IChO 1989 · Theory problem 5

Isomeric cyclobutanedicarboxylic acids

Download PDFIChO 1989

Carboxylic acids are a chemically and biologically important class of organic compounds.

5.1 Draw the constitutional (structural) formulae of all isomeric cyclobutanedicarboxylic acids and give the systematic names for these compounds.

5.2 There are three stereoisomers, I,II and III, of cyclobutane-1,2-dicarboxylic acid. Draw perspective or stereo formulas of I, II and III indicating the relative configuration of each molecule.

5.3 Which pairs of stereoisomers I, II and III are diastereoisomers and which are enantiomers of each other?

5.4 Which reaction can be used to determine the relative configuration of diastereoisomers?

5.5 How may the enantiomers of cyclobutane-1,2-dicarboxylic acid be separated?

5.6 Indicate the absolute configurations of each asymmetric centre on the structures of the stereoisomers I, II and III using the Cahn-Ingold-Prelog rules (\(R,S\) system).

Official English text of the problem.

Answers

The statement does not assign particular structures to I–III; the following assignments are used throughout.

5.1 The three constitutional isomers are:
Cyclobutane-1,1-dicarboxylic acid: O=C(O)C1(C(=O)O)CCC1
Cyclobutane-1,2-dicarboxylic acid: O=C(O)C1C(C(=O)O)CC1
Cyclobutane-1,3-dicarboxylic acid: O=C(O)C1CC(C(=O)O)C1
5.2 The three stereoisomers of cyclobutane-1,2-dicarboxylic acid are:
I: cis, meso, \((1R,2S)\); O=C(O)[C@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
II: trans, \((1R,2R)\); O=C(O)[C@H]1[C@H](C(=O)O)CC1
III: trans, \((1S,2S)\); O=C(O)[C@@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
5.3 II and III are enantiomers. I and II, and I and III, are diastereoisomers.
5.4 Use intramolecular dehydration to a cyclic anhydride. I readily forms cis-cyclobutane-1,2-dicarboxylic anhydride, O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12. II and III cannot form this anhydride while retaining their configurations.
5.5 Form diastereomeric salts with a suitable enantiopure base, such as \((S)\)-1-phenylethan-1-amine, C[C@H](N)c1ccccc1. Separate the salts by fractional crystallization, then acidify each fraction to recover the individual acid enantiomers.
5.6 I: \(1R,2S\), equivalently \(1S,2R\); II: \(1R,2R\); III: \(1S,2S\).

Solution

5.1 — Constitutional isomers

Fix one carboxyl group at carbon 1 of a cyclobutane ring. The second carboxyl group can occupy:

The same carbon: cyclobutane-1,1-dicarboxylic acid.
An adjacent carbon: cyclobutane-1,2-dicarboxylic acid.
The opposite carbon: cyclobutane-1,3-dicarboxylic acid.

Position 4 is equivalent to position 2 by reversing the ring numbering, so it gives no additional constitutional isomer.

To draw the structures, draw a square representing the four-carbon ring and attach two \(\ce{-C(=O)OH}\) groups to one vertex, two adjacent vertices, or two opposite vertices, respectively. The connectivity SMILES are given in the answers. All three have molecular formula \(\ce{C6H8O4}\).

5.2 — Stereoisomers and their drawings

Use a square projection with C1 at the upper left, C2 at the upper right, C3 at the lower right, and C4 at the lower left. Draw the carboxyl bonds outward: towards the upper left from C1 and towards the upper right from C2.

A solid wedge points towards the reader; a hashed wedge points away. Draw the hydrogen at each stereocentre with the opposite wedge type to its carboxyl group.

Isomer	Carboxyl bond at C1	Carboxyl bond at C2	Relative configuration
I	Solid wedge	Solid wedge	cis: both groups on the same face
II	Solid wedge	Hashed wedge	trans: groups on opposite faces
III	Hashed wedge	Solid wedge	trans: groups on opposite faces

These descriptions correspond to the stereochemical SMILES in the answers. The actual cyclobutane ring can pucker; the square projection specifies the configurations without specifying a particular puckered conformation.

There are two stereogenic centres, giving the candidate assignments \[ (R,R),\quad(S,S),\quad(R,S),\quad(S,R). \]

The two centres occupy symmetry-equivalent positions. Consequently, the cis assignments \((R,S)\) and \((S,R)\) describe the same meso compound, I. Drawing both carboxyl groups as hashed wedges therefore gives another representation of I.

The trans assignments \((R,R)\) and \((S,S)\) describe two distinct, chiral compounds, II and III. Thus there are three configurational stereoisomers.

5.3 — Stereochemical relationships

Reflection reverses both stereocentres: \[ (1R,2R)\longleftrightarrow(1S,2S). \] Therefore, II and III are nonsuperimposable mirror images: enantiomers.

I has cis substitution, whereas II and III have trans substitution. I is not the mirror image of either trans form. Therefore:

I/II: diastereoisomers.
I/III: diastereoisomers.

5.4 — Determining the relative configuration chemically

Use cyclic anhydride formation under dehydrating conditions that preserve the stereocentres.

In cis acid I, the two carboxyl groups lie on the same face and can undergo intramolecular dehydration. The resulting five-membered anhydride ring contains the two adjacent cyclobutane carbons, the two carbonyl carbons, and the bridging oxygen.

The product is cis-cyclobutane-1,2-dicarboxylic anhydride, also named cis-3-oxabicyclo[3.2.0]heptane-2,4-dione, with SMILES O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12.

The balanced dehydration equation is \[ \ce{C6H8O4 ->[\Delta] C6H6O3 + H2O}. \] The eliminated molecule is water, O.

The trans acids have their carboxyl groups on opposite faces. They cannot undergo the corresponding direct closure to this cis-fused anhydride while preserving both stereocentres. Thus ready cyclic anhydride formation distinguishes cis I from trans II and III. Conditions that cause epimerization must be avoided, since anhydride formation after epimerization would not establish the starting configuration.

5.5 — Separating the enantiomers

II and III have identical physical properties in an achiral environment, including solubility in an achiral solvent. To resolve them, introduce an enantiopure reagent that converts them into diastereomeric salts.

For example, use \((S)\)-1-phenylethan-1-amine, C[C@H](N)c1ccccc1, as the resolving base. With two equivalents of base per equivalent of dicarboxylic acid, the balanced proton-transfer equation, applicable to either acid enantiomer, is \[ \ce{C6H8O4 + 2C8H11N <=> C6H6O4^2- + 2C8H12N+}. \]

The salt components are:

Ion	Stereochemical SMILES
\((S)\)-1-Phenylethylammonium ion	`C[C@H]([NH3+])c1ccccc1`
\((1R,2R)\)-Cyclobutane-1,2-dicarboxylate	`O=C([O-])[C@H]1[C@H](C(=O)[O-])CC1`
\((1S,2S)\)-Cyclobutane-1,2-dicarboxylate	`O=C([O-])[C@@H]1[C@@H](C(=O)[O-])CC1`

Each salt contains two resolving-base cations and one acid dianion. The two salts are diastereomeric because the base configuration remains fixed while both acid stereocentres are reversed.

Choose a solvent in which the salts have sufficiently different solubilities and separate them by fractional crystallization. Acidify each purified salt separately to regenerate its corresponding acid enantiomer. Using hydronium ion, [OH3+], the balanced net ionic equation is \[ \ce{C6H6O4^2- + 2H3O+ -> C6H8O4 + 2H2O}. \]

This recovers II and III separately without changing their stereocentres.

5.6 — Absolute configurations by the CIP rules

At either stereocentre, the directly attached atoms are three carbons and one hydrogen. Hydrogen therefore has the lowest priority. Compare the atoms attached to each competing carbon, treating a double bond by the CIP duplicate-atom convention:

Attached group or ring direction	Atoms compared at the next level	Priority
Carboxyl carbon	\((\mathrm{O},\mathrm{O},\mathrm{O})\)	1
Ring path through the other substituted carbon	\((\mathrm{C},\mathrm{C},\mathrm{H})\)	2
Ring path through the neighbouring methylene carbon	\((\mathrm{C},\mathrm{H},\mathrm{H})\)	3
Hydrogen	—	4

Thus the priorities are:

At C1: \(\ce{-COOH}\) \(>\) path through C2 \(>\) path through C4 \(>\) H.
At C2: \(\ce{-COOH}\) \(>\) path through C1 \(>\) path through C3 \(>\) H.

With priority 4 directed away, a clockwise \(1\to2\to3\) sequence is \(R\), and an anticlockwise sequence is \(S\). If priority 4 points towards the reader, reverse the assignment.

Applying this to the drawings specified in 5.2:

Isomer	C1	C2	Complete assignment
I	\(R\)	\(S\)	cis-\((1R,2S)\), meso
II	\(R\)	\(R\)	trans-\((1R,2R)\)
III	\(S\)	\(S\)	trans-\((1S,2S)\)

The solution was checked against the official solution.

IChO 1989 · Theorieaufgabe 5

Isomere Cyclobutandicarbonsäuren

PDF herunterladenIChO 1989

Carbonsäuren sind eine chemisch und biologisch wichtige Klasse organischer Verbindungen.

5.1 Zeichnen Sie die Konstitutionsformeln (Strukturformeln) aller isomeren Cyclobutandicarbonsäuren und geben Sie die systematischen Namen dieser Verbindungen an.

5.2 Es gibt drei Stereoisomere, I, II und III, der Cyclobutan-1,2-dicarbonsäure. Zeichnen Sie perspektivische Formeln oder Stereoformeln von I, II und III, aus denen die relative Konfiguration jedes Moleküls hervorgeht.

5.3 Welche Paare der Stereoisomere I, II und III sind Diastereomere und welche sind Enantiomere voneinander?

5.4 Mit welcher Reaktion lässt sich die relative Konfiguration von Diastereomeren bestimmen?

5.5 Wie lassen sich die Enantiomere der Cyclobutan-1,2-dicarbonsäure trennen?

5.6 Geben Sie an den Strukturen der Stereoisomere I, II und III die absolute Konfiguration jedes asymmetrischen Zentrums mithilfe der Cahn-Ingold-Prelog-Regeln (\(R,S\)-System) an.

Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.

Antworten

Die Aufgabenstellung ordnet I–III keine bestimmten Strukturen zu; im Folgenden werden durchgehend die nachstehenden Zuordnungen verwendet.

5.1 Die drei Konstitutionsisomere sind:
Cyclobutan-1,1-dicarbonsäure: O=C(O)C1(C(=O)O)CCC1
Cyclobutan-1,2-dicarbonsäure: O=C(O)C1C(C(=O)O)CC1
Cyclobutan-1,3-dicarbonsäure: O=C(O)C1CC(C(=O)O)C1
5.2 Die drei Stereoisomere der Cyclobutan-1,2-dicarbonsäure sind:
I: cis, meso, \((1R,2S)\); O=C(O)[C@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
II: trans, \((1R,2R)\); O=C(O)[C@H]1[C@H](C(=O)O)CC1
III: trans, \((1S,2S)\); O=C(O)[C@@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
5.3 II und III sind Enantiomere. I und II sowie I und III sind Diastereomere.
5.4 Man nutzt die intramolekulare Wasserabspaltung zu einem cyclischen Anhydrid. I bildet leicht cis-Cyclobutan-1,2-dicarbonsäureanhydrid, O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12. II und III können dieses Anhydrid unter Beibehaltung ihrer Konfigurationen nicht bilden.
5.5 Man bildet diastereomere Salze mit einer geeigneten enantiomerenreinen Base, beispielsweise \((S)\)-1-Phenylethan-1-amin, C[C@H](N)c1ccccc1. Die Salze werden durch fraktionierte Kristallisation getrennt; anschließend wird jede Fraktion angesäuert, um die einzelnen Säureenantiomere zurückzugewinnen.
5.6 I: \(1R,2S\), gleichbedeutend mit \(1S,2R\); II: \(1R,2R\); III: \(1S,2S\).

Lösung

5.1 — Konstitutionsisomere

Man legt eine Carboxylgruppe am Kohlenstoffatom 1 eines Cyclobutanrings fest. Die zweite Carboxylgruppe kann sich an folgenden Positionen befinden:

Am selben Kohlenstoffatom: Cyclobutan-1,1-dicarbonsäure.
An einem benachbarten Kohlenstoffatom: Cyclobutan-1,2-dicarbonsäure.
Am gegenüberliegenden Kohlenstoffatom: Cyclobutan-1,3-dicarbonsäure.

Position 4 ist bei Umkehrung der Ringnummerierung zu Position 2 äquivalent und ergibt daher kein zusätzliches Konstitutionsisomer.

Zum Zeichnen der Strukturen zeichnet man ein Quadrat, das den Ring aus vier Kohlenstoffatomen darstellt, und fügt zwei \(\ce{-C(=O)OH}\)-Gruppen an einer Ecke, an zwei benachbarten Ecken beziehungsweise an zwei gegenüberliegenden Ecken an. Die SMILES zur Darstellung der Konnektivität sind in den Antworten angegeben. Alle drei haben die Summenformel \(\ce{C6H8O4}\).

5.2 — Stereoisomere und ihre Zeichnungen

Man verwendet eine quadratische Projektion mit C1 oben links, C2 oben rechts, C3 unten rechts und C4 unten links. Die Bindungen zu den Carboxylgruppen werden nach außen gezeichnet: von C1 aus nach oben links und von C2 aus nach oben rechts.

Ein ausgefüllter Keil weist zum Betrachter hin; ein gestrichelter Keil weist von ihm weg. Der Wasserstoff wird an jedem Stereozentrum mit dem jeweils entgegengesetzten Keiltyp zur Carboxylgruppe gezeichnet.

Isomer	Bindung zur Carboxylgruppe an C1	Bindung zur Carboxylgruppe an C2	Relative Konfiguration
I	Ausgefüllter Keil	Ausgefüllter Keil	cis: beide Gruppen auf derselben Seite
II	Ausgefüllter Keil	Gestrichelter Keil	trans: Gruppen auf entgegengesetzten Seiten
III	Gestrichelter Keil	Ausgefüllter Keil	trans: Gruppen auf entgegengesetzten Seiten

Diese Beschreibungen entsprechen den stereochemischen SMILES in den Antworten. Der tatsächliche Cyclobutanring kann eine gefaltete Form annehmen; die quadratische Projektion legt die Konfigurationen fest, ohne eine bestimmte gefaltete Konformation vorzugeben.

Es gibt zwei stereogene Zentren, woraus sich die folgenden möglichen Zuordnungen ergeben: \[ (R,R),\quad(S,S),\quad(R,S),\quad(S,R). \]

Die beiden Zentren nehmen symmetrieäquivalente Positionen ein. Daher beschreiben die cis-Zuordnungen \((R,S)\) und \((S,R)\) dieselbe meso-Verbindung, I. Zeichnet man beide Carboxylgruppen mit gestrichelten Keilen, erhält man somit eine weitere Darstellung von I.

Die trans-Zuordnungen \((R,R)\) und \((S,S)\) beschreiben zwei verschiedene chirale Verbindungen, II und III. Es gibt somit drei Konfigurationsisomere.

5.3 — Stereochemische Beziehungen

Durch Spiegelung werden beide Stereozentren invertiert: \[ (1R,2R)\longleftrightarrow(1S,2S). \] Daher sind II und III nicht zur Deckung zu bringende Spiegelbilder: Enantiomere.

I ist cis-substituiert, während II und III trans-substituiert sind. I ist von keiner der beiden trans-Formen das Spiegelbild. Daher gilt:

I/II: Diastereomere.
I/III: Diastereomere.

5.4 — Chemische Bestimmung der relativen Konfiguration

Man nutzt die Bildung eines cyclischen Anhydrids unter wasserabspaltenden Bedingungen, bei denen die Stereozentren erhalten bleiben.

In der cis-Säure I liegen die beiden Carboxylgruppen auf derselben Seite und können unter intramolekularer Wasserabspaltung reagieren. Der entstehende fünfgliedrige Anhydridring enthält die beiden benachbarten Kohlenstoffatome des Cyclobutanrings, die beiden Carbonylkohlenstoffatome und das verbrückende Sauerstoffatom.

Das Produkt ist cis-Cyclobutan-1,2-dicarbonsäureanhydrid, auch cis-3-Oxabicyclo[3.2.0]heptan-2,4-dion genannt, mit dem SMILES O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12.

Die ausgeglichene Reaktionsgleichung der Wasserabspaltung lautet \[ \ce{C6H8O4 ->[\Delta] C6H6O3 + H2O}. \] Das abgespaltene Molekül ist Wasser, O.

Bei den trans-Säuren befinden sich die Carboxylgruppen auf entgegengesetzten Seiten. Der entsprechende direkte Ringschluss zu diesem cis-anellierten Anhydrid ist unter Erhaltung beider Stereozentren nicht möglich. Somit unterscheidet die leichte Bildung eines cyclischen Anhydrids cis-I von trans-II und -III. Bedingungen, die eine Epimerisierung verursachen, müssen vermieden werden, da eine Anhydridbildung nach einer Epimerisierung keinen Nachweis der ursprünglichen Konfiguration liefern würde.

5.5 — Trennung der Enantiomere

II und III haben in einer achiralen Umgebung identische physikalische Eigenschaften, einschließlich der Löslichkeit in einem achiralen Lösungsmittel. Zu ihrer Trennung setzt man ein enantiomerenreines Reagenz ein, das sie in diastereomere Salze überführt.

Beispielsweise verwendet man \((S)\)-1-Phenylethan-1-amin, C[C@H](N)c1ccccc1, als Base zur Racematspaltung. Mit zwei Äquivalenten Base pro Äquivalent Dicarbonsäure lautet die ausgeglichene Gleichung der Protonenübertragung, die für jedes der beiden Säureenantiomere gilt, \[ \ce{C6H8O4 + 2C8H11N <=> C6H6O4^2- + 2C8H12N+}. \]

Die Bestandteile der Salze sind:

Ion	Stereochemischer SMILES
\((S)\)-1-Phenylethylammonium-Ion	`C[C@H]([NH3+])c1ccccc1`
\((1R,2R)\)-Cyclobutan-1,2-dicarboxylat	`O=C([O-])[C@H]1[C@H](C(=O)[O-])CC1`
\((1S,2S)\)-Cyclobutan-1,2-dicarboxylat	`O=C([O-])[C@@H]1[C@@H](C(=O)[O-])CC1`

Jedes Salz enthält zwei Kationen der zur Racematspaltung verwendeten Base und ein Säuredianion. Die beiden Salze sind diastereomer, da die Konfiguration der Base unverändert bleibt, während beide Stereozentren der Säure invertiert sind.

Man wählt ein Lösungsmittel, in dem sich die Löslichkeiten der Salze hinreichend unterscheiden, und trennt sie durch fraktionierte Kristallisation. Jedes gereinigte Salz wird getrennt angesäuert, um das entsprechende Säureenantiomer zurückzugewinnen. Unter Verwendung des Oxonium-Ions, [OH3+], lautet die ausgeglichene Netto-Ionengleichung \[ \ce{C6H6O4^2- + 2H3O+ -> C6H8O4 + 2H2O}. \]

Dadurch werden II und III getrennt zurückgewonnen, ohne ihre Stereozentren zu verändern.

5.6 — Absolute Konfigurationen nach den CIP-Regeln

An jedem der beiden Stereozentren sind die direkt gebundenen Atome drei Kohlenstoffatome und ein Wasserstoffatom. Wasserstoff hat daher die niedrigste Priorität. Man vergleicht die an die jeweiligen konkurrierenden Kohlenstoffatome gebundenen Atome und behandelt dabei eine Doppelbindung gemäß der CIP-Konvention für Duplikatatome:

Gebundene Gruppe oder Richtung entlang des Rings	Auf der nächsten Ebene verglichene Atome	Priorität
Carboxylkohlenstoffatom	\((\mathrm{O},\mathrm{O},\mathrm{O})\)	1
Ringweg über das andere substituierte Kohlenstoffatom	\((\mathrm{C},\mathrm{C},\mathrm{H})\)	2
Ringweg über das benachbarte Methylenkohlenstoffatom	\((\mathrm{C},\mathrm{H},\mathrm{H})\)	3
Wasserstoff	—	4

Somit ergeben sich folgende Prioritäten:

An C1: \(\ce{-COOH}\) \(>\) Weg über C2 \(>\) Weg über C4 \(>\) H.
An C2: \(\ce{-COOH}\) \(>\) Weg über C1 \(>\) Weg über C3 \(>\) H.

Wenn die Gruppe mit Priorität 4 vom Betrachter weggerichtet ist, entspricht eine Folge \(1\to2\to3\) im Uhrzeigersinn der Konfiguration \(R\) und eine Folge gegen den Uhrzeigersinn der Konfiguration \(S\). Weist die Gruppe mit Priorität 4 zum Betrachter hin, kehrt man die Zuordnung um.

Die Anwendung auf die in 5.2 angegebenen Zeichnungen ergibt:

Isomer	C1	C2	Vollständige Zuordnung
I	\(R\)	\(S\)	cis-\((1R,2S)\), meso
II	\(R\)	\(R\)	trans-\((1R,2R)\)
III	\(S\)	\(S\)	trans-\((1S,2S)\)

Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.

IChO 1989 · Teori sorusu 5

İzomerik siklobütandikarboksilik asitler

PDF indirIChO 1989

Karboksilik asitler, kimyasal ve biyolojik açıdan önemli bir organik bileşik sınıfıdır.

5.1 Tüm izomerik siklobütandikarboksilik asitlerin yapı (konstitüsyon) formüllerini çiziniz ve bu bileşiklerin sistematik adlarını veriniz.

5.2 Siklobütan-1,2-dikarboksilik asidin I, II ve III olmak üzere üç stereoizomeri vardır. Her molekülün bağıl konfigürasyonunu göstererek I, II ve III'ün perspektif veya stereo formüllerini çiziniz.

5.3 I, II ve III stereoizomerlerinin hangi çiftleri birbirlerinin diastereoizomerleri, hangileri enantiyomerleridir?

5.4 Diastereoizomerlerin bağıl konfigürasyonunu belirlemek için hangi tepkime kullanılabilir?

5.5 Siklobütan-1,2-dikarboksilik asidin enantiyomerleri nasıl ayrılabilir?

5.6 Cahn-Ingold-Prelog kurallarını (\(R,S\) sistemi) kullanarak I, II ve III stereoizomerlerinin yapıları üzerinde her asimetrik merkezin mutlak konfigürasyonunu belirtiniz.

Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.

Cevaplar

Soru metninde I–III için belirli yapılar atanmamıştır; metnin tamamında aşağıdaki atamalar kullanılmıştır.

5.1 Üç yapı izomeri şunlardır:
Siklobütan-1,1-dikarboksilik asit: O=C(O)C1(C(=O)O)CCC1
Siklobütan-1,2-dikarboksilik asit: O=C(O)C1C(C(=O)O)CC1
Siklobütan-1,3-dikarboksilik asit: O=C(O)C1CC(C(=O)O)C1
5.2 Siklobütan-1,2-dikarboksilik asidin üç stereoizomeri şunlardır:
I: cis, mezo, \((1R,2S)\); O=C(O)[C@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
II: trans, \((1R,2R)\); O=C(O)[C@H]1[C@H](C(=O)O)CC1
III: trans, \((1S,2S)\); O=C(O)[C@@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
5.3 II ve III enantiyomerdir. I ve II ile I ve III diastereoizomerdir.
5.4 Halkalı anhidrit oluşumuyla sonuçlanan molekül içi dehidrasyon kullanılır. I, kolayca cis-siklobütan-1,2-dikarboksilik anhidrit, O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12, oluşturur. II ve III, konfigürasyonlarını koruyarak bu anhidriti oluşturamaz.
5.5 \((S)\)-1-feniletan-1-amin, C[C@H](N)c1ccccc1, gibi uygun, enantiyomerik olarak saf bir bazla diastereomerik tuzlar oluşturulur. Tuzlar ayrımsal kristallendirmeyle ayrılır, ardından her bir fraksiyon asitlendirilerek asit enantiyomerleri ayrı ayrı geri elde edilir.
5.6 I: \(1R,2S\), eşdeğer olarak \(1S,2R\); II: \(1R,2R\); III: \(1S,2S\).

Çözüm

5.1 — Yapı izomerleri

Bir karboksil grubunu siklobütan halkasının 1 numaralı karbonuna yerleştirelim. İkinci karboksil grubu şu konumlarda bulunabilir:

Aynı karbonda: siklobütan-1,1-dikarboksilik asit.
Komşu bir karbonda: siklobütan-1,2-dikarboksilik asit.
Karşı karbonda: siklobütan-1,3-dikarboksilik asit.

Halka numaralandırmasının yönü ters çevrildiğinde 4 konumu 2 konumuna eşdeğerdir; dolayısıyla ek bir yapı izomeri vermez.

Yapıları çizmek için dört karbonlu halkayı temsil eden bir kare çizip iki \(\ce{-C(=O)OH}\) grubunu sırasıyla tek bir köşeye, iki komşu köşeye veya karşılıklı iki köşeye bağlayınız. Atomların bağlanma düzenini gösteren SMILES gösterimleri cevaplarda verilmiştir. Üçünün de molekül formülü \(\ce{C6H8O4}\)'tür.

5.2 — Stereoizomerler ve çizimleri

C1 sol üstte, C2 sağ üstte, C3 sağ altta ve C4 sol altta olacak şekilde bir kare izdüşümü kullanınız. Karboksil bağlarını dışa doğru çiziniz: C1'den sol üste, C2'den sağ üste doğru.

Dolu kama okuyucuya doğru, kesik çizgili kama ise okuyucudan uzağa yönelir. Her stereomerkezdeki hidrojeni, karboksil grubununkine zıt kama türüyle çiziniz.

İzomer	C1'deki karboksil bağı	C2'deki karboksil bağı	Bağıl konfigürasyon
I	Dolu kama	Dolu kama	cis: iki grup aynı yüzde
II	Dolu kama	Kesik çizgili kama	trans: gruplar zıt yüzlerde
III	Kesik çizgili kama	Dolu kama	trans: gruplar zıt yüzlerde

Bu betimlemeler, cevaplardaki stereokimyasal SMILES gösterimlerine karşılık gelir. Gerçek siklobütan halkası bükülebilir; kare izdüşümü, belirli bir bükülmüş konformasyon tanımlamadan konfigürasyonları belirtir.

İki stereojenik merkez vardır ve bunlar şu olası atamaları verir: \[ (R,R),\quad(S,S),\quad(R,S),\quad(S,R). \]

İki merkez, simetri bakımından eşdeğer konumlarda bulunur. Bu nedenle cis atamaları \((R,S)\) ve \((S,R)\), aynı mezo bileşik olan I'i tanımlar. Dolayısıyla her iki karboksil grubunu kesik çizgili kama olarak çizmek, I'in başka bir gösterimini verir.

Trans atamaları \((R,R)\) ve \((S,S)\), birbirinden farklı iki kiral bileşik olan II ve III'ü tanımlar. Böylece üç konfigürasyonel stereoizomer vardır.

5.3 — Stereokimyasal ilişkiler

Ayna yansıması her iki stereomerkezin konfigürasyonunu tersine çevirir: \[ (1R,2R)\longleftrightarrow(1S,2S). \] Bu nedenle II ve III, birbiriyle çakıştırılamayan ayna görüntüleridir: enantiyomerlerdir.

I'de sübstitüsyon cis, II ve III'te ise trans biçimindedir. I, trans biçimlerin hiçbirinin ayna görüntüsü değildir. Dolayısıyla:

I/II: diastereoizomerler.
I/III: diastereoizomerler.

5.4 — Bağıl konfigürasyonun kimyasal yolla belirlenmesi

Stereomerkezleri koruyan dehidrasyon koşullarında halkalı anhidrit oluşumu kullanılır.

Cis asit I'de iki karboksil grubu aynı yüzde bulunur ve molekül içi dehidrasyona uğrayabilir. Oluşan beş üyeli anhidrit halkası, siklobütanın iki komşu karbonunu, iki karbonil karbonunu ve köprü oluşturan oksijeni içerir.

Ürün cis-siklobütan-1,2-dikarboksilik anhidrit olup cis-3-oksabisiklo[3.2.0]heptan-2,4-dion olarak da adlandırılır ve SMILES gösterimi O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12 şeklindedir.

Denkleştirilmiş dehidrasyon denklemi şöyledir: \[ \ce{C6H8O4 ->[\Delta] C6H6O3 + H2O}. \] Ayrılan molekül su, O, molekülüdür.

Trans asitlerde karboksil grupları zıt yüzlerde bulunur. Her iki stereomerkezi koruyarak bu cis-kaynaşık anhidriti verecek doğrudan halka kapanmasına uğrayamazlar. Dolayısıyla kolayca halkalı anhidrit oluşması, cis I'i trans II ve III'ten ayırt eder. Epimerizasyona yol açan koşullardan kaçınılmalıdır; çünkü epimerizasyondan sonra anhidrit oluşması, başlangıç konfigürasyonunu belirlemeye olanak vermez.

5.5 — Enantiyomerlerin ayrılması

II ve III, akiral bir çözücüdeki çözünürlükleri de dahil olmak üzere, akiral bir ortamda aynı fiziksel özelliklere sahiptir. Bunları ayırmak için onları diastereomerik tuzlara dönüştüren, enantiyomerik olarak saf bir reaktif eklenir.

Örneğin, ayırıcı baz olarak \((S)\)-1-feniletan-1-amin, C[C@H](N)c1ccccc1, kullanılır. Her bir eşdeğer dikarboksilik asit başına iki eşdeğer baz kullanıldığında, her iki asit enantiyomeri için de geçerli olan denkleştirilmiş proton aktarımı denklemi şöyledir: \[ \ce{C6H8O4 + 2C8H11N <=> C6H6O4^2- + 2C8H12N+}. \]

Tuz bileşenleri şunlardır:

İyon	Stereokimyasal SMILES
\((S)\)-1-Feniletilamonyum iyonu	`C[C@H]([NH3+])c1ccccc1`
\((1R,2R)\)-Siklobütan-1,2-dikarboksilat	`O=C([O-])[C@H]1[C@H](C(=O)[O-])CC1`
\((1S,2S)\)-Siklobütan-1,2-dikarboksilat	`O=C([O-])[C@@H]1[C@@H](C(=O)[O-])CC1`

Her tuz, ayırıcı baza ait iki katyon ve aside ait bir dianyon içerir. Bazın konfigürasyonu sabit kalırken asidin her iki stereomerkezinin konfigürasyonu tersine döndüğünden, iki tuz diastereomeriktir.

Tuzların çözünürlüklerinin yeterince farklı olduğu bir çözücü seçilir ve tuzlar ayrımsal kristallendirmeyle ayrılır. Karşılık gelen asit enantiyomerini yeniden elde etmek için saflaştırılmış her tuz ayrı ayrı asitlendirilir. Hidronyum iyonu, [OH3+], kullanıldığında denkleştirilmiş net iyon denklemi şöyledir: \[ \ce{C6H6O4^2- + 2H3O+ -> C6H8O4 + 2H2O}. \]

Böylece II ve III, stereomerkezleri değiştirilmeden ayrı ayrı geri elde edilir.

5.6 — CIP kurallarına göre mutlak konfigürasyonlar

Her bir stereomerkeze doğrudan bağlı atomlar üç karbon ve bir hidrojendir. Bu nedenle hidrojen en düşük önceliğe sahiptir. Bir çift bağı CIP'nin atomları çoğaltma kuralına göre ele alarak, öncelikleri karşılaştırılan her bir karbona bağlı atomları karşılaştırınız:

Bağlı grup veya halka yönü	Bir sonraki düzeyde karşılaştırılan atomlar	Öncelik
Karboksil karbonu	\((\mathrm{O},\mathrm{O},\mathrm{O})\)	1
Diğer sübstitüe karbondan geçen halka yolu	\((\mathrm{C},\mathrm{C},\mathrm{H})\)	2
Komşu metilen karbonundan geçen halka yolu	\((\mathrm{C},\mathrm{H},\mathrm{H})\)	3
Hidrojen	—	4

Dolayısıyla öncelikler şöyledir:

C1'de: \(\ce{-COOH}\) \(>\) C2 üzerinden giden yol \(>\) C4 üzerinden giden yol \(>\) H.
C2'de: \(\ce{-COOH}\) \(>\) C1 üzerinden giden yol \(>\) C3 üzerinden giden yol \(>\) H.

4 öncelikli grup okuyucudan uzağa yönelmişken, saat yönündeki bir \(1\to2\to3\) sıralaması \(R\), saat yönünün tersindeki sıralama ise \(S\) konfigürasyonunu verir. 4 öncelikli grup okuyucuya doğru yöneliyorsa atamayı tersine çeviriniz.

Bunu 5.2'de belirtilen çizimlere uyguladığımızda:

İzomer	C1	C2	Tam atama
I	\(R\)	\(S\)	cis-\((1R,2S)\), mezo
II	\(R\)	\(R\)	trans-\((1R,2R)\)
III	\(S\)	\(S\)	trans-\((1S,2S)\)

Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.

IChO 1989 · Problema teórico 5

Ácidos ciclobutanodicarboxílicos isómeros

Descargar PDFIChO 1989

Los ácidos carboxílicos son una clase de compuestos orgánicos de importancia química y biológica.

5.1 Dibuje las fórmulas constitucionales (estructurales) de todos los ácidos ciclobutanodicarboxílicos isómeros e indique los nombres sistemáticos de estos compuestos.

5.2 Existen tres estereoisómeros, I, II y III, del ácido ciclobutano-1,2-dicarboxílico. Dibuje las fórmulas en perspectiva o estereoquímicas de I, II y III, indicando la configuración relativa de cada molécula.

5.3 ¿Qué pares de estereoisómeros I, II y III son diastereoisómeros y cuáles son enantiómeros entre sí?

5.4 ¿Qué reacción puede utilizarse para determinar la configuración relativa de los diastereoisómeros?

5.5 ¿Cómo pueden separarse los enantiómeros del ácido ciclobutano-1,2-dicarboxílico?

5.6 Indique las configuraciones absolutas de cada centro asimétrico en las estructuras de los estereoisómeros I, II y III utilizando las reglas de Cahn-Ingold-Prelog (sistema \(R,S\)).

Enunciado traducido del texto oficial en inglés.

Respuestas

El enunciado no asigna estructuras concretas a I–III; se utilizan las siguientes asignaciones en todo el texto.

5.1 Los tres isómeros constitucionales son:
Ácido ciclobutano-1,1-dicarboxílico: O=C(O)C1(C(=O)O)CCC1
Ácido ciclobutano-1,2-dicarboxílico: O=C(O)C1C(C(=O)O)CC1
Ácido ciclobutano-1,3-dicarboxílico: O=C(O)C1CC(C(=O)O)C1
5.2 Los tres estereoisómeros del ácido ciclobutano-1,2-dicarboxílico son:
I: cis, meso, \((1R,2S)\); O=C(O)[C@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
II: trans, \((1R,2R)\); O=C(O)[C@H]1[C@H](C(=O)O)CC1
III: trans, \((1S,2S)\); O=C(O)[C@@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
5.3 II y III son enantiómeros. I y II, e I y III, son diastereoisómeros.
5.4 Utilice la deshidratación intramolecular para formar un anhídrido cíclico. I forma fácilmente el anhídrido cis-ciclobutano-1,2-dicarboxílico, O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12. II y III no pueden formar este anhídrido conservando sus configuraciones.
5.5 Forme sales diastereoisoméricas con una base enantioméricamente pura adecuada, como la \((S)\)-1-feniletan-1-amina, C[C@H](N)c1ccccc1. Separe las sales mediante cristalización fraccionada y, a continuación, acidifique cada fracción para recuperar los enantiómeros individuales del ácido.
5.6 I: \(1R,2S\), equivalentemente \(1S,2R\); II: \(1R,2R\); III: \(1S,2S\).

Solución

5.1 — Isómeros constitucionales

Fije un grupo carboxilo en el carbono 1 de un anillo de ciclobutano. El segundo grupo carboxilo puede ocupar:

El mismo carbono: ácido ciclobutano-1,1-dicarboxílico.
Un carbono adyacente: ácido ciclobutano-1,2-dicarboxílico.
El carbono opuesto: ácido ciclobutano-1,3-dicarboxílico.

La posición 4 es equivalente a la posición 2 al invertir el sentido de numeración del anillo, por lo que no da lugar a ningún isómero constitucional adicional.

Para dibujar las estructuras, dibuje un cuadrado que represente el anillo de cuatro carbonos y una dos grupos \(\ce{-C(=O)OH}\) a un vértice, a dos vértices adyacentes o a dos vértices opuestos, respectivamente. Los SMILES que especifican la conectividad se proporcionan en las respuestas. Los tres tienen la fórmula molecular \(\ce{C6H8O4}\).

5.2 — Estereoisómeros y sus representaciones

Utilice una proyección cuadrada con C1 en la esquina superior izquierda, C2 en la superior derecha, C3 en la inferior derecha y C4 en la inferior izquierda. Dibuje los enlaces a los grupos carboxilo hacia fuera: hacia arriba y a la izquierda desde C1, y hacia arriba y a la derecha desde C2.

Una cuña sólida apunta hacia el lector; una cuña discontinua apunta en sentido opuesto. Dibuje el hidrógeno de cada estereocentro con el tipo de cuña opuesto al de su grupo carboxilo.

Isómero	Enlace al carboxilo en C1	Enlace al carboxilo en C2	Configuración relativa
I	Cuña sólida	Cuña sólida	cis: ambos grupos en la misma cara
II	Cuña sólida	Cuña discontinua	trans: grupos en caras opuestas
III	Cuña discontinua	Cuña sólida	trans: grupos en caras opuestas

Estas descripciones corresponden a los SMILES estereoquímicos de las respuestas. El anillo real de ciclobutano puede plegarse; la proyección cuadrada especifica las configuraciones sin especificar una conformación plegada concreta.

Hay dos centros estereogénicos, lo que da lugar a las posibles asignaciones \[ (R,R),\quad(S,S),\quad(R,S),\quad(S,R). \]

Los dos centros ocupan posiciones equivalentes por simetría. Por consiguiente, las asignaciones cis \((R,S)\) y \((S,R)\) describen el mismo compuesto meso, I. Por tanto, dibujar ambos grupos carboxilo con cuñas discontinuas proporciona otra representación de I.

Las asignaciones trans \((R,R)\) y \((S,S)\) describen dos compuestos quirales distintos, II y III. Por tanto, hay tres estereoisómeros configuracionales.

5.3 — Relaciones estereoquímicas

La reflexión invierte ambos estereocentros: \[ (1R,2R)\longleftrightarrow(1S,2S). \] Por tanto, II y III son imágenes especulares no superponibles: enantiómeros.

I presenta sustitución cis, mientras que II y III presentan sustitución trans. I no es la imagen especular de ninguna de las dos formas trans. Por tanto:

I/II: diastereoisómeros.
I/III: diastereoisómeros.

5.4 — Determinación química de la configuración relativa

Utilice la formación de un anhídrido cíclico en condiciones deshidratantes que preserven los estereocentros.

En el ácido cis I, los dos grupos carboxilo se encuentran en la misma cara y pueden experimentar una deshidratación intramolecular. El anillo de anhídrido de cinco miembros resultante contiene los dos carbonos adyacentes del ciclobutano, los dos carbonos carbonílicos y el oxígeno puente.

El producto es el anhídrido cis-ciclobutano-1,2-dicarboxílico, también denominado cis-3-oxabiciclo[3.2.0]heptano-2,4-diona, cuyo SMILES es O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12.

La ecuación ajustada de deshidratación es \[ \ce{C6H8O4 ->[\Delta] C6H6O3 + H2O}. \] La molécula eliminada es agua, O.

Los ácidos trans tienen sus grupos carboxilo en caras opuestas. No pueden experimentar el correspondiente cierre directo para formar este anhídrido con fusión cis conservando ambos estereocentros. Por tanto, la facilidad de formación del anhídrido cíclico permite distinguir I cis de II y III trans. Deben evitarse las condiciones que provoquen epimerización, ya que la formación del anhídrido tras una epimerización no permitiría establecer la configuración inicial.

5.5 — Separación de los enantiómeros

II y III tienen propiedades físicas idénticas en un entorno aquiral, incluida la solubilidad en un disolvente aquiral. Para resolverlos, introduzca un reactivo enantioméricamente puro que los convierta en sales diastereoisoméricas.

Por ejemplo, utilice \((S)\)-1-feniletan-1-amina, C[C@H](N)c1ccccc1, como base de resolución. Con dos equivalentes de base por equivalente de ácido dicarboxílico, la ecuación ajustada de transferencia de protones, aplicable a cualquiera de los dos enantiómeros del ácido, es \[ \ce{C6H8O4 + 2C8H11N <=> C6H6O4^2- + 2C8H12N+}. \]

Los componentes de las sales son:

Ion	SMILES estereoquímico
Ion \((S)\)-1-feniletilamonio	`C[C@H]([NH3+])c1ccccc1`
\((1R,2R)\)-ciclobutano-1,2-dicarboxilato	`O=C([O-])[C@H]1[C@H](C(=O)[O-])CC1`
\((1S,2S)\)-ciclobutano-1,2-dicarboxilato	`O=C([O-])[C@@H]1[C@@H](C(=O)[O-])CC1`

Cada sal contiene dos cationes de la base de resolución y un dianión del ácido. Las dos sales son diastereoisoméricas porque la configuración de la base permanece fija mientras se invierten ambos estereocentros del ácido.

Elija un disolvente en el que las sales tengan solubilidades suficientemente distintas y sepárelas mediante cristalización fraccionada. Acidifique cada sal purificada por separado para regenerar su enantiómero del ácido correspondiente. Utilizando el ion hidronio, [OH3+], la ecuación iónica neta ajustada es \[ \ce{C6H6O4^2- + 2H3O+ -> C6H8O4 + 2H2O}. \]

Así se recuperan II y III por separado sin modificar sus estereocentros.

5.6 — Configuraciones absolutas según las reglas CIP

En cada estereocentro, los átomos directamente unidos son tres carbonos y un hidrógeno. Por tanto, el hidrógeno tiene la prioridad más baja. Compare los átomos unidos a cada uno de los carbonos cuya prioridad se está determinando, tratando los enlaces dobles según la convención CIP de átomos duplicados:

Grupo unido o dirección del recorrido del anillo	Átomos comparados en el siguiente nivel	Prioridad
Carbono del carboxilo	\((\mathrm{O},\mathrm{O},\mathrm{O})\)	1
Recorrido del anillo a través del otro carbono sustituido	\((\mathrm{C},\mathrm{C},\mathrm{H})\)	2
Recorrido del anillo a través del carbono metilénico vecino	\((\mathrm{C},\mathrm{H},\mathrm{H})\)	3
Hidrógeno	—	4

Por tanto, las prioridades son:

En C1: \(\ce{-COOH}\) \(>\) recorrido a través de C2 \(>\) recorrido a través de C4 \(>\) H.
En C2: \(\ce{-COOH}\) \(>\) recorrido a través de C1 \(>\) recorrido a través de C3 \(>\) H.

Con el grupo de prioridad 4 orientado en sentido opuesto al lector, una secuencia \(1\to2\to3\) en sentido horario corresponde a \(R\), y una secuencia en sentido antihorario corresponde a \(S\). Si el grupo de prioridad 4 apunta hacia el lector, invierta la asignación.

Al aplicar esto a las representaciones especificadas en 5.2:

Isómero	C1	C2	Asignación completa
I	\(R\)	\(S\)	cis-\((1R,2S)\), meso
II	\(R\)	\(R\)	trans-\((1R,2R)\)
III	\(S\)	\(S\)	trans-\((1S,2S)\)

La solución se comprobó con la solución oficial.

IChO 1989 · 理论题 5

环丁烷二羧酸的异构体

下载 PDFIChO 1989

羧酸是一类在化学和生物学上具有重要意义的有机化合物。

5.1 画出所有互为异构体的环丁烷二羧酸的构造（结构）式，并给出这些化合物的系统名称。

5.2 环丁烷-1,2-二羧酸有三种立体异构体 I、II 和 III。画出 I、II 和 III 的透视式或立体结构式，标明各分子的相对构型。

5.3 在立体异构体 I、II 和 III 中，哪些对互为非对映异构体，哪些对互为对映异构体？

5.4 可以用什么反应确定非对映异构体的相对构型？

5.5 如何分离环丁烷-1,2-二羧酸的对映异构体？

5.6 使用 Cahn-Ingold-Prelog 规则（\(R,S\) 体系），在立体异构体 I、II 和 III 的结构上标明每个不对称中心的绝对构型。

题目译自官方英文原文。

答案

题目并未为 I–III 指定具体的结构；以下全文均采用下列对应关系。

5.1 三种构造异构体为：
环丁烷-1,1-二羧酸： O=C(O)C1(C(=O)O)CCC1
环丁烷-1,2-二羧酸： O=C(O)C1C(C(=O)O)CC1
环丁烷-1,3-二羧酸： O=C(O)C1CC(C(=O)O)C1
5.2 环丁烷-1,2-二羧酸的三种立体异构体为：
I：顺式，内消旋，\((1R,2S)\)；O=C(O)[C@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
II： 反式，\((1R,2R)\)；O=C(O)[C@H]1[C@H](C(=O)O)CC1
III： 反式，\((1S,2S)\)；O=C(O)[C@@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
5.3 II 和 III 互为对映异构体。 I 和 II 以及 I 和 III 互为非对映异构体。
5.4 采用分子内脱水生成环状酸酐的反应。I 易于生成顺式环丁烷-1,2-二羧酸酐，O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12。II 和 III 在保持其构型的情况下不能生成这种酸酐。
5.5 用合适的对映纯碱，例如 \((S)\)-1-苯基乙-1-胺，C[C@H](N)c1ccccc1，形成非对映异构的盐。通过分步结晶分离这些盐，然后将各部分分别酸化，回收各自的酸对映异构体。
5.6 I： \(1R,2S\)，等价于 \(1S,2R\)；II： \(1R,2R\)；III： \(1S,2S\)。

解答

5.1 — 构造异构体

将一个羧基固定在环丁烷环的 1 号碳原子上。第二个羧基可以位于：

同一个碳原子上： 环丁烷-1,1-二羧酸。
相邻的碳原子上： 环丁烷-1,2-二羧酸。
相对的碳原子上： 环丁烷-1,3-二羧酸。

将环的编号方向反转后，4 位与 2 位等价，因此不会产生额外的构造异构体。

绘制结构时，画一个正方形表示四碳环，并分别将两个 \(\ce{-C(=O)OH}\) 基团连接在同一个顶点、两个相邻顶点或两个相对顶点上。表示原子连接关系的 SMILES 已在答案中给出。这三种化合物的分子式均为 \(\ce{C6H8O4}\)。

5.2 — 立体异构体及其画法

采用正方形投影式，其中 C1 位于左上方，C2 位于右上方，C3 位于右下方，C4 位于左下方。将连接羧基的键向外画出：从 C1 指向左上方，从 C2 指向右上方。

实楔形键指向读者；虚楔形键背向读者。每个立体中心上连接氢原子的键应采用与连接羧基的键相反的楔形类型。

异构体	C1 上连接羧基的键	C2 上连接羧基的键	相对构型
I	实楔形键	实楔形键	顺式：两个基团位于同一面
II	实楔形键	虚楔形键	反式：两个基团位于相反的两面
III	虚楔形键	实楔形键	反式：两个基团位于相反的两面

这些描述与答案中的立体化学 SMILES 相对应。实际的环丁烷环可以呈折叠状；正方形投影式指定了构型，但并未指定某一种具体的折叠构象。

分子中有两个立体生成中心，因此可能的构型组合为 \[ (R,R),\quad(S,S),\quad(R,S),\quad(S,R). \]

这两个中心所处的位置在对称性上等价。因此，顺式构型 \((R,S)\) 和 \((S,R)\) 描述的是同一种内消旋化合物 I。所以，将两个连接羧基的键均画成虚楔形键，得到的也是 I 的另一种表示方式。

反式构型 \((R,R)\) 和 \((S,S)\) 描述的是两种不同的手性化合物 II 和 III。因此，共有三种构型立体异构体。

5.3 — 立体化学关系

镜面反射使两个立体中心的构型均反转： \[ (1R,2R)\longleftrightarrow(1S,2S). \] 因此，II 和 III 是不能重合的镜像，即对映异构体。

I 的取代基呈顺式排列，而 II 和 III 的取代基呈反式排列。I 不是任何一种反式异构体的镜像。因此：

I/II： 非对映异构体。
I/III： 非对映异构体。

5.4 — 用化学方法确定相对构型

采用在保持立体中心构型的脱水条件下形成环状酸酐的反应。

在顺式酸 I 中，两个羧基位于同一面，可以发生分子内脱水。生成的五元酸酐环由环丁烷中两个相邻的碳原子、两个羰基碳原子和桥连氧原子组成。

产物为顺式环丁烷-1,2-二羧酸酐，也称为顺式-3-氧杂双环[3.2.0]庚烷-2,4-二酮，其 SMILES 为 O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12。

配平后的脱水反应方程式为 \[ \ce{C6H8O4 ->[\Delta] C6H6O3 + H2O}. \] 脱去的分子为水，O。

反式酸的羧基位于相反的两面。在保持两个立体中心构型的情况下，它们不能通过相应的直接闭环反应生成这种顺式稠合酸酐。因此，是否易于形成环状酸酐可用于区分顺式 I 与反式 II 和 III。必须避免引起差向异构化的条件，因为差向异构化后形成酸酐并不能确定起始物的构型。

5.5 — 分离对映异构体

II 和 III 在非手性环境中具有相同的物理性质，包括在非手性溶剂中的溶解度。要拆分它们，需要引入一种对映纯试剂，将它们转化为非对映异构的盐。

例如，可使用 \((S)\)-1-苯基乙-1-胺，C[C@H](N)c1ccccc1，作为拆分用的碱。每当量二羧酸使用两当量碱时，适用于任一酸对映异构体的配平质子转移反应方程式为 \[ \ce{C6H8O4 + 2C8H11N <=> C6H6O4^2- + 2C8H12N+}. \]

盐的组成离子为：

离子	立体化学 SMILES
\((S)\)-1-苯基乙基铵离子	`C[C@H]([NH3+])c1ccccc1`
\((1R,2R)\)-环丁烷-1,2-二羧酸根离子	`O=C([O-])[C@H]1[C@H](C(=O)[O-])CC1`
\((1S,2S)\)-环丁烷-1,2-二羧酸根离子	`O=C([O-])[C@@H]1[C@@H](C(=O)[O-])CC1`

每种盐均含有两个由拆分碱形成的阳离子和一个酸的二价阴离子。这两种盐互为非对映异构体，因为碱的构型保持不变，而酸的两个立体中心的构型均反转。

选择一种使两种盐的溶解度具有足够大差异的溶剂，通过分步结晶将它们分离。将每种纯化后的盐分别酸化，即可重新得到其对应的酸对映异构体。使用水合氢离子，[OH3+]，时，配平后的净离子方程式为 \[ \ce{C6H6O4^2- + 2H3O+ -> C6H8O4 + 2H2O}. \]

这样即可分别回收 II 和 III，且不改变其立体中心的构型。

5.6 — 根据 CIP 规则确定绝对构型

在任一立体中心上，直接连接的原子均为三个碳原子和一个氢原子。因此，氢的优先次序最低。比较与各个待比较碳原子相连的原子，并按照 CIP 规则的复制原子约定处理双键：

相连基团或沿环的方向	下一层级比较的原子	优先次序
羧基碳原子	\((\mathrm{O},\mathrm{O},\mathrm{O})\)	1
经由另一个带取代基碳原子的环路径	\((\mathrm{C},\mathrm{C},\mathrm{H})\)	2
经由相邻亚甲基碳原子的环路径	\((\mathrm{C},\mathrm{H},\mathrm{H})\)	3
氢	—	4

因此，优先次序为：

在 C1 处： \(\ce{-COOH}\) \(>\) 经由 C2 的路径 \(>\) 经由 C4 的路径 \(>\) H。
在 C2 处： \(\ce{-COOH}\) \(>\) 经由 C1 的路径 \(>\) 经由 C3 的路径 \(>\) H。

当优先次序为 4 的基团背向读者时，\(1\to2\to3\) 的顺序若为顺时针，则构型为 \(R\)；若为逆时针，则构型为 \(S\)。如果优先次序为 4 的基团指向读者，则将判定结果反转。

将此规则应用于 5.2 中指定的结构图：

异构体	C1	C2	完整构型标记
I	\(R\)	\(S\)	顺式-\((1R,2S)\)，内消旋
II	\(R\)	\(R\)	反式-\((1R,2R)\)
III	\(S\)	\(S\)	反式-\((1S,2S)\)

解答已与官方解答核对。

IChO 1989 · Теоретическая задача 5

Изомерные циклобутандикарбоновые кислоты

Скачать PDFIChO 1989

Карбоновые кислоты — химически и биологически важный класс органических соединений.

5.1 Изобразите структурные формулы всех изомерных циклобутандикарбоновых кислот и приведите систематические названия этих соединений.

5.2 Существуют три стереоизомера циклобутан-1,2-дикарбоновой кислоты: I, II и III. Изобразите перспективные или стереохимические формулы I, II и III, указав относительную конфигурацию каждой молекулы.

5.3 Какие пары стереоизомеров I, II и III являются диастереоизомерами, а какие — энантиомерами друг друга?

5.4 Какую реакцию можно использовать для определения относительной конфигурации диастереоизомеров?

5.5 Как можно разделить энантиомеры циклобутан-1,2-дикарбоновой кислоты?

5.6 Укажите абсолютную конфигурацию каждого асимметрического центра на структурах стереоизомеров I, II и III, используя правила Кана — Ингольда — Прелога (система \(R,S\)).

Условие переведено с официального английского текста.

Ответы

В условии не установлено соответствие между обозначениями I–III и конкретными структурами; далее повсюду используются следующие обозначения.

5.1 Три структурных изомера:
Циклобутан-1,1-дикарбоновая кислота: O=C(O)C1(C(=O)O)CCC1
Циклобутан-1,2-дикарбоновая кислота: O=C(O)C1C(C(=O)O)CC1
Циклобутан-1,3-дикарбоновая кислота: O=C(O)C1CC(C(=O)O)C1
5.2 Три стереоизомера циклобутан-1,2-дикарбоновой кислоты:
I: цис, мезо, \((1R,2S)\); O=C(O)[C@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
II: транс, \((1R,2R)\); O=C(O)[C@H]1[C@H](C(=O)O)CC1
III: транс, \((1S,2S)\); O=C(O)[C@@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
5.3 II и III являются энантиомерами. I и II, а также I и III являются диастереоизомерами.
5.4 Используйте внутримолекулярную дегидратацию с образованием циклического ангидрида. I легко образует ангидрид цис-циклобутан-1,2-дикарбоновой кислоты, O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12. II и III не могут образовать этот ангидрид с сохранением своих конфигураций.
5.5 Получите диастереомерные соли с подходящим энантиомерно чистым основанием, например \((S)\)-1-фенилэтан-1-амином, C[C@H](N)c1ccccc1. Разделите соли дробной кристаллизацией, затем подкислите каждую фракцию для выделения отдельных энантиомеров кислоты.
5.6 I: \(1R,2S\), что эквивалентно \(1S,2R\); II: \(1R,2R\); III: \(1S,2S\).

Решение

5.1 — Структурные изомеры

Зафиксируем одну карбоксильную группу у атома углерода 1 циклобутанового кольца. Вторая карбоксильная группа может находиться:

У того же атома углерода: циклобутан-1,1-дикарбоновая кислота.
У соседнего атома углерода: циклобутан-1,2-дикарбоновая кислота.
У противоположного атома углерода: циклобутан-1,3-дикарбоновая кислота.

Положение 4 эквивалентно положению 2 при изменении направления нумерации кольца, поэтому оно не даёт дополнительного структурного изомера.

Чтобы изобразить структуры, нарисуйте квадрат, представляющий четырёхуглеродное кольцо, и присоедините две группы \(\ce{-C(=O)OH}\) к одной вершине, к двум соседним вершинам или к двум противоположным вершинам соответственно. Записи SMILES, задающие порядок соединения атомов, приведены в ответах. Все три соединения имеют молекулярную формулу \(\ce{C6H8O4}\).

5.2 — Стереоизомеры и их изображения

Используйте проекцию в виде квадрата, в котором C1 находится слева вверху, C2 — справа вверху, C3 — справа внизу, а C4 — слева внизу. Изобразите связи с карбоксильными группами направленными наружу: от C1 — влево вверх, а от C2 — вправо вверх.

Сплошной клин направлен к читателю; штриховой клин — от читателя. Изобразите связь с атомом водорода при каждом стереоцентре клином противоположного типа по отношению к связи с карбоксильной группой.

Изомер	Связь с карбоксильной группой при C1	Связь с карбоксильной группой при C2	Относительная конфигурация
I	Сплошной клин	Сплошной клин	цис: обе группы по одну сторону кольца
II	Сплошной клин	Штриховой клин	транс: группы по разные стороны кольца
III	Штриховой клин	Сплошной клин	транс: группы по разные стороны кольца

Эти описания соответствуют стереохимическим записям SMILES в ответах. В действительности циклобутановое кольцо может быть неплоским; квадратная проекция задаёт конфигурации, не задавая конкретной неплоской конформации.

Имеются два стереогенных центра, для которых возможны следующие сочетания конфигураций: \[ (R,R),\quad(S,S),\quad(R,S),\quad(S,R). \]

Два центра занимают симметрически эквивалентные положения. Следовательно, цис-конфигурации \((R,S)\) и \((S,R)\) описывают одно и то же мезосоединение, I. Поэтому изображение связей с обеими карбоксильными группами штриховыми клиньями даёт ещё одно представление I.

Транс-конфигурации \((R,R)\) и \((S,S)\) описывают два различных хиральных соединения, II и III. Таким образом, существуют три конфигурационных стереоизомера.

5.3 — Стереохимические отношения

При зеркальном отражении конфигурации обоих стереоцентров меняются на противоположные: \[ (1R,2R)\longleftrightarrow(1S,2S). \] Следовательно, II и III являются несовмещаемыми зеркальными изображениями: энантиомерами.

В I заместители расположены в цис-положениях, тогда как в II и III — в транс-положениях. I не является зеркальным изображением ни одной из транс-форм. Следовательно:

I/II: диастереоизомеры.
I/III: диастереоизомеры.

5.4 — Определение относительной конфигурации химическим методом

Используйте образование циклического ангидрида в условиях дегидратации, сохраняющих конфигурации стереоцентров.

В цис-кислоте I две карбоксильные группы находятся по одну сторону кольца и могут вступать во внутримолекулярную дегидратацию. Образующееся пятичленное ангидридное кольцо содержит два соседних атома углерода циклобутана, два карбонильных атома углерода и мостиковый атом кислорода.

Продукт представляет собой ангидрид цис-циклобутан-1,2-дикарбоновой кислоты, также называемый цис-3-оксабицикло[3.2.0]гептан-2,4-дионом, с записью SMILES O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12.

Уравнение дегидратации с расставленными коэффициентами: \[ \ce{C6H8O4 ->[\Delta] C6H6O3 + H2O}. \] Отщепляющаяся молекула — вода, O.

У транс-кислот карбоксильные группы находятся по разные стороны кольца. Они не могут претерпевать соответствующее прямое замыкание кольца с образованием этого ангидрида с цис-сочленением колец при сохранении конфигураций обоих стереоцентров. Таким образом, лёгкость образования циклического ангидрида позволяет отличить цис-изомер I от транс-изомеров II и III. Следует избегать условий, вызывающих эпимеризацию, поскольку образование ангидрида после эпимеризации не позволяет установить исходную конфигурацию.

5.5 — Разделение энантиомеров

II и III имеют одинаковые физические свойства в ахиральной среде, в том числе одинаковую растворимость в ахиральном растворителе. Для их разделения добавьте энантиомерно чистый реагент, который превращает их в диастереомерные соли.

Например, в качестве основания для разделения используйте \((S)\)-1-фенилэтан-1-амин, C[C@H](N)c1ccccc1. При использовании двух эквивалентов основания на один эквивалент дикарбоновой кислоты уравнение переноса протонов с расставленными коэффициентами, применимое к любому из энантиомеров кислоты, имеет вид: \[ \ce{C6H8O4 + 2C8H11N <=> C6H6O4^2- + 2C8H12N+}. \]

Компоненты солей:

Ион	Стереохимическая запись SMILES
Ион \((S)\)-1-фенилэтиламмония	`C[C@H]([NH3+])c1ccccc1`
\((1R,2R)\)-Циклобутан-1,2-дикарбоксилат	`O=C([O-])[C@H]1[C@H](C(=O)[O-])CC1`
\((1S,2S)\)-Циклобутан-1,2-дикарбоксилат	`O=C([O-])[C@@H]1[C@@H](C(=O)[O-])CC1`

Каждая соль содержит два катиона основания, используемого для разделения, и один дианион кислоты. Эти две соли являются диастереомерными, поскольку конфигурация основания остаётся неизменной, тогда как конфигурации обоих стереоцентров кислоты меняются на противоположные.

Выберите растворитель, в котором растворимости солей достаточно различаются, и разделите их дробной кристаллизацией. Подкислите каждую очищенную соль отдельно, чтобы вновь получить соответствующий энантиомер кислоты. При использовании иона гидроксония, [OH3+], сокращённое ионное уравнение с расставленными коэффициентами имеет вид: \[ \ce{C6H6O4^2- + 2H3O+ -> C6H8O4 + 2H2O}. \]

Это позволяет выделить II и III по отдельности без изменения конфигураций их стереоцентров.

5.6 — Абсолютные конфигурации по правилам CIP

С каждым стереоцентром непосредственно связаны три атома углерода и один атом водорода. Поэтому водород имеет самый низкий приоритет. Сравните атомы, связанные с каждым из конкурирующих атомов углерода, учитывая двойную связь согласно принятому в правилах CIP способу дублирования атомов:

Присоединённая группа или направление обхода кольца	Атомы, сравниваемые на следующем уровне	Приоритет
Карбоксильный атом углерода	\((\mathrm{O},\mathrm{O},\mathrm{O})\)	1
Путь по кольцу через другой замещённый атом углерода	\((\mathrm{C},\mathrm{C},\mathrm{H})\)	2
Путь по кольцу через соседний метиленовый атом углерода	\((\mathrm{C},\mathrm{H},\mathrm{H})\)	3
Водород	—	4

Таким образом, приоритеты следующие:

При C1: \(\ce{-COOH}\) \(>\) путь через C2 \(>\) путь через C4 \(>\) H.
При C2: \(\ce{-COOH}\) \(>\) путь через C1 \(>\) путь через C3 \(>\) H.

Если заместитель с приоритетом 4 направлен от читателя, последовательность \(1\to2\to3\) по часовой стрелке соответствует \(R\), а против часовой стрелки — \(S\). Если заместитель с приоритетом 4 направлен к читателю, измените обозначение конфигурации на противоположное.

Применяя это правило к изображениям, заданным в 5.2, получаем:

Изомер	C1	C2	Полное обозначение конфигурации
I	\(R\)	\(S\)	цис-\((1R,2S)\), мезо
II	\(R\)	\(R\)	транс-\((1R,2R)\)
III	\(S\)	\(S\)	транс-\((1S,2S)\)

Решение проверено по официальному решению.

IChO 1989 · مسألة نظرية 5

أحماض السيكلوبوتان ثنائية الكربوكسيل المتماكبة

تنزيل PDFIChO 1989

الأحماض الكربوكسيلية فئة من المركبات العضوية ذات أهمية كيميائية وبيولوجية.

5.1 ارسم الصيغ البنائية (التركيبية) لجميع أحماض السيكلوبوتان ثنائية الكربوكسيل المتماكبة، وأعطِ الأسماء النظامية لهذه المركبات.

5.2 توجد ثلاثة متماكبات فراغية، I وII وIII، لحمض السيكلوبوتان-1,2-ثنائي الكربوكسيل. ارسم صيغًا منظورية أو فراغية لكل من I وII وIII، موضحًا التهيئة النسبية لكل جزيء.

5.3 أي أزواج المتماكبات الفراغية I وII وIII متماكبات فراغية غير مرآتية، وأيها متماكبات مرآتية بعضها لبعض؟

5.4 ما التفاعل الذي يمكن استخدامه لتحديد التهيئة النسبية للمتماكبات الفراغية غير المرآتية؟

5.5 كيف يمكن فصل المتماكبين المرآتيين لحمض السيكلوبوتان-1,2-ثنائي الكربوكسيل؟

5.6 بيّن التهيئة المطلقة لكل مركز غير متناظر على بُنى المتماكبات الفراغية I وII وIII باستخدام قواعد كان–إنغولد–بريلوغ (نظام \(R,S\)).

نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.

الإجابات

لا يخصص نص المسألة بُنى محددة للرموز I–III؛ وتُستخدم التعيينات التالية في جميع أجزاء النص.

5.1 المتماكبات البنائية الثلاثة هي:
حمض السيكلوبوتان-1,1-ثنائي الكربوكسيل: O=C(O)C1(C(=O)O)CCC1
حمض السيكلوبوتان-1,2-ثنائي الكربوكسيل: O=C(O)C1C(C(=O)O)CC1
حمض السيكلوبوتان-1,3-ثنائي الكربوكسيل: O=C(O)C1CC(C(=O)O)C1
5.2 المتماكبات الفراغية الثلاثة لحمض السيكلوبوتان-1,2-ثنائي الكربوكسيل هي:
I: سيس، ميزو، \((1R,2S)\)؛ O=C(O)[C@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
II: ترانس، \((1R,2R)\)؛ O=C(O)[C@H]1[C@H](C(=O)O)CC1
III: ترانس، \((1S,2S)\)؛ O=C(O)[C@@H]1[C@@H](C(=O)O)CC1
5.3 II وIII متماكبان مرآتيان. أما I وII، وI وIII، فهي أزواج من المتماكبات الفراغية غير المرآتية.
5.4 استخدم نزع الماء داخل الجزيء لتكوين أنهيدريد حلقي. يُكوِّن I بسهولة أنهيدريد سيس-السيكلوبوتان-1,2-ثنائي الكربوكسيل، O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12. ولا يستطيع II وIII تكوين هذا الأنهيدريد مع الاحتفاظ بتهيئتيهما.
5.5 كوِّن أملاحًا متماكبة فراغيًا غير مرآتية باستخدام قاعدة مناسبة نقية مرآتيًا، مثل \((S)\)-1-فينيل إيثان-1-أمين، C[C@H](N)c1ccccc1. افصل الأملاح بالتبلور التجزيئي، ثم حمِّض كل جزء لاسترجاع كل متماكب مرآتي للحمض على حدة.
5.6 I: \(1R,2S\)، أو بصورة مكافئة \(1S,2R\)؛ II: \(1R,2R\)؛ III: \(1S,2S\).

الحل

5.1 — المتماكبات البنائية

ثبِّت إحدى مجموعتي الكربوكسيل عند ذرة الكربون 1 في حلقة سيكلوبوتان. يمكن أن تشغل مجموعة الكربوكسيل الثانية:

ذرة الكربون نفسها: حمض السيكلوبوتان-1,1-ثنائي الكربوكسيل.
ذرة كربون مجاورة: حمض السيكلوبوتان-1,2-ثنائي الكربوكسيل.
ذرة الكربون المقابلة: حمض السيكلوبوتان-1,3-ثنائي الكربوكسيل.

الموضع 4 مكافئ للموضع 2 عند عكس اتجاه ترقيم الحلقة، ولذلك لا يعطي متماكبًا بنائيًا إضافيًا.

لرسم البُنى، ارسم مربعًا يمثل الحلقة المكوَّنة من أربع ذرات كربون، واربط مجموعتي \(\ce{-C(=O)OH}\) برأس واحد، أو برأسين متجاورين، أو برأسين متقابلين، على الترتيب. ترد تمثيلات SMILES التي تصف اتصال الذرات في الإجابات. وللمركبات الثلاثة جميعًا الصيغة الجزيئية \(\ce{C6H8O4}\).

5.2 — المتماكبات الفراغية ورسومها

استخدم إسقاطًا مربعًا تكون فيه C1 في أعلى اليسار، وC2 في أعلى اليمين، وC3 في أسفل اليمين، وC4 في أسفل اليسار. ارسم روابط الكربوكسيل متجهة إلى الخارج: نحو أعلى اليسار انطلاقًا من C1، ونحو أعلى اليمين انطلاقًا من C2.

يشير الإسفين المصمت نحو القارئ؛ ويشير الإسفين المتقطع بعيدًا عنه. ارسم الهيدروجين عند كل مركز فراغي باستخدام نوع الإسفين المعاكس لنوع إسفين مجموعة الكربوكسيل المرتبطة بذلك المركز.

المتماكب	رابطة الكربوكسيل عند C1	رابطة الكربوكسيل عند C2	التهيئة النسبية
I	إسفين مصمت	إسفين مصمت	سيس: المجموعتان على الوجه نفسه
II	إسفين مصمت	إسفين متقطع	ترانس: المجموعتان على وجهين متقابلين
III	إسفين متقطع	إسفين مصمت	ترانس: المجموعتان على وجهين متقابلين

تتوافق هذه الأوصاف مع تمثيلات SMILES الفراغية الواردة في الإجابات. يمكن لحلقة السيكلوبوتان الفعلية أن تتجعّد؛ ويحدد الإسقاط المربع التهيئات دون تحديد هيئة تجعّد بعينها.

يوجد مركزان مولِّدان للتصاوغ الفراغي، مما يعطي التعيينات المحتملة \[ (R,R),\quad(S,S),\quad(R,S),\quad(S,R). \]

يشغل المركزان موضعين متكافئين من حيث التناظر. وبناءً على ذلك، يصف تعيينا سيس \((R,S)\) و\((S,R)\) مركب الميزو نفسه، I. ولذلك فإن رسم مجموعتي الكربوكسيل بإسفينين متقطعين يعطي تمثيلًا آخر للمركب I.

يصف تعيينا ترانس \((R,R)\) و\((S,S)\) مركبين مختلفين كيراليين، هما II وIII. ومن ثم توجد ثلاثة متماكبات فراغية تهيئية.

5.3 — العلاقات الفراغية الكيميائية

يعكس الانعكاس المرآتي تهيئتي المركزين الفراغيين كليهما: \[ (1R,2R)\longleftrightarrow(1S,2S). \] لذلك، II وIII صورتان مرآتيتان غير قابلتين للتطابق: متماكبان مرآتيان.

يكون الاستبدال في I من نوع سيس، بينما يكون في II وIII من نوع ترانس. ولا يمثل I الصورة المرآتية لأي من شكلي ترانس. ولذلك:

I/II: متماكبان فراغيان غير مرآتيين.
I/III: متماكبان فراغيان غير مرآتيين.

5.4 — تحديد التهيئة النسبية كيميائيًا

استخدم تكوين الأنهيدريد الحلقي في ظروف نازعة للماء تحافظ على المركزين الفراغيين.

في الحمض سيس I، تقع مجموعتا الكربوكسيل على الوجه نفسه، ويمكن أن تخضعا لنزع الماء داخل الجزيء. وتحتوي حلقة الأنهيدريد الخماسية الناتجة على ذرتي الكربون المتجاورتين في السيكلوبوتان، وذرتي كربون الكربونيل، وذرة الأكسجين الجسرية.

الناتج هو أنهيدريد سيس-السيكلوبوتان-1,2-ثنائي الكربوكسيل، ويُسمى أيضًا سيس-3-أوكسابيسيكلو[3.2.0]هبتان-2,4-ديون، وتمثيله بصيغة SMILES هو O=C1OC(=O)[C@H]2CC[C@@H]12.

معادلة نزع الماء الموزونة هي \[ \ce{C6H8O4 ->[\Delta] C6H6O3 + H2O}. \] الجزيء المنفصل هو الماء، O.

تقع مجموعتا الكربوكسيل في أحماض ترانس على وجهين متقابلين. ولا يمكن لهذه الأحماض أن تخضع لانغلاق الحلقة المباشر المناظر لتكوين هذا الأنهيدريد ذي الالتحام سيس مع الحفاظ على المركزين الفراغيين كليهما. ومن ثم فإن سهولة تكوُّن الأنهيدريد الحلقي تميّز سيس I عن ترانس II وIII. ويجب تجنُّب الظروف التي تسبب الإبمرة، إذ إن تكوُّن الأنهيدريد بعد الإبمرة لا يثبت التهيئة الابتدائية.

5.5 — فصل المتماكبين المرآتيين

للمركبين II وIII خواص فيزيائية متماثلة في بيئة لا كيرالية، بما في ذلك الذوبانية في مذيب لا كيرالي. ولفصلهما، أضف كاشفًا نقيًا مرآتيًا يحوِّلهما إلى أملاح متماكبة فراغيًا غير مرآتية.

على سبيل المثال، استخدم \((S)\)-1-فينيل إيثان-1-أمين، C[C@H](N)c1ccccc1، بوصفه القاعدة المستخدمة للفصل. عند استخدام مكافئين من القاعدة لكل مكافئ من الحمض ثنائي الكربوكسيل، تكون معادلة انتقال البروتون الموزونة، المنطبقة على أي من المتماكبين المرآتيين للحمض، كما يلي \[ \ce{C6H8O4 + 2C8H11N <=> C6H6O4^2- + 2C8H12N+}. \]

مكوّنات الأملاح هي:

الأيون	تمثيل SMILES الفراغي
أيون \((S)\)-1-فينيل إيثيل أمونيوم	`C[C@H]([NH3+])c1ccccc1`
\((1R,2R)\)-سيكلوبوتان-1,2-ثنائي الكربوكسيلات	`O=C([O-])[C@H]1[C@H](C(=O)[O-])CC1`
\((1S,2S)\)-سيكلوبوتان-1,2-ثنائي الكربوكسيلات	`O=C([O-])[C@@H]1[C@@H](C(=O)[O-])CC1`

يحتوي كل ملح على كاتيونين من القاعدة المستخدمة للفصل وأنيون واحد ثنائي الشحنة من الحمض. والملحان متماكبان فراغيان غير مرآتيين لأن تهيئة القاعدة تظل ثابتة، بينما تنعكس تهيئتا المركزين الفراغيين للحمض كليهما.

اختر مذيبًا تختلف فيه ذوبانيتا الملحين اختلافًا كافيًا، وافصلهما بواسطة التبلور التجزيئي. حمِّض كل ملح منقّى على حدة لاسترجاع المتماكب المرآتي للحمض الموافق له. باستخدام أيون الهيدرونيوم، [OH3+]، تكون المعادلة الأيونية الصافية الموزونة \[ \ce{C6H6O4^2- + 2H3O+ -> C6H8O4 + 2H2O}. \]

يؤدي ذلك إلى استرجاع II وIII كلٍّ على حدة دون تغيير مركزيهما الفراغيين.

5.6 — التهيئات المطلقة وفق قواعد CIP

عند أي من المركزين الفراغيين، تكون الذرات المرتبطة مباشرة ثلاث ذرات كربون وذرة هيدروجين واحدة. ولذلك تكون للهيدروجين أدنى أولوية. قارن الذرات المرتبطة بكل ذرة كربون متنافسة، مع معالجة الرابطة المزدوجة وفق اصطلاح الذرات المكررة في قواعد CIP:

المجموعة المرتبطة أو الاتجاه على طول الحلقة	الذرات المقارَنة في المستوى التالي	الأولوية
كربون الكربوكسيل	\((\mathrm{O},\mathrm{O},\mathrm{O})\)	1
المسار في الحلقة عبر ذرة الكربون الأخرى الحاملة لمستبدَل	\((\mathrm{C},\mathrm{C},\mathrm{H})\)	2
المسار في الحلقة عبر كربون الميثيلين المجاور	\((\mathrm{C},\mathrm{H},\mathrm{H})\)	3
الهيدروجين	—	4

إذًا تكون الأولويات كما يلي:

عند C1: \(\ce{-COOH}\) \(>\) المسار عبر C2 \(>\) المسار عبر C4 \(>\) H.
عند C2: \(\ce{-COOH}\) \(>\) المسار عبر C1 \(>\) المسار عبر C3 \(>\) H.

عندما تتجه المجموعة ذات الأولوية 4 بعيدًا عن القارئ، فإن تتابع \(1\to2\to3\) في اتجاه عقارب الساعة يدل على \(R\)، والتتابع في عكس اتجاه عقارب الساعة يدل على \(S\). وإذا اتجهت المجموعة ذات الأولوية 4 نحو القارئ، فاعكس التعيين.

بتطبيق ذلك على الرسوم المحددة في 5.2:

المتماكب	C1	C2	التعيين الكامل
I	\(R\)	\(S\)	سيس-\((1R,2S)\)، ميزو
II	\(R\)	\(R\)	ترانس-\((1R,2R)\)
III	\(S\)	\(S\)	ترانس-\((1S,2S)\)

تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.