Anomerer Effekt

Grundidee und räumliche Anordnung

Der anomere Effekt ist in der organischen Chemie die Tendenz bestimmter Atome bzw. Substituenten, eine energetisch günstigere räumliche Position einzunehmen. Er widerspricht dabei einer rein sterischen Betrachtung, also der Erwartung, dass räumlich weniger behinderte Anordnungen bevorzugt werden.

Genauer bevorzugt ein Heteroatom als Substituent an einem Kohlenstoffatom neben einem Heteroatom eines Cyclohexanrings häufig die axiale gegenüber der sterisch weniger gehinderten äquatorialen Position. Bei zwei elektronegativen Substituenten an einem Kohlenstoffatom ist entsprechend eine synclinale Anordnung der betreffenden Bindungen gegenüber einer antiperiplanaren Anordnung bevorzugt. Das betreffende Kohlenstoffatom heißt anomerer Kohlenstoff.

Der Effekt zeigt sich auch bei einer Umwandlung der Sesselkonformation eines Rings: Dabei werden axiale und äquatoriale Positionen vertauscht. Dennoch ist jeweils die Konformation bevorzugt, in der die Hydroxygruppe axial steht. Den Begriff „anomerer Effekt“ führten Raymond Lemieux und N. J. Chu 1958 ein.

Beobachtung in Ringen und Zuckern

Der anomere Effekt wurde zuerst bei Tetrahydropyranen beobachtet. Elektronegative Substituenten, etwa Alkoxygruppen oder Halogene, bevorzugen in der 2-Position des Tetrahydropyranrings die axiale Konformation gegenüber der äquatorialen.

Dies ist zunächst unerwartet: In axialer Stellung treten 1,3-diaxiale Wechselwirkungen auf, die diese Konformation gegenüber der äquatorialen eigentlich destabilisieren sollten. Bei substituiertem Cyclohexan ohne anomeren Effekt wird deshalb normalerweise die äquatoriale Stellung eines Substituenten bevorzugt, weil sie solche 1,3-diaxialen Wechselwirkungen vermeidet.

Bedeutung für Zucker

Für Konformation und Reaktivität von Zuckern ist der anomere Effekt besonders wichtig. Er stabilisiert dort das α-Anomer, obwohl dessen OH-Gruppe axial und daher sterisch ungünstig angeordnet ist. Ein Anomer ist eine Form eines Zuckers, die sich in der Anordnung am anomeren Kohlenstoff unterscheidet.

Auch bei der Synthese von Alkylglucopyranosiden sind α-Anomere stabiler als β-Anomere. Diese Beobachtung wurde zuerst 1905 von C. L. Jungins beschrieben und 1955 von John T. Edward sowie 1958 von Raymond Lemieux weiter untersucht. Der anomere Effekt wird daher auch Edward-Lemieux-Effekt genannt.

Erklärungen und heutige Einordnung

Zur Erklärung des anomeren Effekts wurden Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Coulomb-Wechselwirkungen, Mesomerie, negative Hyperkonjugation und nichtklassische CH-X-Wasserstoffbrückenbindungen vorgeschlagen. Eine Studie aus dem Jahr 2018 kommt jedoch zu dem Ergebnis, dass keine einzelne Erklärung den Effekt präzise genug begründet. Vielmehr beruht er auf einem nicht trivialen Zusammenspiel mehrerer korrelierter Wechselwirkungen, deren Bedeutung je nach Substrat unterschiedlich ist. Der Studie zufolge spielt negative Hyperkonjugation vermutlich eine geringere Rolle als bisher angenommen, während intramolekulare Coulomb-Wechselwirkungen bedeutend sind. Negative Hyperkonjugation ist trotzdem in vielen Lehrbüchern der organischen Chemie und der Orbitaltheorie als Erklärung anerkannt.

Einzelne Deutungsmodelle

Beim Dipol-Dipol-Modell nach John Edward von 1955 stoßen sich der Dipol der C-X-Gruppe, wobei X ein elektronegativer Rest ist, und der Dipol der C-O-C-Gruppe ab. In äquatorialer Konformation sind beide Dipole in einer Ebene gleichgerichtet; der Dipolcharakter der antiperiplanaren Stellung ist dadurch insgesamt hoch. In synclinaler Stellung heben sich die Dipole teilweise auf, was energetisch günstiger ist. Polare Lösungsmittel mit großen Dielektrizitätskonstanten stabilisieren dagegen das polarere Isomer mit äquatorialem X stärker und wirken dem anomeren Effekt entgegen.

Nach Lemieux und Chu von 1971 ist in der axialen Konformation die Coulomb-Abstoßung zwischen X und dem Ring-Sauerstoff kleiner als in der äquatorialen. Romers und Havinga führten 1969 zudem Mesomerie mit No-bond-Grenzformeln an, die nur in axialer Konformation möglich sei.

Die negative Hyperkonjugation erklärt den Effekt mit einer Elektronendichte-Spende aus einem nicht bindenden 2p-Orbital des Ring-Sauerstoffs in das σ*-Orbital der C-X-Bindung. Dies gelingt nur bei antiperiplanarer Ausrichtung; bei äquatorialem X fehlt der Orbitalüberlapp und damit der Energiegewinn. Als Hinweis gelten Kristallstrukturen mit verlängerter C-X- und verkürzter C-O-Bindung. Takahashi, Yamasaki und Nishio wiesen 2009 außerdem auf eine mögliche nichtklassische Wasserstoffbrückenbindung zwischen axialem X und einem synaxialen Wasserstoffatom hin.