アルファ効果

アルファ効果とは、孤立電子対を持つ隣接（アルファ）原子の存在により、原子の求核性が増加することをいう。^[2]この最初の原子は、隣接する電子供与原子を持たない類似の原子と比較して必ずしも塩基性が高くなるわけではなく、古典的なブレンステッド型の反応性と塩基性の関係から逸脱する。言い換えれば、アルファ効果とは、ブレンステッドの塩基性度から得られる予測値よりも高い求核性を示す求核剤のことである。代表的な例は、ヒドロペルオキシド（HO ₂ ⁻）とヒドラジン（N ₂ H ₄）の高い求核性であろう。^[3]この効果は現在では数多くの例で十分に確立されており、機構化学および生化学における重要な概念となっている。^[4]しかし、この効果の起源についてはいまだに議論があり、明確な結論は出ていない。

この効果は、1960年にジェンクスとカリウロによって、p-ニトロフェニル酢酸エステルとさまざまな求核剤との反応を含む一連の化学反応速度論実験で初めて観察されました[ 5] [6]。フッ化物アニオン、アニリン、ピリジン、エチレンジアミン、フェノラートイオンなどの通常の求核剤は、pKaで測定^された塩基性に対応する擬似一次_反応速度を持つことがわかりました。しかし、他の求核剤は、この基準のみに基づくと予想されるよりもはるかに速く反応しました。これらには、ヒドラジン、ヒドロキシルアミン、次亜塩素酸イオン、ヒドロペルオキシドアニオンが含まれます。

1962年、エドワーズとピアソン（ HSAB理論の提唱者）は、この異常現象を「アルファ効果」という言葉で表現しました。彼は、この効果は遷移状態（TS）安定化効果によって引き起こされるという提案をしました。TSに入ると、求核剤上の自由電子対は核から離れ、部分的な正電荷を引き起こします。これは、例えばあらゆるカルボカチオンで起こるように、隣接する孤立電子対によって安定化することができます。^[7]

長年にわたり、この効果を説明しようとする多くの追加理論が提唱されてきました。

基底状態不安定化理論では、α孤立電子対と求核電子対の間の電子間反発が電子反発（充填軌道間相互作用）によって互いに不安定化し、それによって基底状態エネルギーが増加して反応性が高まり、活性化障壁が低下すると提唱されている。これはα求核剤の反応性が高いことを説明するが、この電子メカニズムは塩基性も高めるはずであり、したがってα効果を完全に説明できるわけではない。^[4]

このカテゴリには多くの説明が当てはまります。まず、二次軌道相互作用理論では、α 位の電子供与ヘテロ原子が基質との軌道相互作用の増加に寄与し、遷移状態 (TS) を安定化して反応性を高めることができると強調されています。^[8]次に、電子移動 (ET) メカニズムでは、α 位のヘテロ原子が、単一電子移動 (フリーラジカル) 特性を持つ S _{N 2 遷移状態を安定化できることが示されています。} ^[9]よりタイトな遷移状態^[10]や α 求核剤のより高い分極率などの他の駆動力、 分子内 触媒の関与も役割を果たしています。別のコンピューターによる研究では、アルファ効果と、2 つの反応物を遷移状態で一緒にするために必要な電子エネルギーである、いわゆる変形エネルギーとの間に相関関係が見つかりました。^[11]

この説明では、安定した製品がアルファ効果に寄与する可能性があるが、この要因が唯一の要因ではない可能性があると示唆している。^[4]

アルファ効果も溶媒に依存しますが、予測可能ではありません。溶媒混合組成によって増加または減少したり、最大値を通過することもあります。^[12] 少なくともいくつかのケースでは、反応が気相で行われるとアルファ効果が消失することが観察されており、主に溶媒和効果であると結論付ける人もいます。^[13]しかし、同様のアルファ効果が異なる溶媒系で見られる可能性があり、また溶媒和が求核剤の塩基性と求核性の両方に影響を与えるため、この説明には限界があります。^[4]

2021年に発表された最近の論文^[14]で、ハンセンとフェルメーレンは、α効果を示すためのα求核剤に対する2つの要件を提案した。提案された2つの要件は、（1）求核中心の小さなHOMOローブによる立体パウリ反発の最小化と、（2）基質との軌道の重なりを保証する小さなHOMO-LUMO軌道エネルギーギャップであった。α効果を持つためには、これら2つの要件の両方を満たす必要があると提案され、そうでなければ、求核剤はα効果を示さないか、逆のα効果を示すだろう（図2）。この最近の研究では、6つの通常の求核剤（HO ⁻、CH ₃ O ⁻、H ₂ N ⁻、CH ₃ HN ⁻、CH ₃ S ⁻、HS ⁻）はブレンステッド型の相関に従った。 α位にO、HN、Sを持つα求核剤は、基質である塩化エチル（C ₂ H _{5 Cl）とのS N} 2反応におけるブレンステッド型相関からの逸脱の程度とパターンに応じて3つのグループに分類されました（図3）。

まず、下方偏差、すなわち塩基性度を考慮すると反応性が高い、あるいは反応性を考慮すると塩基性度が低い、α求核剤は、α効果を示す求核剤としてグループ分けされました。2番目のグループは、6つの通常の求核剤によってプロットされた線からの偏差が小さいか、または全くない求核剤でした。最後に、3番目のグループは、逆α効果を示す求核剤でした。つまり、プロットされた線より上にあるか、高い塩基性を考慮すると反応性が低いことを意味します。相対密度汎関数理論、活性化ひずみモデル、エネルギー分解解析、およびコーン・シャム分子軌道解析では、3つのグループはHOMOローブとHOMO-LUMOギャップに違いがありました。

最初の要件を詳しく説明すると、電気陰性ヘテロ原子は求核剤を攻撃する原子の電子密度を低下させ、HOMO ローブを小さくします。これにより、基質と求核剤間のパウリ反発が最小限に抑えられます。とはいえ、これらの小さな HOMO ローブは、親の通常の求核剤よりも軌道相互作用が少ないことを意味するわけではありません。これは、α 効果を示す α 求核剤は、HOMO (求核剤)-LUMO (基質) ギャップが小さい、つまり、軌道相互作用が大きくなる HOMO エネルギー レベルが高いためです。

α 効果を持つ α 求核剤の例を図 4 に示します。α 求核剤は、親の通常の求核剤よりも HOMO ローブが小さくなります。

α効果と逆α効果を持つα求核剤の例を図5に示します。

• SN2反応
• 求核剤