配座異性

化学において、配座異性体は、形式上単結合の周りの回転だけで異性体を相互変換できる立体異性体の一種です(単結合の回転の図を参照)。単結合の周りの回転によって異なる分子内の任意の 2 つの原子配置は、異なる配座と呼ぶことができますが、ポテンシャルエネルギー面上の極小値に対応する配座は、特に配座異性体またはコンフォーマーと呼ばれます。^[1]エネルギー面上の極大値に対応する配座は、極小配座異性体間の遷移状態です。単結合の周りの回転では、回転エネルギー障壁を克服して、1 つのコンフォーマーを別のコンフォーマーに相互変換する必要があります。エネルギー障壁が低い場合は、自由回転があり^[2]、化合物のサンプルは、複数のコンフォーマーの急速に平衡化する混合物として存在します。エネルギー障壁が十分に高く回転が制限される場合、分子は比較的長い期間、安定した回転異性体または回転異性体（単結合の回転が妨げられることで生じる異性体）として存在することができる。相互変換の時間スケールが個々の回転異性体を単離するのに十分長い場合（通常、相互変換の半減期が1000秒以上として任意に定義される）、異性体はアトロプ異性体と呼ばれる（アトロプ異性を参照）。^{[1] [3] [4]}置換シクロヘキサンの環反転は、配座異性のもう1つの一般的な形態を構成する。

したがって、配座異性体は、相互変換が必然的に化学結合の切断と再形成を伴う他のクラスの立体異性体（すなわち、配置異性体）とは異なります。 ^[5]たとえば、有機分子のL / DおよびR / S配置は、異なる利き手と光学活性を持ち、キラル原子に結合した 1 つ以上の結合を切断し、異なる方向または空間配向で同様の結合を再形成することによってのみ相互変換できます。これらは、相互変換のために二重結合のπ 成分を切断する必要がある別のクラスの立体異性体である幾何（シス/トランス）異性体とも異なります。（ただし、形式的には単結合である特定の結合が実際には二重結合の性質を持ち、それが二次共鳴寄与因子を考慮した場合にのみ明らかになるため、たとえばアミドの C–N 結合など、この区別は常に明確であるとは限りません。）相互変換が速いため、配座異性体は通常、室温では単離できません。

異なるコンフォメーション間のエネルギーを研究することをコンフォメーション解析といいます。^[6]これは、例えば置換基の空間的配向や空間を介した相互作用を考慮することにより、異なる異性体の安定性を理解するのに役立ちます。さらに、コンフォメーション解析は、生成物の選択性、メカニズム、および反応速度を予測および説明するために使用できます。^{[7]コンフォメーション解析は、合理的な構造ベースの}医薬品設計においても重要な役割を果たします。

炭素-炭素結合を回転させると、エタンとプロパン分子は 3 つの局所エネルギー極小値を持つ。これらは構造的にもエネルギー的にも等価であり、互い違いの配座異性体と呼ばれる。各分子について、各炭素-炭素結合から発生する 3 つの置換基は互い違いになっており、各 H-C-C-H二面角(プロパンの場合は H-C-C-CH ₃二面角も) は 60° (プロパンの場合は約 60°) に等しい。二面角が 0 である 3 つの重なり合った配座は、2 つの等価なエネルギー極小値 (互い違いの配座異性体) を接続する遷移状態 (エネルギー極大) である。

ブタン分子は、単結合の回転によってアンチ配座異性体とゴーシュ配座異性体と呼ばれる 2 種類の非等価な構造が生じる最も単純な分子です (図を参照)。

たとえば、ブタンには 2 つのメチル (CH ₃ ) グループに関連する 3 つの配座異性体があります。2 つはメチルが ±60° 離れており、エナンチオマーであるゴーシュ配座異性体で、もう 1 つは 4 つの炭素中心が共平面にあり、置換基が 180° 離れているアンチ配座異性体です (ブタンの自由エネルギー図を参照)。ゴーシュとアンチのエネルギー差は 0.9 kcal/mol で、ゴーシュ配座異性体のひずみエネルギーに関連しています。したがって、アンチ配座が最も安定しています (≈ 0 kcal/mol)。二面角が 0°、120°、240° の 3 つの重なり合った配座は、配座異性体間の遷移状態です。^[6] 2つの重なり合った配座は異なるエネルギーを持つことに注意する。0°では2つのメチル基が重なり合ってエネルギーが上昇する（≈5kcal/mol）のに対し、120°ではメチル基が水素と重なり合ってエネルギーが上昇する（≈3.5kcal/mol）。^[9]

単純な分子はこれらのタイプの配座で記述できますが、より複雑な分子では、異なる配座異性体を記述するためにクライン・プレログシステムを使用する必要があります。^[6]

配座異性のより具体的な例については、別の場所で詳しく説明されています。

• リング構造
  • シクロヘキサン配座。椅子型や船型などの配座が含まれます。
  • 中環およびマクロ環を含むシクロアルカンの配座
  • 炭水化物の立体配座。これにはシクロヘキサンの立体配座やその他の詳細が含まれます。
• アリルひずみ– sp ²炭素と sp ³炭素間の単結合の回転に関連するエネルギー。
• アトロプ異性体- 結合周りの回転が制限されているため。
• 生体高分子（核酸やタンパク質）の二次構造と三次構造を含むフォールディング。 ^[10]
• アカンプティソマー– 結合角の反転が制限されるため。

配座異性体は動的平衡状態にあり、異性体の相対的な自由エネルギーが各異性体の個体数を決定し、回転エネルギー障壁が異性体間の相互変換速度を決定する：^[11]

${\displaystyle K=e^{-\Delta G^{\circ }/RT},}$

ここで、Kは平衡定数、ΔG °は2つのコンフォーマー間の標準自由エネルギーの差（kcal/mol）、Rは普遍気体定数（1.987×10 ⁻³ kcal/mol K）、Tはケルビン単位のシステム温度です。298 Kでのkcal/molの単位では、

${\displaystyle K\approx 10^{-\Delta G^{\circ }/(1.36{\text{ kcal}}/\mathrm {mol} )}.}$

したがって、1.36 kcal/mol は、室温付近の温度での平衡定数の約 10 倍に相当します。(「1.36 ルール」は、一般に、自由エネルギー差から室温での平衡定数を推定するのに役立ちます。温度が低いほど、所定の平衡定数を得るために必要なエネルギー差は小さくなります。)

異なる温度での 2 つのコンフォーマーの平衡分布を示す図には、3 つの等温線が示されています。自由エネルギーの差が 0 kcal/mol の場合、平衡定数は 1 となり、2 つのコンフォーマーが 1:1 の比率で存在することを意味します。2 つの自由エネルギーは等しく、どちらもより安定しているわけではなく、したがってどちらも他方に比べて優勢ではありません。自由エネルギーの差が負の場合、コンフォーマーは熱力学的により安定したコンフォーメーションに相互変換することを意味し、したがって平衡定数は常に 1 より大きくなります。たとえば、ブタンがゴーシュコンフォーマーからアンチコンフォーマーに変換されるΔ G° は、298 K で -0.47 kcal/mol です。^[12]これにより、平衡定数はアンチコンフォーマーに有利な約 2.2 となり、平衡時にはゴーシュコンフォーマーとアンチコンフォーマーの比率は 31:69になります。逆に、自由エネルギーの差が正であるということは、そのコンフォーマーがすでにより安定しているということであり、そのため相互変換は不利な平衡状態（K  < 1）となります。非常に不利な変化（大きな正の Δ G°）の場合でも、温度を上げることで 2 つのコンフォーマー間の平衡定数を増やすことができるため、平衡状態にあるより不安定なコンフォーマーの量が増加します（ただし、常にマイナーコンフォーマーのままです）。

異なるコンフォーマーの分数分布はボルツマン分布に従う：^[13]

${\displaystyle {\frac {N_{i}}{N_{\text{total}}}}={\frac {e^{-E_{i}/RT}}{\sum _{k=1}^{M}e^{-E_{k}/RT}}}.}$

左辺は、熱力学的平衡にあるM個のコンフォーマーの平衡混合物中のコンフォーマーiの割合です。右辺では、E _k ( k = 1, 2, ..., M ) はコンフォーマーkのエネルギー、Rは理想気体のモル定数 (約 8.314 J/(mol·K) または 1.987 cal/(mol·K) に等しい)、T は絶対温度です。右辺の分母は分配関数です。

置換基の静電的および立体的相互作用、ならびに超共役などの軌道相互作用の影響は、コンフォーマーとその遷移状態の相対的安定性に関係している。これらの要因の寄与は置換基の性質によって異なり、エネルギー障壁にプラスまたはマイナスに寄与する可能性がある。エタンなどの小分子の計算研究では、静電効果がエネルギー障壁に最も大きく寄与していることが示唆されているが、障壁は伝統的に主に立体的相互作用に起因するとされている。^{[14] [15]}

環状システムの場合、立体効果と自由エネルギーへの寄与は、シクロヘキサン上の置換基が軸方向にある場合と赤道位置にある場合のエネルギー差を測定するA値で近似することができます。大きな（14原子を超える）環では、歪みのないダイヤモンド格子に対応する、アクセス可能な低エネルギー配座が多数存在します。^[16]

相互変換のタイムスケールが短いため、ほとんどの場合、配座異性体の分離は不可能である。アトロプ異性体は、回転が制限されているため分離できる配座異性体である。^[17]配座異性体間の平衡は、さまざまな分光技術を使用して観察することができる。

タンパク質の折り畳みにより、観察可能な安定したコンフォメーション異性体も生成されます。Karplus方程式は、隣接プロトンの二面角とNMRで測定されたJ結合定数を関連付けます。この方程式は、タンパク質の折り畳みだけでなく、他の剛性脂肪族分子のコンフォメーションの解明にも役立ちます。^[18]タンパク質側鎖は回転異性体を示し、その分布はバックボーンのさまざまなコンフォメーションとの立体的相互作用によって決まります。^{[19]これは、}バックボーン依存回転異性体ライブラリのタンパク質側鎖のコンフォメーションの統計的分析から明らかです。

シクロヘキサン誘導体では、2つの椅子型配座異性体は室温で急速に相互変換し、シクロヘキサン自体は約10 ⁵ リングフリップ/秒の速度でリングフリップを起こし、全体のエネルギー障壁は10 kcal/mol（42 kJ/mol）であるため、室温では分離できません。^{[20]しかし、}凝集点以下の低温では、NMR分光法で平衡を直接監視でき、動的温度依存NMR分光法で障壁の相互変換を監視できます。^[21]

構造異性（およびその他の異性）のダイナミクスは、さまざまな温度でNMR分光法によって監視できます。この技術は 8～14 kcal/mol の障壁に適用され、このようなダイナミクスを示す種は「フラクショナル」 と呼ばれることがよくあります。

NMR分光法の他に、IR分光法もコンフォーマー比の測定に使用されます。ブロモシクロヘキサンの軸方向および赤道方向コンフォーマーでは、νCBr_はほぼ50cm ⁻¹異なります。^[20]

反応速度は反応物の配座に大きく依存する。多くの場合、カーティン・ハメット原理により、優勢な生成物はより少ない配座異性体の反応から生じる。これは、配座平衡が生成物を形成する反応よりはるかに速い状況で典型的である。したがって、反応の立体化学的配向への依存性は、通常、特定の配座が置換基によって固定されている配置異性体でのみ見られる。ケトン還元、アルコール酸化、求核置換など、sp2状態とsp3状態間の遷移を伴う多くの反応の速度の予測は、すべての配座異性体と、それらの歪みによって支配される相対的安定性を考慮に入れれば可能である。^[22]

配置異性体の一例としては、塩基の影響下で ビシナルまたはアンチペリプラナー位置からプロトンと脱離基を同時に除去する脱離反応が挙げられます。

このメカニズムでは、離れていく原子または基が反平行軌道をたどる必要があります。開鎖基質の場合、この幾何学的前提条件は、3つのずらした配座異性体のうち少なくとも1つによって満たされます。ただし、シクロヘキサンなどの一部の環状基質では、配座ロックを設定する置換基によっては、反平行配置が達成できない場合があります。^[23]シクロヘキサン環上の隣接する置換基は、トランスジアキシャル位置（つまり、両方がアキシャル位置にあり、一方が上向き、もう一方が下向き）を占める場合にのみ、反ペリプラナリティを達成できます。

この分析の結果、trans -4- tert -ブチルシクロヘキシルクロリドは容易に脱離できず、代わりに置換を受ける（下の図を参照）ことが分かった。これは、最も安定した配座ではかさばるt -Bu 基がエクアトリアル位にあるため、塩化物基はどの隣接水素とも反ペリプラナーではない（4つすべてに対してゴーシュである）ためである。熱力学的に不利な配座では、t -Bu 基がアキシャル位にあり、エネルギーが 5 kcal/mol 以上高い（A 値を参照）。^[24]その結果、t -Bu 基はエクアトリアル位にある配座で環を「固定」し、置換反応が観察される。一方、cis -4- tert -ブチルシクロヘキシルクロリドは、 t -Bu 基が好ましいエクアトリアル位にある ときに Cl と H の反ペリプラナー性を達成できるため、脱離を受ける。

軸性t-ブチル基と 1,3-ジアキシャル位置の水素原子との間の反発は非常に強いため、シクロヘキサン環はねじれたボート型構造に戻ります。環状構造のひずみは、通常、理想的な結合角(バイヤーひずみ)、理想的なねじれ角(ピッツァーひずみ)、またはトランスアニュラー(プレログ) 相互作用からの偏差によって特徴付けられます。

アルカンの配座異性体は、 sp ³混成炭素-炭素シグマ結合の周りの回転から生じます。そのような化学結合を持つ最小のアルカンであるエタンは、C-C 結合の周りの回転に関して無数の配座として存在します。これらのうち 2 つは、エネルギー最小 (ねじれ配座) とエネルギー最大 (重なり配座) の形式として認識されています。特定の配座の存在は、シグマ結合の周りの回転が妨げられるためですが、競合する理論では 超共役の役割が提案されています。

エネルギー最小値とエネルギー最大値の重要性は、これらの概念をより複雑な分子に拡張することで明らかになります。これらの分子では、安定な配座が最小エネルギー形態として予測される可能性があります。安定な配座の決定は、不斉誘導の概念の確立と、立体効果によって制御される反応の 立体化学を予測する能力にも大きな役割を果たしました。

ニューマン投影図におけるねじれエタンの例では、一方の炭素原子上の水素原子は、もう一方の炭素原子上の最も近い水素原子に対して60°のねじれ角またはねじれ角^{[25]を持ち、}立体障害が最小限に抑えられます。ねじれ配座は、エタンのエネルギー最大値である重なり配座よりも12.5 kJ / mol安定しています。重なり配座ではねじれ角が最小化されます。

ブタンでは、2 つのずらした配座はもはや同等ではなく、2 つの異なる配座異性体、すなわちアンチ配座(下図の左端) とゴーシュ配座(下図の右端) を表します。

どちらの配座もねじれひずみはありませんが、ゴーシュ配座では、2 つのメチル基がファンデルワールス半径の合計よりも近くにあります。2 つのメチル基間の相互作用は反発的 (ファンデルワールスひずみ) であり、エネルギー障壁が生じます。

ブタン異性体の基底状態よりも立体障害が大きい場合に蓄えられるポテンシャルエネルギーの尺度は、次の値で与えられる： ^[26]

• ゴーシュ、配座異性体 – 3.8 kJ/mol
• 重複したHとCH ₃ – 16 kJ/mol
• Eclipsed CH ₃および CH ₃ – 19 kJ/mol。

重なり合ったメチル基は、孤立した水素原子に比べて電子密度が大きいため、より大きな立体的歪みを及ぼします。

エタンの重なり合った配座のエネルギー最大値の存在に対する教科書的な説明は立体障害であるが、CC結合長は154 pmで、水素のファンデルワールス半径は120 pmであるため、エタンの水素原子は互いの邪魔になることはない。重なり合ったエネルギー最大値の原因が立体障害であるかどうかという問題は、今日まで議論の的となっている。立体障害の説明に代わる1つの方法は、自然結合軌道の枠組み内で分析される超共役に基づくものである。 ^{[27] [28] [29]}ねじれ配座では、1つのCHシグマ 結合軌道が、もう1つのCH結合の反結合軌道に電子密度を供与する。この効果のエネルギー安定化は、ねじれ配座で発生する2つの軌道の重なりが最大になると最大になる。重なり合った配座には重なりがなく、不利なエネルギー最大値につながる。一方、定量的分子軌道理論の分析では、2軌道4電子（立体）反発が超共役よりも優勢であることが示されている。^[30]原子価結合理論の研究でも立体効果の重要性が強調されている。^[31]

IUPACゴールドブックに記載されている標準に従ってアルカンを命名することは、単結合の周りの置換基間の角度（ねじれ角または二面角と呼ばれる）を指定するためのクライン・プレログシステムに従って行われます。^[25]

• 0°から±90°までのねじれ角はsyn （s）と呼ばれる。
• ±90°から180°までのねじれ角は反ねじれ角と呼ばれる。
• 30°から150°の間、または-30°から-150°の間のねじれ角は、クリナル（c）と呼ばれます。
• 0°から±30°または±150°から180°までのねじれ角は、ペリプラナー（p）と呼ばれます。
• 0°から±30°の間のねじれ角はシンペリプラナー（sp）と呼ばれ、シンまたはシス配座とも呼ばれます。
• 30°から90°および-30°から-90°の間のねじれ角はシンクリナル（sc）と呼ばれ、ゴーシュまたはスキューとも呼ばれます^[32]
• 90°から150°または-90°から-150°の間のねじれ角は、反斜角（ac）と呼ばれます。
• ±150°から180°の間のねじれ角は反ペリプラナー（ap）と呼ばれ、反またはトランスコンフォメーションとも呼ばれます。

ねじりひずみまたは「ピッツァーひずみ」は、結合部のねじれに対する抵抗を指します。

n-ペンタンでは、末端メチル基がペンタンによるさらなる干渉を受ける。

ポリテトラフルオロエチレン中の水素をフッ素に置き換えると、1,3位のフッ素原子の静電反発により、立体化学がジグザグ形状かららせん形状に変化する。結晶状態でのらせん構造の証拠は、X線結晶構造解析、NMR分光法、溶液中の円二色性から得られている。 ^[33]

Wikiquote に、配座異性体に関する引用があります。

• アノマー効果
• バックボーン依存ロータマーライブラリ
• シクロアルカン
• シクロヘキサン
  • シクロヘキサンの配座。
• ゴーシュ効果
• 異性体
• クライン・プレログ系
• 大環状立体制御
• 分子構成
• 分子モデリング
• 分子の対称性 § 分子の非剛性
• 立体効果
• ひずみ（化学）