端基異構效應，也稱異頭效應，是立體電子效應的一種。端基異構效應最早由 J. T. Edward 於1955年研究吡喃糖時發現。
基本介紹
- 中文名：端基異構效應/異頭效應
- 外文名：Heteroatom Hyperconjugation（Anomeric Effect）
- 發現時間：1955
- 正式命名時間：1958
- 相關人物：Edward、Lemieux、Chü
- 存在結構單元：Lp-X-A-Y
簡介,實例,影響因素,套用,
簡介
基礎有機化學一般認為取代環己烷的優勢構象是較大基團在e鍵上，以儘量減小空間位阻的影響。但當有電負性較大的元素存在時，情況有所不同。如反-1,2-二氯環己烷的穩定構象是aa鍵，而不是ee鍵。
特別是當環上有O，N，S等雜原子時，如吡喃糖的C1上有取代基X（F，Cl，Br）、烷氧基、醯氧基等吸電子基團時，它們傾向於處於a鍵上。從紐曼式中可以看出，取代基處於e鍵時，大基團是對位交叉構象，而處於a鍵時是鄰位交叉構象，儘管存在空間的不利因素，還是直立鍵比平伏鍵占優勢。
1955年Edward首次在吡喃糖中發現這種效應，由於涉及到異頭位[C1位]，1958年Lemieux和Chü將這種效應稱之為異頭效應（anomeric effect）。
一般來說，存在異頭效應要符合以下條件：一是相互作用的基團要處於反式共平面；二是相互作用的軌道能級要接近。如當氧的孤對電子軌道與極性C—X鍵處於反式共平面時，氧的孤對電子n軌道與極性C—X鍵的反鍵σ*軌道相互作用，n軌道電子進入了σ*反鍵軌道，使體系能量下降。這種效應是由於電子的靜電作用引起的，也可稱之為電子的超共軛效應（hyperconjugation）。
異頭效應使分子穩定的原因有以下幾點：（1）降低了分子的偶極矩。（2）降低了分子中C—X鍵的反鍵σ*軌道的能量（3） C—X (X=O， N， S)具有部分雙鍵的特性，使C—X鍵變短， C—Y鍵加長，活性加大。
異頭效應是有機化學中立體電子效應的主要部分，在功能分子設計特別是藥物分子設計方面有重要的指導意義。
實例
1、對於葡萄糖而言，通過D－葡萄糖開鏈形式，β－D-吡喃葡萄糖和α-D-吡喃葡萄糖達到平衡，β－D-吡喃葡萄糖比較穩定，占62.6%；α-D-吡喃葡萄糖則較不穩定，占37.3%；開鏈形式僅占0.002%。β－D-吡喃葡萄糖和α-D-吡喃葡萄糖互為非對映異構體。由於不同的手性來自於1號碳，故在糖化學中稱為端基異構體。
D-甘露糖是D-葡萄糖的C-2差向異構體，當它形成吡喃環時，人們發現α-D-吡喃甘露糖比β－D-吡喃甘露糖穩定，儘管α-D-吡喃甘露糖中有兩個羥基占據直立鍵，而β－D-吡喃甘露糖只有一個，但α-D-吡喃甘露糖還是占68%，為優勢構象。這一現象稱為糖的端基效應。
並非只有D－吡喃甘露糖具有端基效應。當人們用醇和質子酸處理β－D-吡喃葡萄糖時，得到兩種吡喃葡萄糖苷，即α-D-甲基吡喃葡萄糖苷和β－D-甲基吡喃葡萄糖苷。有意思的是，α-D-甲基吡喃葡萄糖苷占66%，而β－D-甲基吡喃葡萄糖苷占33%，用醇和質子酸處理α-D-吡喃葡萄糖時得到相同結果。
對於2－雜原子取代的D－吡喃葡萄糖，當端基上的取代基電負性增大時，端基效應更加明顯。端基上的取代基由乙醯氧基改變為氯時，取代基占直立鍵構象的比例由86%增大到94%。
2、糖的端基效應可以衍生到其他2－雜原子取代的六元環體系，雜原子可以是氮、氧、硫、氟、氯、溴、碘。在兩種可能的構象中，構象5為優勢構象。最常見的雜原子有硫、氧和氟。
3、在一些開鏈體系中也發現了端基效應。含有Lp—X—C—Y鏈的化合物（Lp是X原子所帶的孤電子對）就屬於這種體系。例如，二甲氧基甲烷有兩種可能的構象，鄰位交叉式和全交叉式，以鄰位交叉式為主。
影響因素
更有趣的是，端基效應不僅與分子結構有關，而且與溶劑的極性、溫度、濃度等因素有關。通常，溶劑極性越小，端基效應越強。與水相比，乙醇更能體現糖的端基效應。溫度越低，端基效應越強。如從冷水中結晶D-葡萄糖得到的是α-D-吡喃葡萄糖；而從熱水中結晶D－葡萄糖則得到β－D-吡喃葡萄糖。搖搖為了探索端基效應與溶劑極性的關係，Lemieux等人合成了4,4,5,5－四氘代－2－甲氧基四氫吡喃，研究了該化合物在不同氘代溶劑中的氫譜，從而測定出甲氧基占直立鍵時構象和甲氧基占平伏鍵時構象的百分比。在四氯化碳中，該化合物的端基效應非常明顯（構象10占83%）；而在水溶液中，兩種構象所占的比例差不多。
套用
1、關於有機反應立體選擇性的合理解釋
1,9－二羥基－壬酮在酸催化下脫水成縮酮，該縮酮可以有4種立體異構體。其中異構體14有兩個端基效應，異構體15和異構體17各有一個端基效應，異構體16沒有端基效應，產物以14為主。
芳醛可與二烯發生氧雜Diels－Alder反應，生成的環己烯基矽醚分別在鹼性和酸性條件下失去三甲基矽基，得到兩種不同的端基異構體產物。在鹼性條件下，甲氧基親核進攻矽，離去的烯醇負離子發生質子交換生成產物，端基碳原子的手性保持不變。在酸性條件下，當烯基矽醚醇解時，縮醛通過開鏈轉化成更穩定的有端基效應的縮醛。
分子內烯烴的氧鈀化反應受到端基效應的控制，生成的中間體用CO/甲醇體系捕獲，得到以端基異構體為主的產物，甲氧基和氫為順式。作為對比，當甲氧基改為甲基時，在相同的反應條件下，端基效應不可能存在，因此得到的產物沒有非對映選擇性。
2、端基效應控制著產物的立體化學，在有機合成，尤其是全合成領域發揮著重要的作用。
端基效應是一種很有趣的立體化學現象，雖然不符合取代環己烷的穩定構象的一般規律，但在糖化學中比較常見，而且在有機合成中已得到廣泛套用，特別是已被成功地用於不少有機反應的立體選擇性控制。用靜電排斥作用、偶極矩作用以及分子軌道理論能夠從不同的角度對端基效應做出合理的解釋。相信本文所介紹的端基效應現象有助於豐富基礎有機化學中立體化學、碳水化合物化學等方面的教學內容。
