异构体效应

在有机化学中，异构体效应或Edward-Lemieux效应是一种立体电子效应，描述了在环己烷环内与杂原子相邻的杂原子取代基倾向于轴向方向，而不是从立体考虑所预期的阻碍较少的赤道方向。这种效应最初是由J.T.Edward在1955年研究碳水化合物化学时在吡喃糖环中观察到的。1958年提出了"异构体效应"一词。这个名字来自于用来指定吡喃糖最低编号的环形碳的术语，即非对映碳。只在异构碳上有构型差异的异构体被称为异构体。D-吡喃葡萄糖的非对映体是非对映体，β非对映体的OH基团在赤道上，而α非对映体的OH基团在轴向向下。异构体效应也可以推广到任何具有通式C-Y-C-X的环己基或线性系统，其中Y是具有一个或多个孤对的杂原子，X是一个电负性原子或基团。在糖类的情况下，异构体效应的大小估计约为1-2千卡/摩尔，但对每个分子来说是不同的。在上述情况下，环己烷环上的甲氧基（顶部）更倾向于赤道位置。然而，在四氢吡喃环（底部）中，甲氧基更倾向于轴向位置。这是因为在环己烷环中，Y=碳，它不是一个杂原子，所以没有观察到异构体效应，立体结构主导了观察到的取代物位置。在四氢吡喃环中，Y=氧，这是一个杂原子，所以异构体效应有助于并稳定观察到的取代基位置。在这两种情况下，X=OMe。当Y=氧时，最常观察到的是异构体效应，但也可以看到环中的其他孤对杂原子，如氮、硫和磷。异构体效应导致稳定的确切方法是一个有争议的问题，已经提出了几个假设来解释它。

异构体效应的物理原因并不完全了解。已经提供了几种，部分是相互矛盾的解释，这个问题仍然没有解决。

环状分子一个广泛接受的解释是，内环杂原子（在糖环内）上的不共享电子对与轴向（外环）C-X键的σ*轨道之间存在着稳定的相互作用（超共轭）。这导致分子将给定的孤独电子对反平面（180°）对准外环C-Xσ键，降低了系统的整体能量，并导致更多的稳定性。一些作者还根据分子中原子的量子理论的结果质疑这种超共轭模型的有效性。虽然大多数关于异构体效应的研究都是理论性的，但n-σ*（超共轭）假说也受到了广泛的批评，理由是这种假说提出的乙缩醛中的电子密度重新分布与已知的乙缩醛的实验化学，特别是单糖的化学不一致。

超共轭现象也出现在含有杂原子的非环状分子中，这是异构体效应的另一种形式。如果一个分子中有一个原子有一对孤独的电子，而相邻的原子能够接受电子进入σ*轨道，就会发生超共轭，使分子稳定。这就形成了一种无键共振形式。为了发生这种轨道重叠，对于大多数杂原子来说，反式、反式构象是xxx的，然而为了在二甲氧基甲烷中发生稳定，高氏、高氏构象比反式、反式构象的能量低3-5千卡/摩尔（更稳定）--这大约是糖类中影响的两倍，因为有两个可旋转的键（因此是围绕两个键反式或围绕两个键高氏）被影响。

对异构体效应的另一个公认的解释是，赤道构型中涉及两个杂原子的偶极子部分对齐，因此相互排斥。相比之下，轴向构型的这些偶极子大致上是对立的，因此代表了一种更稳定和更低的能量状态。超共轭和偶极子最小化都有助于酯的（Z）构型优于（E）构型。在（Z）构型中，α-氧的孤对电子可以捐献到邻近的σ*C-O轨道。此外，偶极子在（Z）构型中最小，在（E）构型中xxx。

如果2-甲氧基吡喃的异构体中心的氧上的孤对电子被显示出来，那么对异构体的构象进行简单的检查就会发现，β-异构体总是