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化学において、回転異性体は、主に1つの単結合周りの回転によって互いに異なる化学種である。単結合周りの回転によって異なる分子内の原子のさまざまな配置は、配座とも呼ばれる。ポテンシャルエネルギー曲面上の局所的最小値を表す配座は、コンフォーマーと呼ばれる。[ 1 ]コンフォーマーは、複数の結合の回転によって互いに異なる場合がある。回転異性体は、コンフォーマーのサブセットである。[ 2 ]コンフォーマー/回転異性体は通常、エネルギーがほとんど異ならないため、実際的な意味で分離することはほとんどない。単結合周りの回転には、小さなエネルギー障壁がある。[ 3 ]相互変換の時間スケールが個々の回転異性体を分離するのに十分な長さである場合（通常、相互変換の半減期が1000秒以上と任意に定義される）、その種はアトロピソマーと呼ばれる。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]置換シクロヘキサンの環反転は、一般的な配座異性体の一種である。[ 7 ]
結合回転のエネルギー論の研究は、立体配座解析と呼ばれます。[ 8 ]場合によっては、立体配座解析を使用して、生成物の選択性、反応のメカニズム、および反応速度を予測および説明することができます。[ 9 ]立体配座解析は、合理的で構造に基づいた医薬品設計においても重要な役割を果たします。
エタンとプロパンの分子は、炭素-炭素結合を回転させることで、3つの局所的な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、スタッガード配座異性体と呼ばれる。各分子において、各炭素-炭素結合から伸びる3つの置換基はスタッガードしており、各H-C-C-H二面角（およびプロパンの場合はH-C-C-CH 3二面角）は60°（またはプロパンの場合は約60°）に等しい。二面角がゼロである3つのエクリプス配座は、等価な2つのエネルギー極小値であるスタッガード配座異性体を結ぶ遷移状態（エネルギー極大値）である。
ブタン分子は、単結合の回転によって2種類の非等価な構造（アンチ配座異性体とゴーシュ配座異性体として知られる）が生じる最も単純な分子である（図を参照）。
例えば、ブタンには2つのメチル基（CH₃）に関連する3つの配座異性体が存在します。2つのゴーシュ配座異性体はメチル基が±60°離れており、鏡像異性体です。1つのアンチ配座異性体は4つの炭素中心が同一平面上にあり、置換基が180°離れています（ブタンの自由エネルギー図を参照）。ゴーシュ配座異性体とアンチ配座異性体の間のエネルギー差は、ゴーシュ配座異性体のひずみ エネルギーに関連して0.9 kcal/molです。したがって、アンチ配座異性体が最も安定しています（≈ 0 kcal/mol）。二面角が0°、120°、240°の3つの重なり配座は、配座異性体間の遷移状態です。[ 8 ] 2 つの重なり合った配座はエネルギーが異なることに注意してください。0° では 2 つのメチル基が重なり合っており、その結果、120° ではメチル基が水素と重なり合っている (約3.5 kcal /mol) よりも高いエネルギー (約5 kcal/mol) になります。[ 12 ]
中心の C–C 結合 (エタンの C1–C2、ブタンの C2–C3、ヘキサンの C3–C4 など) 周りの回転を伴う非分岐直鎖アルカンの配座解析の主な特徴は、おおまかな近似関数で示すことができます。[ 13 ]この系列のメンバーは、添え字n = 1、2、3など、一般式 C 2n H 4n+2を持ちます。アルカンでは結合角がすべて四面体理想に近いので、角度歪みは無視できると仮定できます。したがって、エネルギープロファイルは周期的で、sp³混成炭素原子の三回対称性により、（120°）周期性が生じる。これは正弦波状のポテンシャルエネルギー関数を示唆している。通常は、支配的な項に切り捨てられたフーリエ級数を使用してモデル化されます。 [ 14 ]
ここ：
アルカンの場合、支配的な用語は通常は、三重回転対称性を反映している。立体効果が変化する場合には、精度を高めるために高次の項を含めることができる。主な寄与は、アルキル基の重なりによるねじれ歪みから生じ、立体相互作用は置換基のサイズ（エタンの場合は H–、ブタンの場合はCH 3 –、ヘキサンの場合はC 2 H 5 – など）とともに増加し、学期炭素原子の数は、中心のC–C結合上の置換基の大きさに明らかに影響します。一般に、偶数個の炭素原子からなる直鎖状アルカンでは、2つのC n-1 H 2n-1基の置換基が存在します。
回転分光データと理論計算[ 15 ]から得られたエネルギー値を用いたパラメータ化により、以下の簡略化された式が得られる。
ここkcal/molで表され、この関数は、角度歪みと長距離相互作用をほぼ無視しています。シリーズのメンバー。
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、配座異性体を記述するためにクライン・プレローグシステムを使用する必要があります。[ 8 ]
立体配座のより具体的な例については、別の箇所で詳しく説明されています。
一般的に、コンフォーマーは動的平衡状態にある。[ 17 ]
図には、さまざまな温度での 2 つのコンフォーマーの平衡分布を示す 3 つの等温線が示されています。自由エネルギー差が 0 kcal/mol の場合、この分析では平衡定数が 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、どちらもより安定ではないため、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安定な配座に相互変換するため、平衡定数は常に 1 より大きくなります。たとえば、ブタンのゴーシュ配座からアンチ配座への変換の Δ G°は298 K で−0.47 kcal/mol です。[ 18 ]これにより、平衡定数はアンチ配座に有利な約 2.2 となり、平衡状態ではゴーシュ配座とアンチ配座が31:69 の比率で混合されます。逆に、自由エネルギーの差が正であるということは、コンフォーマーが既に安定していることを意味するため、相互変換は不利な平衡状態となる（K < 1）。
様々なコンフォーマーの分率分布はボルツマン分布に従う：[ 19 ]
左辺は、熱力学的平衡状態にあるM 個のコンフォーマーの平衡混合物におけるコンフォーマー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はモル理想気体定数 (約 8.314 J/(mol·K) または 1.987 cal/(mol·K))、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が、コンフォーマーとその遷移状態の相対的な安定性に関与している。これらの要因の寄与は置換基の性質によって異なり、エネルギー障壁に正または負の寄与をする可能性がある。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、障壁は従来、主に立体的相互作用に起因するとされてきた。[ 20 ] [ 21 ]
環状系の場合、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アキシャル位置にある場合とエクアトリアル位置にある場合のエネルギー差を測定するA値によって近似できます。大きな（>14原子）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。[ 22 ]
相互変換の短い時間スケールでは、ほとんどの場合、コンフォーマーの分離は不可能です。アトロプ異性体は、回転が制限されているため分離可能な配座異性体です。[ 23 ]配座異性体間の平衡は、さまざまな分光学的技術を使用して観察できます。[ 24 ]
タンパク質の折り畳みによっても、観察可能なコンフォーマーが生成されます。カルプラス方程式は、隣接するプロトンの二面角と、NMRで測定されたそれらの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、他の剛直な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。[ 25 ]タンパク質の側鎖は回転異性体を示し、その分布は、主鎖の異なるコンフォメーションとの立体相互作用によって決定されます。この効果は、Backbone-dependent rotamer libraryにおけるタンパク質側鎖のコンフォメーションの統計分析から明らかです。[ 26 ]
立体配座ダイナミクスは、可変温度NMR分光法によってモニターすることができる。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しばしば「流動的」と呼ばれる。例えば、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する。環反転は約10⁵環反転/秒の速度で進行し、 全体のエネルギー障壁は10 kcal/mol（42 kJ/mol）である。この障壁は、室温での分離を妨げる。[ 27 ]しかし、合体点以下の低温では、NMR分光法によって平衡を直接モニターすることができ、動的温度依存NMR分光法によって障壁の相互変換をモニターすることができる。[ 28 ]
NMR分光法に加えて、IR分光法は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のコンフォーマーの場合、ν CBrはほぼ50 cm −1異なります。[ 27 ]
反応速度は反応物の立体配座に大きく依存する。多くの場合、カーティン・ハメットの原理により、優勢な生成物は、あまり一般的でない配座異性体の反応から生じる。これは、立体配座平衡が生成物形成反応よりもはるかに速い場合に典型的である。したがって、反応の立体化学的配向への依存性は、通常、特定の立体配座が置換基によって固定される配置解析でのみ明らかになる。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を予測するには、すべての配座異性体とその歪みによって支配される相対的安定性を考慮に入れる必要がある。 [ 29 ]
回転異性体が重要になる例の一つは脱離反応であり、これは塩基の影響下で、隣接位置またはアンチペリプラナー位置からプロトンと脱離基が同時に除去される反応である。
このメカニズムでは、離脱する原子またはグループが逆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 つのスタッガード配座異性体の少なくとも 1 つによって満たされます。しかし、シクロヘキサンなどの環状基質の場合、配座ロックを設定する可能性のある置換基によっては、逆平行配置が達成できない場合があります。[ 30 ]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、両方とも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、アンチペリプラナリティを達成できます。
この分析の結果、トランス-4- tert-ブチルシクロヘキシルクロリドは容易に脱離せず、置換反応を起こす（下の図を参照）。これは、最も安定な配座ではかさ高いt -Bu基が赤道位置にあるため、塩化物基が隣接する水素とアンチペリプラナーにならない（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基が軸位置にあり、エネルギーが5 kcal/mol以上高くなる（A値を参照）。[ 31 ]その結果、t -Bu基は環を赤道位置にある配座に「固定」し、置換反応が観察される。一方、シス-4- tert-ブチルシクロヘキシルクロリドは、 t -Bu基が好ましい赤道位置にあるときにClとHのアンチペリプラナーが達成されるため、脱離反応を起こす。
軸方向のt-ブチル基と1,3-ジアキシャル位の水素原子との間の反発力は非常に強いため、シクロヘキサン環はねじれた舟形配座に戻ります。環状構造におけるひずみは通常、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）、または環内相互作用（プレログ）からのずれによって特徴付けられます。
アルカンの配座異性体は、 sp³混成炭素-炭素σ結合周りの回転によって生じる。こ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結合周りの回転に関して無限の数の配座異性体として存在する。これらのうち2つは、エネルギー最小（スタッガード配座）とエネルギー最大（エクリプス配座）として認識されている。特定の配座異性体が存在するのは、σ結合周りの回転が阻害されるためであるが、競合する理論では超共役の役割が提唱されている。
エネルギー極小値とエネルギー極大値の重要性は、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る。複雑な分子では、安定な立体配座が最小エネルギー形態として予測される。安定な立体配座の決定は、不斉誘導の概念の確立や、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おいても大きな役割を果たしてきた。
ニューマン投影図におけるスタッガード型エタンの例では、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[ 32 ]を持ち、立体障害が最小化されます。スタッガード型配座は、エタンのエネルギー最大値であるエクリプス型配座よりも 12.5 kJ / mol安定です。エクリプス型配座では、ねじれ角が最小化されます。
ブタンでは、2つのスタッガード配座はもはや等価ではなく、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）を表す。
どちらの配座もねじれ歪みはないが、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い距離にある。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歪み）であり、エネルギー障壁が生じる。
「アンチ」配座の基底状態よりも立体障害が大きいブタン配座に蓄えられたポテンシャルエネルギーの尺度は、次の値で与えられる： [ 33 ]
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高いため、より大きな立体ひずみを及ぼす。
エタンの重なり型配座にエネルギー最大値が存在する理由の教科書的な説明は立体障害ですが、CC結合長が154 pm、水素のファンデルワールス半径が120 pmであるため、エタンの水素原子は互いに邪魔になることはありません。重なり型配座のエネルギー最大値の原因が立体障害であるかどうかは、今日まで議論の的となっています。立体障害の説明に対する代替案の1つは、自然結合軌道フレームワーク内で分析された超共役に基づいています。 [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]スタッガード配座では、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します。この効果のエネルギー的安定化は、2つの軌道が最大の重なりを持つときに最大化され、これはスタッガード配座で発生します。重なり型配座では重なりがなく、エネルギー最大値が不利になる。一方、定量的分子軌道理論による解析では、 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。[ 37 ]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。[ 38 ]
IUPACゴールドブックに記載されている基準に従ってアルカンを命名するには、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）を指定するために、クライン・プレローグシステムに従います。 [ 32 ]
ねじりひずみ、または「ピッツァーひずみ」とは、結合部を中心としたねじれに対する抵抗を指します。
n-ペンタンでは、末端メチル基はペンタンによる干渉をさらに受ける。[ 40 ]
ポリテトラフルオロエチレン中の水素をフッ素に置換すると、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構造かららせん構造に変化する。結晶状態におけるらせん構造の証拠は、X線結晶構造解析、および溶液中のNMR分光法と円偏光二色性から得られている。[ 41 ]
![{\displaystyle V(\theta ,k)=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {V_{k}(n)}{2}}[1-\cos(k\theta )]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4481c7fca35eb5a1a3ea100bcc33f7945439e34d)
![{\displaystyle [1-\cos(k\theta )]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c70c9aa164e3698d6c551ba1858fda0b69fc87a0)
![{\displaystyle V(\theta ,n)=0.25(n-1)[1-\cos(\theta )]+[1.45+0.05(n-1)][1-\cos(3\theta )]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cd19c245941ae4bbdf90da5aea067aed03d6adf6)
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