[科普中国]-端基异构效应

端基异构效应，也称异头效应，是立体电子效应的一种。端基异构效应最早由 J. T. Edward 于1955年研究吡喃糖时发现。

简介基础有机化学一般认为取代环己烷的优势构象是较大基团在e键上，以尽量减小空间位阻的影响。但当有电负性较大的元素存在时，情况有所不同。如反-1,2-二氯环己烷的稳定构象是aa键，而不是ee键。

特别是当环上有O，N，S等杂原子时，如吡喃糖的C1上有取代基X（F，Cl，Br）、烷氧基、酰氧基等吸电子基团时，它们倾向于处于a键上。从纽曼式中可以看出，取代基处于e键时，大基团是对位交叉构象，而处于a键时是邻位交叉构象，尽管存在空间的不利因素，还是直立键比平伏键占优势。

1955年Edward首次在吡喃糖中发现这种效应，由于涉及到异头位[C1位]，1958年Lemieux和Chü将这种效应称之为异头效应（anomeric effect）。

一般来说，存在异头效应要符合以下条件：一是相互作用的基团要处于反式共平面；二是相互作用的轨道能级要接近。如当氧的孤对电子轨道与极性C—X键处于反式共平面时，氧的孤对电子n轨道与极性C—X键的反键σ*轨道相互作用，n轨道电子进入了σ*反键轨道，使体系能量下降。这种效应是由于电子的静电作用引起的，也可称之为电子的超共轭效应（hyperconjugation）。

异头效应使分子稳定的原因有以下几点：（1）降低了分子的偶极矩。（2）降低了分子中C—X键的反键σ*轨道的能量（3） C—X (X=O， N， S)具有部分双键的特性，使C—X键变短， C—Y键加长，活性加大。

异头效应是有机化学中立体电子效应的主要部分，在功能分子设计特别是药物分子设计方面有重要的指导意义。1

实例1、对于葡萄糖而言，通过D－葡萄糖开链形式，β－D-吡喃葡萄糖和α-D-吡喃葡萄糖达到平衡，β－D-吡喃葡萄糖比较稳定，占62.6%；α-D-吡喃葡萄糖则较不稳定，占37.3%；开链形式仅占0.002%。β－D-吡喃葡萄糖和α-D-吡喃葡萄糖互为非对映异构体。由于不同的手性来自于1号碳，故在糖化学中称为端基异构体。

D-甘露糖是D-葡萄糖的C-2差向异构体，当它形成吡喃环时，人们发现α-D-吡喃甘露糖比β－D-吡喃甘露糖稳定，尽管α-D-吡喃甘露糖中有两个羟基占据直立键，而β－D-吡喃甘露糖只有一个，但α-D-吡喃甘露糖还是占68%，为优势构象。这一现象称为糖的端基效应。

并非只有D－吡喃甘露糖具有端基效应。当人们用醇和质子酸处理β－D-吡喃葡萄糖时，得到两种吡喃葡萄糖苷，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%，用醇和质子酸处理α-D-吡喃葡萄糖时得到相同结果。

对于2－杂原子取代的D－吡喃葡萄糖，当端基上的取代基电负性增大时，端基效应更加明显。端基上的取代基由乙酰氧基改变为氯时，取代基占直立键构象的比例由86%增大到94%。

2、糖的端基效应可以衍生到其他2－杂原子取代的六元环体系，杂原子可以是氮、氧、硫、氟、氯、溴、碘。在两种可能的构象中，构象5为优势构象。最常见的杂原子有硫、氧和氟。

3、在一些开链体系中也发现了端基效应。含有Lp—X—C—Y链的化合物（Lp是X原子所带的孤电子对）就属于这种体系。例如，二甲氧基甲烷有两种可能的构象，邻位交叉式和全交叉式，以邻位交叉式为主。1

影响因素更有趣的是，端基效应不仅与分子结构有关，而且与溶剂的极性、温度、浓度等因素有关。通常，溶剂极性越小，端基效应越强。与水相比，乙醇更能体现糖的端基效应。温度越低，端基效应越强。如从冷水中结晶D-葡萄糖得到的是α-D-吡喃葡萄糖；而从热水中结晶D－葡萄糖则得到β－D-吡喃葡萄糖。摇摇为了探索端基效应与溶剂极性的关系，Lemieux等人合成了4,4,5,5－四氘代－2－甲氧基四氢吡喃，研究了该化合物在不同氘代溶剂中的氢谱，从而测定出甲氧基占直立键时构象和甲氧基占平伏键时构象的百分比。在四氯化碳中，该化合物的端基效应非常明显（构象10占83%）；而在水溶液中，两种构象所占的比例差不多。2

应用1、关于有机反应立体选择性的合理解释

1,9－二羟基－壬酮在酸催化下脱水成缩酮，该缩酮可以有4种立体异构体。其中异构体14有两个端基效应，异构体15和异构体17各有一个端基效应，异构体16没有端基效应，产物以14为主。

芳醛可与二烯发生氧杂Diels－Alder反应，生成的环己烯基硅醚分别在碱性和酸性条件下失去三甲基硅基，得到两种不同的端基异构体产物。在碱性条件下，甲氧基亲核进攻硅，离去的烯醇负离子发生质子交换生成产物，端基碳原子的手性保持不变。在酸性条件下，当烯基硅醚醇解时，缩醛通过开链转化成更稳定的有端基效应的缩醛。

分子内烯烃的氧钯化反应受到端基效应的控制，生成的中间体用CO/甲醇体系捕获，得到以端基异构体为主的产物，甲氧基和氢为顺式。作为对比，当甲氧基改为甲基时，在相同的反应条件下，端基效应不可能存在，因此得到的产物没有非对映选择性。

2、端基效应控制着产物的立体化学，在有机合成，尤其是全合成领域发挥着重要的作用。

端基效应是一种很有趣的立体化学现象，虽然不符合取代环己烷的稳定构象的一般规律，但在糖化学中比较常见，而且在有机合成中已得到广泛应用，特别是已被成功地用于不少有机反应的立体选择性控制。用静电排斥作用、偶极矩作用以及分子轨道理论能够从不同的角度对端基效应做出合理的解释。相信本文所介绍的端基效应现象有助于丰富基础有机化学中立体化学、碳水化合物化学等方面的教学内容。2

本词条内容贡献者为:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大学