự ưu tiên của ba nhóm còn lại giảm dần theo chiều kim đồng hồ, cấu hình là R; ngược chiều kim đồng hồ thì cấu hình là S.

Cần nhớ rằng Quy tắc Prelog chỉ áp dụng cho một trung tâm chiral duy nhất. Đối với phân tử có nhiều trung tâm chiral, quy tắc phải được áp dụng riêng cho từng trung tâm. Cuối cùng, cấu hình R/S không liên quan trực tiếp đến khả năng quay cực của phân tử. Đó là một định nghĩa về cấu hình tuyệt đối, không phải là một phép đo hoạt tính quang học. Nắm vững những điểm chính này sẽ giúp bạn áp dụng Quy tắc Prelog hiệu quả trong việc xác định cấu hình của các phân tử chiral.

Tài liệu tham khảo:

Prelog, V.; Helmchen, G. Basic Principles of the CIP-System and Proposals for a Revision. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1982, 21, 547-561.
Eliel, E. L.; Wilen, S. H. Stereochemistry of Organic Compounds. John Wiley & Sons, Inc., *1994.
IUPAC. Nomenclature of Organic Chemistry : IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013 (Blue Book). Royal Society of Chemistry, 2014.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để áp dụng Quy tắc Prelog cho một phân tử có chứa đồng vị?

Trả lời: Khi hai nguyên tử gắn với trung tâm chiral giống nhau nhưng là đồng vị khác nhau, đồng vị có khối lượng nguyên tử lớn hơn được ưu tiên cao hơn. Ví dụ, $^1$$^3$C được ưu tiên hơn $^1$$^2$C.

Nếu hai nhóm thế gắn với trung tâm chiral đều là nhóm alkyl, làm thế nào để xác định thứ tự ưu tiên?

Trả lời: Ta so sánh các nguyên tử gắn trực tiếp với trung tâm chiral. Nếu chúng giống nhau (đều là C), ta tiếp tục so sánh các nguyên tử ở xa hơn, theo từng lớp, cho đến khi tìm thấy điểm khác biệt. Nhóm nào có nguyên tử có số nguyên tử cao hơn ở vị trí đầu tiên khác biệt sẽ được ưu tiên hơn.

Quy tắc Prelog có thể được sử dụng để phân biệt giữa các diastereomer không?

Trả lời: Có. Diastereomer là các đồng phân lập thể không phải là hình ảnh phản chiếu của nhau. Chúng có thể có cấu hình R/S khác nhau tại một hoặc nhiều trung tâm chiral. Vì vậy, Quy tắc Prelog có thể được sử dụng để phân biệt các diastereomer bằng cách xác định cấu hình tại mỗi trung tâm chiral.

Có trường hợp nào mà Quy tắc Prelog không thể xác định rõ ràng cấu hình R/S không?

Trả lời: Có. Trong một số trường hợp hiếm gặp, đặc biệt là khi có sự đối xứng phức tạp trong phân tử, việc áp dụng Quy tắc Prelog có thể dẫn đến kết quả mơ hồ. Trong những trường hợp này, có thể cần sử dụng các phương pháp khác để xác định cấu hình tuyệt đối.

Ngoài danh pháp R/S, còn có hệ thống nào khác để mô tả cấu hình của trung tâm chiral không?

Trả lời: Có. Đối với các amino acid và carbohydrate, hệ thống D/L vẫn được sử dụng. Tuy nhiên, hệ thống R/S dựa trên Quy tắc Prelog được coi là phổ quát và áp dụng được cho nhiều loại phân tử hơn. Nó là hệ thống được ưa chuộng trong danh pháp IUPAC hiện đại.

Một số điều thú vị về Quy tắc Prelog

Nguồn gốc tên gọi: Quy tắc Prelog được đặt theo tên của Vladimir Prelog, nhà hóa học người Croatia gốc Bosnia đã đoạt giải Nobel Hóa học năm 1975. Ông phát triển quy tắc này cùng với Robert Sidney Cahn và Christopher Kelk Ingold, vì vậy nó còn được gọi là quy tắc Cahn-Ingold-Prelog (CIP).
Sự ra đời của quy tắc: Trước Quy tắc CIP, việc mô tả cấu hình phân tử chiral khá phức tạp và không thống nhất. Sự ra đời của quy tắc này đã mang lại một hệ thống rõ ràng và phổ quát, giúp đơn giản hóa việc giao tiếp và nghiên cứu trong hóa học hữu cơ.
Ứng dụng trong dược phẩm: Cấu hình của một phân tử chiral có thể ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính sinh học của nó. Ví dụ, một enantiomer có thể là thuốc chữa bệnh, trong khi enantiomer kia lại gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng. Do đó, Quy tắc Prelog đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và sản xuất thuốc. Thalidomide là một ví dụ bi thảm về tầm quan trọng của chirality trong dược phẩm.
Tính phổ quát: Quy tắc Prelog không chỉ áp dụng cho carbon chiral mà còn cho các nguyên tử khác như phosphorus, sulfur, nitrogen, và thậm chí cả kim loại chuyển tiếp khi chúng là trung tâm chiral.
Sự phức tạp của các phân tử sinh học: Nhiều phân tử sinh học, như protein và carbohydrate, chứa nhiều trung tâm chiral. Việc xác định cấu hình của tất cả các trung tâm này là một thách thức lớn, nhưng Quy tắc Prelog cung cấp một công cụ hữu ích cho việc này.
Khía cạnh trực quan: Mặc dù Quy tắc Prelog dựa trên các quy tắc cụ thể, việc xác định cấu hình R/S cũng có một phần trực quan. Sau khi thành thạo, bạn có thể “nhìn” vào một phân tử và nhanh chóng xác định cấu hình của nó mà không cần phải trải qua tất cả các bước.
Phát triển liên tục: Mặc dù Quy tắc Prelog đã được sử dụng rộng rãi và hiệu quả trong nhiều thập kỷ, nó vẫn tiếp tục được tinh chỉnh và bổ sung để giải quyết các trường hợp phức tạp và mơ hồ. Điều này cho thấy tính động và sự phát triển liên tục của khoa học.