Cahn-Ingold-Prelog-Konvention

Zweck und Grundprinzip

Die Cahn-Ingold-Prelog-Konvention, kurz CIP-Konvention oder (RS)-System, beschreibt die räumliche Anordnung verschiedener Substituenten an Atomen und Doppelbindungen eindeutig. Ein Substituent ist dabei ein Atom oder eine Atomgruppe, die an eine bestimmte Stelle eines Moleküls gebunden ist. Die Konvention wurde 1966 von Robert Sidney Cahn, Christopher Kelk Ingold und Vladimir Prelog vorgeschlagen und 1982 von Vladimir Prelog und Günter Helmchen überarbeitet.

Die CIP-Nomenklatur dient vor allem drei Zwecken:

• An einem Stereozentrum kennzeichnet (R) oder (S) die absolute Konfiguration, also die räumliche Anordnung der Substituenten.
• An einer Doppelbindung kennzeichnet (E) oder (Z) die geometrische Anordnung der Substituenten eines cis-trans-Isomers.
• An kumulierten Doppelbindungen, etwa in Allenen, wird die Anordnung durch (R_A) oder (S_A) beschrieben.

Bei komplexen Molekülen können mehrere solcher Deskriptoren vor den systematischen IUPAC-Namen gesetzt werden. Dadurch lässt sich der geometrische Aufbau eines Moleküls mit mehreren Stereozentren oder Doppelbindungen eindeutig angeben.

Chiralitätszentren erkennen

Zuerst werden alle Chiralitätszentren des Moleküls bestimmt. Ein Chiralitätszentrum ist ein Atom, das vier verschiedene Substituenten trägt. Stereozentren liegen meistens an Kohlenstoffatomen, können aber auch an Stickstoff-, Schwefel-, Silicium- oder Phosphoratomen auftreten. Als Substituenten zählen Atome, Atomgruppen und freie Elektronenpaare.

In einer Strukturformel werden die Stereozentren häufig mit Sternchen markiert. Enthält ein Molekül mehrere Chiralitätszentren, wird jedes davon einzeln untersucht.

Prioritäten der Substituenten

Den vier Substituenten eines Chiralitätszentrums werden die Prioritäten 1 bis 4 zugeordnet; 1 ist die höchste und 4 die niedrigste Priorität.

Zunächst betrachtet man die direkt am Zentrum gebundenen Atome, die sogenannte erste Sphäre. Sie werden nach ihrer Ordnungs- beziehungsweise Kernladungszahl geordnet: Je höher die Ordnungszahl, desto höher die Priorität. Ein freies Elektronenpaar erhält die fiktive Ordnungszahl 0 und damit die niedrigste Priorität. Bei Isotopen desselben Elements hat das Isotop mit der größeren Masse Vorrang, beispielsweise Tritium vor Deuterium und dieses vor normalem Wasserstoff.

Sind direkt gebundene Atome gleich, vergleicht man die an ihnen gebundenen Atome der zweiten Sphäre. Für jeden Substituenten werden diese Atome nach abnehmender Ordnungszahl geordnet. Das erste unterschiedliche Atom entscheidet über die Priorität. Deshalb hat beispielsweise –CH(CH₃)₂ Vorrang vor –CH₂CH₂CH₃. Ergibt sich noch kein Unterschied, wird das Verfahren in der dritten und anschließend in jeder weiteren Sphäre wiederholt.

Bleiben die Substituenten bis zum Molekülende beziehungsweise bei einem Ring bis zum Ausgangsatom gleich, gelten zusätzliche Kriterien in dieser Reihenfolge:

• An der ersten unterschiedlich konfigurierten Doppelbindung besitzt (Z) Vorrang vor (E).
• Gleiche Deskriptorenpaare in substituierenden Atomgruppen haben Vorrang vor unterschiedlichen, beispielsweise (SS) vor (RS).
• An einem Pseudochiralitätszentrum hat eine (R)-konfigurierte Atomgruppe Vorrang vor einer (S)-konfigurierten.

Bestimmung von R und S und besondere Strukturen

Nach der Priorisierung wird der Substituent mit der niedrigsten Priorität 4 hinter die Bildebene gerichtet. Dann verfolgt man die Reihenfolge von Priorität 1 über 2 zu 3. Verläuft sie im Uhrzeigersinn, besitzt das Zentrum die Konfiguration (R); verläuft sie gegen den Uhrzeigersinn, liegt (S) vor.

Der Deskriptor erlaubt keinen automatischen Schluss auf die optische Drehrichtung oder den Drehwinkel α eines Stoffes. So hat (S)-Alanin einen Drehwinkel α von +13,0° (c=2 in 5 N Salzsäure), während (R)-Cystein einen Drehwinkel α von +7,9° (c=2 in 5 N Salzsäure) besitzt.

Mehrfachbindungen werden bei der Priorisierung durch Duplikatatome behandelt: Bei einer Doppelbindung gilt das beteiligte Atom beziehungsweise die Gruppe als doppelt, bei einer Dreifachbindung als dreifach vorhanden. Diese Duplikatatome besitzen in der nächsten Sphäre keine weiteren Substituenten. Doppelbindungen zwischen Heteroatomen, an denen mindestens ein Element ab der dritten Periode beteiligt ist, gelten jedoch als Einfachbindungen; beispielsweise wird P=O als P–O behandelt. In konjugierten Systemen wie Aromaten verwendet man ein fiktives Duplikatatom. Seine Ordnungszahl entspricht dem Mittelwert der Ordnungszahlen der Atome, zu denen in mesomeren Grenzstrukturen Doppelbindungen gezeichnet werden können.

Bei Carbocyclen verfolgt man beide Ringzweige durch alle Sphären bis zum Ausgangsatom. Dieses wird am Ende nur noch als Duplikatatom berücksichtigt.

Die CIP-Regeln sind außerdem auf Chiralitätsachsen, Chiralitätsebenen und helikale Strukturen anwendbar. Bei Atropisomeren wie BINOL werden in der Newman-Projektion um die Chiralitätsachse die näher zum Betrachter liegenden Substituenten gegenüber den weiter entfernten bevorzugt. Dadurch lassen sich wieder vier Positionen ordnen und der Drehsinn in derselben Projektion bestimmen.

Mehrere Stereozentren und Doppelbindungen

Enthält ein Molekül mehrere stereogene Zentren, wird die Konfiguration jedes Zentrums einzeln angegeben. Vor jeden Deskriptor (R) oder (S) setzt man die Positionsnummer des betreffenden Atoms. Besitzen alle Stereozentren dieselbe Konfiguration, kann dem Verbindungsnamen „(all-R)-“ beziehungsweise „(all-S)-“ vorangestellt werden.

Für Alkene und ähnliche Doppelbindungen werden die CIP-Prioritäten der Substituenten auf beiden Seiten der Doppelbindung bestimmt. Danach vergleicht man jeweils den Substituenten mit der höchsten Priorität:

• Liegen die beiden höchstpriorisierten Substituenten auf derselben Seite der Doppelbindung, also ekliptisch, erhält das Stereoisomer den Deskriptor (Z) für „Zusammen“.
• Liegen sie auf entgegengesetzten Seiten, also anti-periplanar, erhält es den Deskriptor (E) für „Entgegen“.

Cis entspricht häufig (Z) und trans häufig (E), aber nicht immer. Bei disubstituierten Alkenen gilt diese Zuordnung jedoch stets: Das cis-Isomer ist das (Z)-Isomer und das trans-Isomer das (E)-Isomer.

Kommerzielle chemische Zeichenprogramme können die Bestimmung der Deskriptoren unterstützen. ChemDraw und Symyx Draw bestimmen absolute Konfigurationen; ChemDraw unterstützt außerdem die Ermittlung von (E)- und (Z)-Deskriptoren.