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有機化学において、アノマー効果またはエドワード・ルミュー効果（JTエドワードとレイモンド・ルミューにちなんで命名）は、環状ヘテロ原子（例えば、テトラヒドロピラン環の酸素）の隣接するヘテロ原子置換基が、立体障害の少ないエクアトリアル配向ではなく、相対的なアキシャル配向をとる傾向を表す立体電子効果である。[ 1 ]この効果は、1955年にJTエドワードが炭水化物化学を研究している際にピラノース環で初めて観察された。
「アノマー効果」という用語は、ピラノース環の最も番号の小さい環状炭素（アノマー炭素）の立体化学的指定に由来し、1958年までに一般的に使用されるようになりました。[ 2 ]アノマー分子は、アノマー炭素での配置のみが異なる異性体です。D-グルコピラノースのアノマーはジアステレオマーであり、β-アノマーはヒドロキシル（-OH）基が赤道方向に上向きに配向しているのに対し、α-アノマーのヒドロキシル基は軸方向に下向きに配向しています。
アノマー効果は、一般式C−Y−C−Xで表される任意のシクロヘキシル系または直鎖系にも一般化できる。ここで、Y は 1 個以上の孤立電子対を持つヘテロ原子であり、X は電気陰性原子または基である。[ 3 ]アノマー効果の大きさは、糖類の場合 4～8 kJ/mol と推定されるが、分子ごとに異なる。
上記の場合、シクロヘキサン環（上）のメトキシ基（−O−CH₃ ）はエクアトリアル位を好む。しかし、テトラヒドロピラン環（下）では、メトキシ基はアキシャル位を好む。これは、シクロヘキサン環ではYが炭素であり、これはヘテロ原子ではないため、アノマー効果は観察されず、立体効果が観察される置換基の位置を決定づけるためである。テトラヒドロピラン環ではYが酸素であり、これはヘテロ原子であるため、アノマー効果が寄与し、観察される置換基の位置を安定化させる。どちらの場合も、Xはメトキシ基である。
アノマー効果は、Y = 酸素の場合に最もよく観察されますが、窒素、硫黄、リンなどの環状構造内の他の孤立電子対を持つヘテロ原子でも見られます。[ 4 ] アノマー効果が安定化を引き起こす正確な方法は議論の的となっており、それを説明するためにいくつかの仮説が提案されています。
アノマー効果の物理的な理由は完全には解明されていません。いくつかの、部分的に矛盾する説明が提案されており、この問題はまだ解決されていません。[ 5 ]
広く受け入れられている説明は、糖環内の環状ヘテロ原子上の非共有電子対と軸方向（環外）C–X結合のσ*軌道との間に安定化相互作用（超共役）が存在するというものである。 [ 6 ]これにより、分子は供与する孤立電子対を環外C–X σ結合に対してアンチペリプラナー（180°）に整列させ、システム全体のエネルギーを低下させ、より安定性をもたらす。[ 7 ]
また、分子内の原子の量子論の結果に基づいて、この超共役モデルの妥当性に疑問を呈する著者もいる。[ 8 ]アノマー効果に関する研究のほとんどは理論的なものであったが、n–σ*（超共役）仮説は、この仮説によって提案されたアセタールの電子密度の再分布が、アセタールの既知の実験化学、特に単糖の化学と一致しないという理由で、広く批判されてきた。[ 9 ] [ 10 ]
ヘテロ原子を含む非環状分子にも超共役が見られ、これはアノマー効果の別の形態です。分子に孤立電子対を持つ原子があり、隣接する原子がσ*軌道に電子を受け入れることができる場合、超共役が発生し、分子が安定化します。これにより、「結合なし」共鳴構造が形成されます。この軌道の重なりが発生するには、ほとんどのヘテロ原子ではトランス、トランス配座が好まれますが、ジメトキシメタンで安定化が発生するには、ゴーシュ、ゴーシュ配座がトランス、トランス配座よりも約3～5 kcal/mol低いエネルギー（より安定）になります。これは、影響を受ける回転可能な結合が2つあるため（したがって、両方の結合の周りがトランスまたはゴーシュになります）、糖類における効果の約2倍になります。[ 11 ]
アノマー効果のもう1つの一般的な説明は、赤道配置では両方のヘテロ原子を含む双極子が部分的に整列し、互いに反発し合うというものである。[ 12 ]対照的に、軸配置ではこれらの双極子がほぼ反対方向を向いており、より安定でエネルギーの低い状態を表している。
超共役と双極子モーメントの最小化の両方が、エステルの（E）配座よりも（Z）配座が優先されることに寄与している。（Z）配座では、α酸素の孤立電子対が隣接するσ* CO軌道に供与することができる。さらに、双極子モーメントは（Z）配座で最小化され、（E）配座で最大化される。[ 7 ]
2-メトキシピランのアノマー中心の酸素原子上の孤立電子対を示すと、アノマーの配座を簡単に調べると、β-アノマーは常に少なくとも1対の重なり合う（共平面1,3相互作用する）孤立電子対を持ち、このnn反発は高エネルギー状態であることがわかる。一方、α-アノマーにはnn反発のない配座があり、これはエキソアノマー配座でも同様である。β-アノマーに存在するエネルギー的に不利なnn反発と、軸方向のH-5と軸方向のα-アノマー置換基上の孤立電子対との間のエネルギー的に有利な水素結合（C-H/n水素結合）が、アノマー間のエネルギー差の大部分、すなわちアノマー効果を説明すると示唆されている[参考文献7および8]。アノマー効果のために特別にパラメータ化されていない分子力学プログラムStruMM3Dは、アノマー効果への双極子寄与（主に上記で説明したnn反発とC-H水素結合）が約1.5 kcal/molであると推定しています。
アノマー効果はこの種の分子安定化の一般的な説明ではあるが、安定化の種類と量は、検討対象の置換基や研究対象の溶媒によって影響を受ける可能性がある。
閉鎖系では、シクロヘキサン環またはテトラヒドロピラン環（Y=酸素）上の異なる置換基によるアノマー効果に違いが見られる。X=OHの場合、前述のように一般的なアノマー効果が見られる。X=CNの場合も同様の結果が見られ、シクロヘキサン環では赤道位が好まれるが、テトラヒドロピラン環では軸位が好まれる。これはアノマー効果の安定化と一致する。X=Fの場合、実際には両方の環でアノマー効果が観察される。しかし、X=NH2の場合、アノマー効果の安定化は観察されず、両方の系で赤道位が好まれる。これは立体効果と逆アノマー効果と呼ばれる効果の両方に起因する（下記参照）。[ 3 ]
超共役理論に対する一般的な批判の一つは、置換テトラヒドロピラン分子を極性溶媒中に置くとアノマー効果が観察されず、赤道位が再び優先される理由を説明できないという点である。しかし、超共役は系内の溶媒に依存することが示されている。上記で説明した各置換系は、気相（すなわち溶媒なし）と水溶液（すなわち極性溶媒）で試験された。X=Fの場合、両方の媒体でアノマー効果が観察され、常に軸位が優先された。これは超共役によるものと考えられる。X=OHの場合、アノマー効果は気相で観察され、軸位が優先された。しかし、水溶液中では、置換基は赤道位を優先した。これは、軸位の置換基と極性溶媒との間に静電反発が多く、赤道位が優先されるためであると考えられる。X=NH2の場合、再びアノマー効果は観察されず、常に赤道位が優先された。[ 13 ]
アノマー効果は分子の安定化をもたらす可能性があるが、その安定化には限界があり、場合によっては他のより不安定化させる効果によってその効果が打ち消されることもある。
スピロケタールの例では、左上の配向は超共役アノマー効果による安定化が2回起こるため、分子の配向が大きく安定化されます。右上の配向では、この超共役アノマー安定化が1回しか起こらないため、好ましくない構造となります。しかし、スピロケタール骨格に置換基が加わると、好ましい構造が変わります。左下に示すように、スピロケタール骨格に大きな置換基が加わると、この大きな置換基Rが軸方向にあることによるひずみが分子を大きく不安定化させます。右下の分子では、Rは赤道方向にあるため、分子の不安定化は起こりません。したがって、置換基がない場合、左側では上側の平衡反応が有利になり、右側では下側の平衡反応が有利になります。これは、大きく不安定化させる置換基が加わったためです。[ 14 ]
アノマー効果の拡張であるエキソアノマー効果とは、環から離れる置換基がゴーシュ配座をとる傾向があることであり、立体的な観点からはアンチペリプラナー配座が好ましいと考えられる。
その一例が2-メトキシテトラヒドロピランである。アノマー効果の予測どおり、メトキシ置換基はアキシャル配座への選択性が高まる。しかし、メトキシ置換基と環の間のC-O結合周りの回転により、実際には複数のアキシャル配座が存在する。エキソアノマー効果の原理を適用すると、ゴーシュ配座が優先されると予測でき、上の図では左上の配座が最適であると示唆される。この予測は実験的証拠によって裏付けられている。さらに、このゴーシュ位置への選択性はエクアトリアル配座でも見られる。[ 15 ]
この用語は、酸素などの電気陰性原子を含む環において、通常の立体相互作用が予測する以上に、電気陽性置換基が赤道配座を好むように見えることを指します。部分的に正電荷を持つ炭素を含む置換基は、同じ効果を示さないことがわかっています。[ 16 ] 逆アノマー効果の理論的説明には、静電的説明と、アノマー炭素のsp3電子と酸素の孤立電子対の非局在化が含まれます。[ 17 ]これ が実際の現象であるかどうかについては議論があります。報告されている窒素を含む置換基はかなりかさばるため、立体的なかさ高さの通常の効果と、もし存在するならば逆アノマー効果を分離することは困難です。[ 18 ] 例えば、下に示す分子では、ピリジニウム置換基は立体因子が予測するように赤道位置を強く好みますが、実際には予測よりもこの配座を強く好むため、逆アノマー効果が寄与していることが示唆されます。
10、11、12族の後期遷移金属は、アノマー炭素に配置されるときに強い軸方向の選択性を示します。[ 19 ]この現象は金属アノマー効果と呼ばれ、酸素または他のヘテロ原子と孤立電子対および優れたアクセプターとして機能するC-M反結合性軌道との間の安定化超共役相互作用に起因します。一般化された金属アノマー効果は、一般式M-CH2-ORを持つ化合物のシンクリナル配座異性体の熱力学的安定化を指します。軸方向/赤道方向の選択性は、金属に結合した配位子と電子配置によって影響を受ける可能性があります。一般的に、グループ内でより軽い元素からより重い元素に移動すると、金属アノマー効果の大きさは増加します。さらに、より高い酸化状態は軸方向/シンクリナル配座異性体を好みます。
アノマー効果は合成的に考慮される。糖類で発見されたことから、糖類および炭水化物化学は、アノマー効果の最も一般的な合成用途の1つである。例えば、ケーニッヒス・クノールグリコシド化では、アノマー効果の影響を受ける高ジアステレオ選択性でα-ORまたはβ-OR基が導入される。ソホロリピドラクトン、(+)-レピシジンA、および(−)-リトスペルモシドは、ケーニッヒス・クノールグリコシド化によって合成され、アノマー効果を克服した生成物のほんの一例である。[ 20 ]
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