2000-12-10

順位法則

ある不斉中心に結合している原子または原子団の優先順位を付けるために順位法則を用いる。これは、Cahn, Ingold, Prelog によって開発、発展したので、彼らの頭文字をとってCIP体系ともいう。

1　順位法則

ある不斉中心に結合している原子または原子団の優先順位は、次の規則による。

• (o) 不斉軸がある場合、軸の手前側にある原子を、軸の奥にある原子より優位とする（この規則は単核配位中心の立体化学を決定するとき必要とならない）。
• (i) 直接結合する原子の原子番号が大きい方を優位とする。
• (ii) 前項で決まらないときは、最初の原子に結合している原子（すなわち中心から2番目の原子）について (i) の基準で比べる。2番目の原子が最初の原子に複数結合しているときは、原子番号の大きい順に候補を1つずつ出して違いのあった時点で決める。
• (iii) 前項で決まらないときは、中心から2番目の原子（ただし、(ii)で除外された原子は除く）に結合している原子で比べる。以降、順に中心から離れた原子を比べる。
• (iv) 2つの基が位相的に等しい（構成する原子の元素、個数、結合順序が等しい）が、質量数が異なる原子を含む場合、質量数の大きい原子を含む基を優位とする。
• (v) 2つの基が物質的かつ位相的に等しい（構成する原子の元素、個数、結合順序、質量数が等しい）が、立体化学が異なる場合。
  まず二重結合の幾何異性に関して、Z をEより優位とする。
  次いでジアステレオ異性に関して、like （R,R またはS,S）を unlike （R,S またはS,R）より優位とする。
  次いで、鏡像異性に関して、RをS より優位とする。
  最後に、擬似不斉原子に関して、rをs より優位とする。
• ※Cahn, Ingold, Prelog の最初の提案(1966年)では、(v) の最初に「seqcis は seqtrans より優位とする」という条項があったが、Prelogの提案（1982年）で、これは二重結合の幾何異性に制限された。そもそも seqcis および seqtrans という表示はIUPAC勧告に含まれないし、CASでも用いない以上、順位法則に限ってそれを考慮する意味はあるまい。

原子団に多重結合がある場合、パイ結合の原子は隣接原子と原子番号の同じ原子が外に結合していると見なす。重複原子（下図では丸カッコで囲んだ）のさらに先には、比較の必要があれば、原子番号0の幻原子が結合していると考える。

(i) の規則によれば、-I (55)、-Br (35)、-Cl (17)、-SCH₃(16)、-PPh₂(15)、-SiMe₃ (14)、-MgCl (12)、-F (9)、-OH (8)、-NH₂(7)、-CH₃ (6)、-BPh₂(5)、-Li (3)、-H (1) は、ここに示した通りの順位となる。

(ii) の規則によれば、-CHCl₂ (17,17,1)、-CH₂Cl (17,1,1)、-CF₃ (9,9,9)、-COOH (8,8,8)、-COCH₃(8,8,6)、-CH(=O) (8,8,1)、-CH₂OH (8,1,1)、-C≡N (7,7,7)、-CH₂NH₂ (7,1,1)、-CMe₃(6,6,6)、-CHMe₂ (6,6,1)、-CH₂CH₃(6,1,1)、-CH₃ (1,1,1) は、ここに示した通りの順位となる。

(iii) の規則によれば、-C≡CSiMe₃ [6(14,6,6),6(0,0,0),6(0,0,0)]、-CPh₃[6(6,6,6),6(6,6,6),6(6,6,6)]、-(o-tolyl) [6(6,6,6),6(6,6,1),6(0,0,0)]、-C≡CCH₃[6(6,6,6),6(0,0,0),6(0,0,0)]、-Ph [6(6,6,1),6(6,6,1),6(0,0,0)]、-CMe₂CHMe₂ [6(6,6,1),6,(1,1,1),6(1,1,1)]、-CMe=CHCH₃ [6(6,6,1),6(1,1,1),6(0,0,0)]、-C≡CH [6(6,6,1),6(0,0,0),6(0,0,0)]、-CEt₃ [6(6,1,1),6(6,1,1),6(6,1,1)]、-CEt=CH₂ [6(6,1,1),6(6,1,1),6(0,0,0)]、-CMe₂Et [6(6,1,1),6(1,1,1),6(1,1,1)]、-CMe=CH₂ [6(6,1,1),6(1,1,1),6(0,0,0)]、-CMe₃ [6(1,1,1),6(1,1,1),6(1,1,1)] は、ここに示した通りの順位となる。

窒素や硫黄など孤立電子対を持つ原子では、比較の必要があれば、原子番号0の幻原子が結合していると考える。例えば配置が固定されたアミンやスルホキシドの立体化学は、この考え方によりR,Sの表示が可能となる。

また、(ii) の規則によれば、-NO₂ (8,8,8)、-N=O (8,8,0)、-NHOH (8,1,0)、-N=NPh (7,7,0)、-NHNH₂(7,1,0)、-NMe₃⁺ (6,6,6)、-NEt₂(6,6,0)、-NHAc (6,1,0)、-NH₃⁺ (1,1,1)、-NH₂(1,1,0) は、ここに示した通りの順位となる。

2　共役系への順位法則の適用

共役系でも二重結合による原子の重複を行って単結合系に帰着させる。しかし、共役系では、共鳴式において、二重結合で複数の原子に結合可能である。

共役系が炭素環式芳香族骨格の場合は、二重結合で炭素としか結合しないのであるから、重複原子の原子番号を6とすればよい。

ヘテロ原子を含む共役系では、二重結合で結合可能な原子の平均原子番号を重複原子の原子番号と見なす。

奇数個の原子からなるイオン性共役系では、極限構造式で電荷を置いた原子は二重結合に関与しない。つまりその状態では重複原子なし、すなわち幻原子なので、原子番号0となる。これを平均するから、例えばシクロペンタジエニルアニオンでは、6*(4/5) = 4+4/5 を重複原子の原子番号とする。またシクロヘプタトリエニリウムカチオンでは、6*(6/7) = 5+1/7 となる。

同様に、ピロリルアニオン、ピラゾリルアニオン、イミダゾリルアニオンでは、電荷は5個の環原子上に均等に分布すると考え、パイ結合は5分の4となり、重複原子の原子番号も、隣接原子の原子番号の平均に5分の4を乗じて求める。

また環状でないならば、適切な位置に電荷を置き、それで複数の極限構造式が可能ならば、その平均をとる。例えば、アセトニルアセトンアニオン［Me(O=)C-CH=C(-O^-)Me］では、カルボニル炭素上の重複原子の位置番号は、酸素の8と炭素の6の平均で7とし、酸素原子上の重複原子の位置番号は、炭素の6と幻原子の0の平均で3とする。

これらの構造にベンゼノイド系が縮合ないし結合した共役系では、ベンゼノイド内部の共役を重視し、非ベンゼノイド系との相互作用（共役）は無視する。

例えば、インデニルアニオンやインドリルアニオンでは電荷は 1,3位に非局在化すると見なす。またフルオレニルアニオンでは9位に、トリフェニルメチル基では中心炭素に、それぞれ電荷が局在化していると見なす。

3　Hierarchical Digraph

順位法則を用いる時には、不斉中心から近い順に原子の優先性を比較する必要がある。そのために構造式を変形して、不斉中心から枝分かれするように描いた図を作るとわかりやすいだろう。これをHierarchical Digraphという。

非環式化合物では、構造式に（多重結合による）重複原子と幻原子（oで表すことにする）を添え、また、不斉中心からの方向を表す矢印を示すことで作られる（下図の(b)を見よ）。
Hierarchical Digraphは、複雑な化合物では(c)のように単純化してよい。単純化する場合は、関係のない水素原子（例ではC-3上の水素を除いた残り）と幻原子を省略し、炭素原子を番号で置きかえる。
なお、Prelogらの論文中では(c)のような表記が用いられているが、以下の例示では幻原子の有無を明確にするため、(d)のように水素原子を省略せずにHierarchical Digraphを描くことにする。

環式化合物の構造式をHierarchical Digraphに変換するには、すべての環を開いて非環式構造にする必要がある。

不斉中心が環上にある場合は、その中心原子からの環内結合のそれぞれの結合について、その結合以外の環内結合を切断することによって非環式の枝とする。それぞれの枝の先端には不斉中心の原子が重複して存在すると見なす（多重結合による原子の重複と同様である。必要なら重複原子上には原子番号0の幻原子 o が乗っていると考えられる）。

不斉中心が側鎖にある場合は、中心からたどっていって、最初に出会った環原子のところで環を開く。

二環式骨格の2つの環に共有される四級原子から環を開くときは、3本の環結合に対し、それぞれの結合以外の結合2本を切断し、すべての枝の末端に重複原子を付ける。

環式化合物では、Hierarchical Digraphが不斉中心ごとに異なる場合がある。つまり、環の2ヶ所に不斉中心があれば、Hierarchical Digraphはそれぞれの位置から環を開いて作るから、同じにならない。

1966年と1982年で立体化学の表示が異なる場合

Hierarchical Digraphの手法は1982年の論文で取り入れられたので、それ以前には当然考慮されなかった。そのため環式化合物の中には、それを考慮するか否かでR-S の表記が変わることがある。

例えば次のベンジル=グリシジル=エーテル (a) の場合、側鎖と3位方向の枝とを比較すると、1966年では(b)のように3位方向が -CH₂-O-C(C,C,H)となるので側鎖-CH₂-O-C(C,H,H) より優位となりRとなる。一方、1982年では(c)のように3位方向が-CH₂-O-C(o,o,o) となるので、逆に側鎖の方が優位となりSと決まる。

(S)-[(Phenylmethoxy)methyl]oxirane [CAS 13th]
(S)-[(フェニルメトキシ)メチル]オキシラン

(R)-[(Phenylmethoxy)methyl]oxirane [CAS 10th]
(R)-[(フェニルメトキシ)メチル]オキシラン

(R)-Benzyloxymethyl-oxirane [Beilstein 5th]
(R)-ベンジルオキシメチル-オキシラン

※IUPACでは1993年のGuideで1966年と1982年の両方の論文を参照するよう示しているが、このような問題については言及していないので実例を確かめることができなかった。しかしこれから命名するなら新しい方法を使うのがよいであろう。それでも古い文献の記載が書き換わるわけではない。両方の方法を意識した方がよいだろう。
このような現象は他の場合でも起こりうるのであって、例えば同じ原子に結合した大きさの異なる無置換シクロアルキル基（シクロプロピル基とシクロヘキシル基など）は、1966年法では小さいほうが、1982年法では大きいほうが、それぞれ優位となるはずである。

参考文献

1. R. S. Cahn, C. K. Ingold, and V. Prelog, Specification of Molecular Chirality. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 5, 385-415 (1966) [errata: 5, 511(1966)].
2. V. Prelog and G. Helmchen, Basic Principles of the CIP-System and Proposals for a Revision. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 21, 567-583 (1982).
3. IUPAC Commission on Nomenclature of Organic Chemistry. Nomenclature of Organic Chemistry, Section E: Stereochemistry (IUPAC Recommendations 1974). Pure Appl. Chem. 45, 11-30 (1976).
4. IUPAC, A Guide to IUPAC Nomenclature of Organic Compounds, Recommendations 1993. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1993). R-7 Stereochemical Specification.
5. CAS. Chemical Abstracts, Index Guide, 1992. Appendix IV, ¶203.

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