ハロアルカン

ハロアルカン（ハロゲノアルカンまたはアルキルハライドとも呼ばれる）は、1つ以上のハロゲン置換基を含むアルカンである。 [ 1 ]ハロ^カーボンの一般的なクラスのサブセットであるが、区別されることはあまりない。ハロアルカンは商業的に広く使用されている。難燃剤、消火剤、冷媒、噴射剤、溶剤、医薬品として使用されている。商業的に広く使用されるようになった後、多くのハロカーボンは深刻な汚染物質や毒素であることも明らかになっている。たとえば、クロロフルオロカーボンはオゾン層の破壊につながることがわかっている。臭化メチルは物議を醸す燻蒸剤である。塩素、臭素、ヨウ素を含むハロアルカンのみがオゾン層を脅かすが、フッ素化された揮発性ハロアルカンは理論上、温室効果ガスとしての活性を持つ可能性がある。しかし、天然物質であるヨウ化メチルにはオゾン層破壊特性がなく、米国環境保護庁はこの化合物を非オゾン層破壊物質に指定しています。詳細については、ハロメタンを参照してください。ハロアルカンまたはアルキルハライドは、一般式「RX」を持つ化合物です。ここで、R はアルキルまたは置換アルキル基であり、X はハロゲン (F、Cl、Br、I) です。

ハロアルカンは何世紀にもわたって知られています。クロロエタンは15 世紀に生産されました。このような化合物の体系的な合成は、有機化学の発展とアルカンの構造の理解とともに 19 世紀に発展しました。C-ハロゲン結合を選択的に形成する方法が開発されました。特に用途の広い方法には、アルケンへのハロゲンの付加、アルケンのハロゲン化水素化、アルコールのアルキルハロゲン化物への変換などがあります。これらの方法は非常に信頼性が高く、簡単に実行できるため、ハロゲン化物を他の官能基でさらに置き換えることができるため、ハロアルカンは工業化学で安価に利用できるようになりました。

多くのハロアルカンは人間によって生成されますが、かなりの量は生物起源です。

構造的観点から、ハロアルカンは、ハロゲンが結合している炭素原子の結合性によって分類することができます。第一級（1°）ハロアルカンでは、ハロゲン原子を運ぶ炭素は、他の1つのアルキル基にのみ結合しています。例としては、クロロエタン（CH
₃中国語
₂Cl）。第二級（2°）ハロアルカンでは、ハロゲン原子を持つ炭素は2つのC–C結合を持ちます。第三級（3°）ハロアルカンでは、ハロゲン原子を持つ炭素は3つのC–C結合を持ちます。

ハロアルカンは、特定のハロゲノアルカンに対応する 17 族のハロゲンの種類によっても分類できます。フッ素、塩素、臭素、ヨウ素に結合した炭素を含むハロアルカンは、それぞれ有機フッ素、有機塩素、有機臭素、有機ヨウ素化合物になります。2 種類以上のハロゲンを含む化合物も可能です。広く使用されているハロアルカンのいくつかのクラスは、このようにクロロフルオロカーボン(CFC)、ハイドロクロロフルオロカーボン(HCFC)、ハイドロフルオロカーボン(HFC) に分類されます。これらの略語は、ハロアルカンの環境への影響に関する議論で特によく使用されます。

ハロアルカンは一般に、無色、比較的無臭、疎水性という点で親アルカンに類似しています。クロロアルカン、ブロモアルカン、ヨードアルカンの融点と沸点は、類似のアルカンよりも高く、原子量とハロゲン化物の数に比例します。この効果は、分極率の増加によりロンドン分散から双極子間相互作用まで、分子間力が強くなるためです。したがって、テトラヨードメタン( CI
₄）は固体であるのに対し、テトラクロロメタン（CCl
₄）は液体である。しかし、多くのフルオロアルカンはこの傾向に反し、フッ素の分極率の低下により、非フッ素化類似体よりも融点と沸点が低くなる。例えば、メタン（CH
₄）の融点は−182.5℃であるのに対し、テトラフルオロメタン（CF
₄）の融点は−183.6℃である。

ハロアルカンは C–H 結合が少ないためアルカンよりも燃えにくく、消火器に使用されているものもあります。ハロアルカンは極性が高いため、対応するアルカンよりも溶媒として適しています。フッ素以外のハロゲンを含むハロアルカンは、親アルカンよりも反応性が高く、この反応性がほとんどの論争の根拠となっています。多くはアルキル化剤であり、第一級ハロアルカンとより重いハロゲンを含むハロアルカンが最も活性です (フルオロアルカンは通常の状態ではアルキル化剤として機能しません)。CFC のオゾン層破壊能力は、C–Cl 結合の 光不安定性から生じます。

推定41億kgのクロロメタンが自然発生的に毎年生産されている。^[2]海洋からは毎年100万～200万トンの臭素メタンが放出されていると推定されている。^[3]

ハロアルカンの正式な命名は、ハロゲンをアルカンの接頭辞とするIUPAC 命名法に従う必要があります。たとえば、臭素を含むエタンはブロモエタンになり、 4 つの塩素基を含むメタンはテトラクロロメタンになります。ただし、これらの化合物の多くには、クロロホルム(トリクロロメタン) やメチレンクロライド (ジクロロメタン)など、IUPAC 命名法で承認された慣用名がすでに確立されています。しかし、今日では IUPAC 命名法が使用されています。混乱を減らすため、この記事では全体を通じて体系的な命名スキームに従います。

ハロアルカンは、事実上すべての有機前駆体から生成できます。産業界の観点から、最も重要なのはアルカンとアルケンです。

アルカンは、フリーラジカルハロゲン化によってハロゲンと反応します。この反応では、アルカンから水素原子が除去され、次に二原子ハロゲン分子との反応によってハロゲン原子に置き換えられます。フリーラジカルハロゲン化では通常、さまざまな位置でモノハロゲン化またはマルチハロゲン化された化合物の混合物が生成されます。

ハロゲン化水素化では、アルケンが塩化水素( HCl ) や臭化水素( HBr ) などの乾燥したハロゲン化水素 ( HX ) 求電子剤と反応してモノハロアルカンが形成される。アルケンの二重結合は、2 つの新しい結合に置き換えられ、1 つはハロゲンとの結合、もう 1 つはハロゲン化水素酸の水素原子との結合である。マルコフニコフの法則によれば、通常の条件下では、水素は最も多くの水素置換基を持つ不飽和炭素に結合している。この法則は、隣接する官能基が多重結合を分極させる場合、またはフリーラジカル機構によって起こる特定の臭化水素付加 (過酸化物存在下での付加およびウォル・チーグラー反応) の場合に違反する。

_{アルケンはハロゲン (X 2} )とも反応して、ハロゲン付加反応で隣接する 2 つのハロゲン原子を持つハロアルカンを形成します。アルキンも同様に反応してテトラハロ化合物を形成します。試薬 X ₂は有色で、生成物は通常無色無臭である ため、これはハロゲンの「脱色」と呼ばれることもあります。

アルコールはハロアルカンに変換できる。ハロゲン化水素酸との直接反応では純粋な生成物が得られることは稀で、代わりにエーテルが生成される。しかし、いくつかの例外が知られている。イオン液体はエーテルの生成を抑制したり、エーテルの分解を促進したり、^[4] 塩酸は第三級アルコールをクロロアルカンに変換したり、第一級アルコールと第二級アルコールは塩化亜鉛などのルイス酸活性剤の存在下で同様に変換する。後者はルーカス試験で利用される。

実験室では、より活性な脱酸素剤とハロゲン化剤を塩基と組み合わせることで変換が行われます。「ダルゼンのハロゲン化」では、塩化チオニル （SOCl
₂）とピリジンを反応させると、反応性の低いアルコールが塩化物に変換される。五塩化リン（PCl
₅）および三塩化リン（PCl
₃）も同様に作用し、アルコールは臭化水素酸または三臭化リン（PBr ₃）下で臭化アルカンに変換される。より重いハロゲンには、前もって形成された試薬は必要ない。触媒量のPBr
₃リンと臭素を使用した変換に使用できる。PBr
₃はその場で生成される。^{[5]ヨードアルカンも同様に赤}リンとヨウ素（三ヨウ化リンに相当） を用いて製造することができる。

命名された反応の1つのファミリーは、トリフェニルホスフィンの脱酸素効果に依存しています。アッペル反応では、試薬はテトラハロメタンとトリフェニルホスフィンであり、副産物はハロホルムとトリフェニルホスフィンオキシドです。光延反応では、試薬は任意の求核剤、トリフェニルホスフィン、およびジアゾジカルボキシレートであり、副産物はトリフェニルホスフィンオキシドとヒドラゾジアミドです。

カルボン酸からハロアルカンを合成する方法には、フンスディーカー反応と コーチ反応の 2 つがあります 。

多くのクロロアルカンとブロモアルカンは自然に生成されます。主な経路にはクロロペルオキシダーゼとブロモペルオキシダーゼという酵素が関与しています。

第一級芳香族アミンは亜硝酸ナトリウム溶液中でジアゾニウムイオンを生成する。この溶液を塩化銅(I)で加熱すると、ジアゾニウム基が-Clに置き換わる。これは、ガス状生成物をアリールハライドから簡単に分離できるため、アリールハライドを製造する比較的簡単な方法である。

ヨウ化物を作る場合、塩化銅は必要ありません。ヨウ化カリウムを軽く振って加えるとハロアルカンが生成されます。

ハロアルカンは求核剤に対して反応性があります。これらは極性分子です。ハロゲンが結合している炭素はわずかに電気陽性ですが、ハロゲンはわずかに電気陰性です。その結果、電子不足（求電子性）の炭素が生成され、必然的に求核剤を引き付けます。

置換反応では、ハロゲンが別の分子に置き換えられ、飽和炭化水素とハロゲン化生成物が残ります。ハロアルカンは R ⁺ シントンとして機能し、求核剤と容易に反応します。

加水分解は、水が結合を切断する反応であり、ハロアルカンの求核性を示す良い例です。極性結合は水酸化物イオン OH ⁻を引き付けます(このイオンの一般的な発生源はNaOH _{(aq)です)。この OH} ⁻は明らかに負に帯電した求核剤で、余分な電子を持っているため、それらを炭素に提供し、その結果、両者の間に共有結合が形成されます。したがって、C–X はヘテロリティック分裂によって切断され、ハロゲン化物イオン X ⁻が生成されます。ご覧のように、OH はアルキル基に結合してアルコールが生成されます(たとえば、臭化エタンの加水分解ではエタノールが生成されます)。アンモニアとの反応では、第一級アミンが生成されます。

クロロアルカンとブロモアルカンは、フィンケルシュタイン反応でヨウ化物によって容易に置換されます。生成されたヨードアルカンは、容易にさらなる反応を起こします。ヨウ化ナトリウムが触媒として使用されます。

ハロアルカンはイオン性求核剤（シアン化物、チオシアン酸塩、アジドなど）と反応し、ハロゲンをそれぞれの基で置換します。これは合成上非常に有用で、クロロアルカンは安価に入手できる場合が多いです。例えば、置換反応を受けた後、シアノアルカンはカルボン酸に加水分解されるか、水素化アルミニウムリチウムを使用して第一級アミンに還元されます。アゾアルカンは、シュタウディンガー還元または水素化アルミニウムリチウムによって第一級アミンに還元されます。 アミンは、アミンアルキル化、 ガブリエル合成、およびデレピン反応において、それぞれフタルイミドカリウムまたはヘキサミンによる求核置換反応とそれに続く加水分解によって、アルキルハロゲン化物から調製することもできます。

塩基の存在下で、ハロアルカンはアルコール、アミン、チオールをアルキル化し、それぞれエーテル、N-置換アミン、チオエーテルを生成します。これらはグリニャール試薬によって置換され、マグネシウム塩と拡張アルキル化合物を生成します。

脱ハロゲン化水素反応では、ハロゲンと隣接するプロトンがハロカーボンから除去され、アルケンが形成されます。たとえば、エタノール中の臭化エタンと水酸化ナトリウム (NaOH)では、水酸化物イオン HO ⁻が水素原子を抽出します。その後、臭化物イオンが失われ、エテン、H ₂ O、NaBr が生成されます。したがって、ハロアルカンはアルケンに変換できます。同様に、ジハロアルカンはアルキンに変換できます。

関連する反応では、1,2-ジブロモ化合物は亜鉛末によって脱臭素化されてアルケンとなり、ジェミナルジハロゲン化物は強塩基と反応してカルベンとなります。

ハロアルカンはマグネシウム元素とラジカル反応を起こし、アルキルマグネシウム化合物であるグリニャール試薬を生成します。ハロアルカンはリチウム金属とも反応して有機リチウム化合物を生成します。グリニャール試薬と有機リチウム化合物は両方とも R ^{−シントンとして機能します。}ナトリウムやリチウムなどのアルカリ金属は、ハロアルカンをウルツ反応でカップリングさせ、対称アルカンを生成します。ハロアルカン、特にヨードアルカンは酸化付加反応を起こして有機金属化合物を生成します。

塩素化またはフッ素化アルケンは重合します。重要なハロゲン化ポリマーには、ポリ塩化ビニル(PVC) やポリテトラフルオロエチレン(PTFE、またはテフロン) などがあります。

アルキルフッ化物

医薬品の約5分の1にはフッ素が含まれており、その中にはいくつかの主要医薬品も含まれています。これらの化合物のほとんどはアルキルフッ化物です。^[6]例としては、5-フルオロウラシル、フルニトラゼパム（ロヒプノール）、フルオキセチン（プロザック）、パロキセチン（パキシル）、シプロフロキサシン（シプロ）、メフロキン、フルコナゾールなどがあります。フッ素置換エーテルは揮発性麻酔薬で、市販品のメトキシフルラン、エンフルラン、イソフルラン、セボフルラン、デスフルランなどがあります。

アルキル塩化物

クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエチレン、トリクロロエタンなどの低分子量塩素化炭化水素は有用な溶媒です。年間数百万トンの塩素化メタンが生産されています。クロロメタンはクロロシランやシリコーンの原料です。クロロジフルオロメタン（CHClF ₂）はテフロンの製造に使用されます。^[7]

アルキル臭化物

臭化アルキルの大規模使用は、その毒性を利用しており、これもまたその有用性を制限しています。臭化メチルも効果的な燻蒸剤ですが、その製造と使用は議論の的となっています。

アルキルヨウ化物

アルキルヨウ化物の大規模な応用例は知られていない。メチルヨウ化物は有機合成においてよく使われるメチル化剤である。

クロロフルオロカーボン

クロロフルオロカーボンは、毒性が比較的低く、気化熱が高いため、冷媒や推進剤としてほぼ普遍的に使用されていました。1980 年代以降、オゾン層破壊の原因となることが明らかになり、その使用は次第に制限され、現在では HFC に大きく置き換えられています。

自然界では大量のクロロメタンと臭化メタンが生産されています。最も懸念されているのは、人為的な発生源で、これらは潜在的に有毒で、発がん性物質でもあります。同様に、ドライクリーニング液など、大規模に生産される人造ハロカーボンの浄化にも大きな関心が寄せられています。揮発性ハロカーボンは、炭素-ハロゲン結合が不安定なため、光化学的に分解します。一部の微生物はハロカーボンを脱ハロゲン化します。この行動は興味深いものですが、浄化速度は一般に非常に遅いです。^[8]

アルキル化剤としてのハロアルカンは潜在的な発がん性物質である。この大きなクラスの化合物の中で反応性の高いものは、一般的により大きなリスクをもたらす（例えば四塩化炭素） 。^[9]

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