Quy tắc ưu tiên Cahn-Ingold-Prelog (Cahn-Ingold-Prelog priority rules)

Quy tắc ưu tiên Cahn-Ingold-Prelog (CIP), còn được gọi là quy tắc ưu tiên RS, là một hệ thống tiêu chuẩn được sử dụng trong hóa học hữu cơ để xác định cấu hình tuyệt đối của các trung tâm chiral, bao gồm trung tâm lập thể (stereocenters) và trục lập thể (stereoaxes). Quy tắc này được sử dụng để gán các mô tả R (Rectus, tiếng Latin nghĩa là phải) hoặc S (Sinister, tiếng Latin nghĩa là trái) cho mỗi trung tâm chiral, cho phép phân biệt rõ ràng giữa các đồng phân lập thể.

Nguyên tắc cơ bản:

Quy tắc CIP dựa trên việc gán thứ tự ưu tiên cho bốn nhóm thế gắn với một nguyên tử chiral dựa trên số nguyên tử của nguyên tố liên kết trực tiếp. Nhóm thế có số nguyên tử cao hơn được ưu tiên hơn. Nếu hai nguyên tử liên kết trực tiếp giống nhau, ta tiếp tục so sánh các nguyên tử ở lớp tiếp theo cho đến khi tìm thấy sự khác biệt. Ví dụ, nếu nguyên tử liên kết trực tiếp là Carbon, ta sẽ xét các nguyên tử liên kết với Carbon đó.

Các bước áp dụng quy tắc CIP

Để xác định cấu hình R hoặc S của một trung tâm chiral, ta thực hiện các bước sau:

Xác định nguyên tử 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:
- Bước 1: So sánh số nguyên tử của các nguyên tử liên kết trực tiếp với nguyên tử chiral. Nguyên tử có số nguyên tử cao hơn được ưu tiên hơn. Ví dụ: Br > Cl > O > N > C > H.
- Bước 2: Nếu hai nguyên tử liên kết trực tiếp giống nhau, tiếp tục so sánh các nguyên tử ở xa hơn dọc theo chuỗi cho đến khi tìm thấy điểm khác biệt. Ví dụ: -CH₂CH₃ > -CH₃.
- Bước 3: Đối với liên kết đôi hoặc liên kết ba, coi như nguyên tử được liên kết kép hoặc liên kết ba với hai hoặc ba nguyên tử giống nhau. Ví dụ: -C≡CH được coi như -C(C)(C)H và -CH=CH₂ được coi như -C(C)(H)H.
- Bước 4: Các đồng vị nặng hơn được ưu tiên hơn các đồng vị nhẹ hơn. Ví dụ: ¹³C > ¹²C > ¹H > ²H (D).
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 ta đang “cầm” nhóm thế này và hướng nó ra phía sau.
Xác định cấu hình R hoặc S: 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 là R. Nếu thứ tự ưu tiên giảm dần theo chiều ngược kim đồng hồ, cấu hình là S.

Ví dụ

Xét phân tử bromochlorofluoromethane (CHBrClF).

Nguyên tử chiral là C.
Thứ tự ưu tiên: Br (35) > Cl (17) > F (9) > H (1)
Đặt H hướng ra xa.
Thứ tự ưu tiên Br > Cl > F giảm dần theo chiều ngược kim đồng hồ, vậy cấu hình là S.

Ứng dụng

Quy tắc CIP được sử dụng rộng rãi trong hóa học hữu cơ, hóa sinh, dược học và các lĩnh vực liên quan để:

Đặt tên và phân biệt các đồng phân lập thể.
Dự đoán tính chất hóa học và sinh học của các phân tử chiral.
Thiết kế và tổng hợp các loại thuốc và vật liệu chiral.

Các trường hợp đặc biệt

Nhóm thế tuần hoàn: Khi gặp nhóm thế tuần hoàn, ta so sánh các nguyên tử theo đường đi ngắn nhất đến nguyên tử chiral. Nếu gặp điểm rẽ nhánh, ưu tiên nhánh có số nguyên tử cao hơn. Nếu hai nhánh giống nhau, tiếp tục so sánh các nguyên tử tiếp theo cho đến khi tìm thấy điểm khác biệt.
Liên kết đôi và liên kết ba: Như đã đề cập, liên kết đôi (C=X) được coi như nguyên tử C liên kết với hai nguyên tử X, và liên kết ba (C≡X) được coi như nguyên tử C liên kết với ba nguyên tử X.
Trung tâm giả chiral (pseudochiral center): Đây là trường hợp hiếm gặp hơn, xảy ra khi một nguyên tử liên kết với bốn nhóm thế khác nhau, nhưng hai trong số đó là các đồng phân lập thể. Trong trường hợp này, sử dụng quy tắc CIP để gán các mô tả r (minuscule r) hoặc s (minuscule s).
Trục chiral: Đối với trục chiral (như trong allen hoặc biphenyls), quy tắc CIP được áp dụng hơi khác. Cần xác định nguyên tử gần và xa nhất với người quan sát trên mỗi đầu của trục chiral và gán thứ tự ưu tiên. Cấu hình R hoặc S được xác định dựa trên thứ tự ưu tiên này.

Ví dụ phức tạp hơn

Xét phân tử CHClBrCH₂CH(CH₃)₂. Để so sánh nhóm -CH₂CH(CH₃)₂ và -CH₂CH₂CH₃, ta so sánh lần lượt các nguyên tử liên kết với nguyên tử C đầu tiên (C với C – giống nhau). Tiếp theo, so sánh các nguyên tử liên kết với các nguyên tử C này. Ở nhóm -CH₂CH(CH₃)₂, ta có C,H,C còn ở nhóm -CH₂CH₂CH₃ ta có C,H,H. Do C > H, nhóm -CH₂CH(CH₃)₂ được ưu tiên hơn.

Hạn chế

Mặc dù quy tắc CIP rất hữu ích, nhưng nó không phải là hoàn hảo. Trong một số trường hợp hiếm gặp, việc áp dụng quy tắc CIP có thể dẫn đến kết quả không rõ ràng hoặc mâu thuẫn. Tuy nhiên, những trường hợp này rất ít gặp và quy tắc CIP vẫn là một công cụ quan trọng trong việc xác định cấu hình lập thể.

Tóm tắt về Quy tắc ưu tiên Cahn-Ingold-Prelog

Để nắm vững quy tắc Cahn-Ingold-Prelog (CIP), cần ghi nhớ một số điểm quan trọng. Nguyên tắc cơ bản của quy tắc CIP là gán thứ tự ưu tiên cho các nhóm thế dựa trên số nguyên tử của nguyên tử liên kết trực tiếp với nguyên tử chiral. Số nguyên tử càng cao, ưu tiên càng lớn. Ví dụ, Br > Cl > O > N > C > H. Khi các nguyên tử đầu tiên giống nhau, ta tiếp tục so sánh các nguyên tử ở xa hơn cho đến khi tìm thấy sự khác biệt. Hãy nhớ kỹ cách xử lý liên kết đôi và liên kết ba: một liên kết đôi C=X được coi như C liên kết với hai nguyên tử X, và một liên kết ba C≡X được coi như C liên kết với ba nguyên tử X.

Việc xác định cấu hình R hay S dựa trên việc quan sát thứ tự ưu tiên của ba nhóm thế sau khi đã đặt nhóm có ưu tiên thấp nhất hướng ra xa người quan sát. Nếu thứ tự ưu tiên giảm dần theo chiều kim đồng hồ, cấu hình là R. Ngược lại, nếu thứ tự ưu tiên giảm dần theo chiều ngược kim đồng hồ, cấu hình là S. Hãy luyện tập với nhiều ví dụ để thành thạo việc áp dụng quy tắc CIP, đặc biệt là với các phân tử có nhiều trung tâm chiral hoặc nhóm thế phức tạp, bao gồm cả các trường hợp có nhóm thế tuần hoàn.

Cuối cùng, cần lưu ý rằng quy tắc CIP có một số hạn chế và có thể dẫn đến kết quả không rõ ràng trong một số trường hợp hiếm gặp. Tuy nhiên, nó vẫn là một công cụ quan trọng trong hóa học hữu cơ để xác định cấu hình tuyệt đối của các trung tâm chiral. Việc nắm vững quy tắc CIP sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về tính chất lập thể của các phân tử và ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Tài liệu tham khảo:

R.S. Cahn, C. Ingold, and V. Prelog. Specification of Molecular Chirality. Angewandte Chemie International Edition. 5(4): 385–415 (1966).
IUPAC. Nomenclature of Organic Chemistry : IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013 (Blue Book). Royal Society of Chemistry (2013).
Eliel, E.L. and Wilen, S.H. Stereochemistry of Organic Compounds. John Wiley & Sons, Inc., New York (1994).

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để áp dụng quy tắc CIP cho các đồng phân cis-trans?

Trả lời: Quy tắc CIP không trực tiếp dùng để đặt tên cis-trans. Tuy nhiên, nó có thể gián tiếp hỗ trợ bằng cách xác định cấu hình E/Z cho liên kết đôi. Quy tắc E/Z cũng dựa trên thứ tự ưu tiên của các nhóm thế gắn với mỗi nguyên tử carbon của liên kết đôi theo quy tắc CIP. Nếu hai nhóm thế có ưu tiên cao hơn nằm cùng phía của liên kết đôi, cấu hình là Z (Zusammen, tiếng Đức nghĩa là cùng nhau). Nếu chúng nằm ở phía đối diện, cấu hình là E (Entgegen, tiếng Đức nghĩa là đối diện).

Nếu hai nhóm thế gắn với nguyên tử chiral là đồng vị của cùng một nguyên tử thì làm thế nào để xác định thứ tự ưu tiên?

Trả lời: Đồng vị có khối lượng nguyên tử lớn hơn sẽ được ưu tiên hơn. Ví dụ, deuteri ( $ ^2 $H hay D) được ưu tiên hơn proti ( $ ^1 $H hay H). Tương tự, $ ^{13} $C được ưu tiên hơn $ ^{12} $C.

Quy tắc CIP có áp dụng được cho các phân tử có nhiều hơn một trung tâm chiral không?

Trả lời: Có. Đối với phân tử có n trung tâm chiral, sẽ có tối đa 2$ ^n $ đồng phân lập thể. Cần áp dụng quy tắc CIP riêng biệt cho mỗi trung tâm chiral để xác định cấu hình R hoặc S tương ứng.

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

Trả lời: Có. Trong một số trường hợp rất hiếm, chẳng hạn như khi có sự xoay vòng liên tục quanh liên kết đơn, hoặc khi có sự cân bằng nhanh chóng giữa các đồng phân, việc áp dụng quy tắc CIP có thể không mang lại kết quả rõ ràng.

Ngoài việc xác định cấu hình R/S, quy tắc CIP còn có ứng dụng nào khác không?

Trả lời: Quy tắc CIP còn được sử dụng để xác định cấu hình r/s cho các trung tâm giả chiral và cấu hình M/P cho các helisen. Ngoài ra, nó còn được ứng dụng trong việc đặt tên các đồng phân lập thể của các hợp chất phức tạp hơn.

Một số điều thú vị về Quy tắc ưu tiên Cahn-Ingold-Prelog

Nguồn gốc tên gọi: Quy tắc CIP được đặt theo tên của ba nhà hóa học Robert Sidney Cahn, Christopher Kelk Ingold và Vladimir Prelog. Điều thú vị là, mặc dù Cahn là người đầu tiên trong tên gọi, nhưng ông lại là người tham gia sau cùng vào việc phát triển quy tắc này. Ông được mời tham gia bởi Ingold và Prelog để giúp hệ thống hóa và hoàn thiện quy tắc.
Sự thay đổi của quy tắc theo thời gian: Phiên bản đầu tiên của quy tắc, được đề xuất bởi Cahn và Ingold vào năm 1951, chỉ áp dụng cho một số trường hợp cụ thể. Sau đó, Prelog đã tham gia và mở rộng quy tắc để áp dụng cho nhiều loại phân tử hơn, bao gồm cả các hợp chất có liên kết đôi và liên kết ba.
“Sequence rule” thay vì “priority rule”: Ban đầu, ba nhà khoa học sử dụng thuật ngữ “sequence rule” (quy tắc dãy) chứ không phải “priority rule” (quy tắc ưu tiên) như hiện nay. Thuật ngữ “priority rule” được cộng đồng hóa học sử dụng phổ biến hơn sau này.
Ứng dụng rộng rãi ngoài hóa học hữu cơ: Mặc dù quy tắc CIP được phát triển cho hóa học hữu cơ, nhưng nó cũng được áp dụng trong các lĩnh vực khác như hóa học vô cơ, hóa học phối trí và thậm chí cả trong việc mô tả cấu trúc của các phân tử sinh học phức tạp.
Thử thách cho trí tưởng tượng không gian: Việc áp dụng quy tắc CIP đòi hỏi khả năng tưởng tượng không gian tốt. Việc xoay phân tử trong không gian ba chiều để đặt nhóm thế có ưu tiên thấp nhất ra phía sau có thể là một thách thức đối với một số người, đặc biệt là với các phân tử phức tạp. Tuy nhiên, việc luyện tập thường xuyên sẽ giúp cải thiện kỹ năng này.
Phần mềm hỗ trợ: Ngày nay, có nhiều phần mềm hóa học có thể tự động xác định cấu hình R/S của một phân tử dựa trên quy tắc CIP, giúp tiết kiệm thời gian và giảm thiểu sai sót. Tuy nhiên, việc hiểu rõ nguyên tắc của quy tắc CIP vẫn rất quan trọng để kiểm tra kết quả của phần mềm và xử lý các trường hợp phức tạp mà phần mềm có thể gặp khó khăn.