フリーラジカル付加

有機化学において、フリーラジカル付加はフリーラジカルが関与する付加反応である。これらの反応は、フリーラジカルが原子価殻に不対電子を持ち、非常に反応性が高いために起こる。^[1]ラジカル付加は、オレフィン性または芳香族性、ヘテロ原子の有無にかかわらず、さまざまな不飽和基質で知られている。

フリーラジカル反応は、試薬中の1 つ以上の比較的弱い結合に依存します。反応条件 (通常は熱または光) 下では、一部の弱い結合がラジカルにホモリシスし、その後、再結合する前に同族体のさらなる分解を引き起こします。このような弱い結合のない試薬には、通常、異なるメカニズムが適用されます。

メカニズムと位置化学

あらゆるフリーラジカル反応の基本的なステップ（ラジカル連鎖機構）は以下のように分けられる：^[2]

ラジカルの開始: ラジカルは非ラジカル前駆体から生成されます。
連鎖伝播：ラジカルが非ラジカルと反応して新しいラジカル種を生成する
連鎖停止：2つのラジカルが互いに反応して非ラジカル種を生成する

フリーラジカル付加反応では、2つの連鎖成長段階がある。1つは、付加ラジカルが多重結合した前駆体に結合して、結合次数の低いラジカルを生成する段階である。もう1つは、新たに形成されたラジカル生成物が付加試薬から別の置換基を引き抜いて、付加ラジカルを再生する段階である。^[3]^{: 743–744}

一般的に、付加ラジカルはアルケンの最も立体的にアクセスしやすい（典型的には最も置換されていない）炭素を攻撃し、ラジカルはより置換された炭素上で安定化する。^[3]^{: 188, 751} 結果は典型的には反マルコフニコフ付加であり、モリス・カラシュはこれを「過酸化物効果」と呼んだ。^[4]アルキンとの反応はアルケンとの反応よりも遅い。^[3]^{: 750}

典型的な例では、臭化水素がラジカル化して一原子臭素になる。これらの臭素原子は、最もアクセスしやすい部位でアルケンに付加し、置換度の高い炭素上にラジカルを持つ臭素アルキルラジカルを生成する。このラジカルは、別のHBr分子から水素原子を引き抜いて一原子臭素を再生し、反応を継続する。^[3]^{: 758}

ラジカルを付加する化合物

臭化水素のラジカル付加は反マルコフニコフ炭素置換の有用な合成技術であるが^[要出典]、他のハロゲン化水素酸ではラジカル付加は起こらない。HF、HCl、HIからのラジカル形成は極めて吸熱性が高く、化学的に好ましくない。^[3]^{: 692–694} 臭化水素は試薬として非常に選択性が高く^[3]^{: 687–688}、検出可能な量のポリマー副産物を生成しない。^[5]^{: 156–157}

臭化水素の挙動は2つの異なる方向に一般化される。比較的安定したラジカルを持つハロゲン化化合物は、ハロゲンから解離することができる。したがって、例えば、スルホニル、スルフェニル、およびその他のハロゲン化硫黄はラジカル付加して、それぞれβ-ハロスルホン、スルホキシド、または硫化物を与えることができる。^[5]^{：200、204、206}

一方、比較的安定したラジカルを持つ非置換化合物は、水素から解離する可能性がある。一般に、これらの反応は重合副産物を生じるリスクがある（§ 副反応を参照）。例えば、チオール-エン反応では、チオール、^[5]^{: 165–166} 、ジスルフィド、^[5]^{: 207}、硫化水素^[5]^{: 191が}二重結合を介して付加する。しかし、不飽和基質が容易に重合する場合は、代わりに重合を触媒する。^[5]^{: 171–172} 熱シラン付加では、テロメリゼーションは通常約6単位まで進行する。^[5]^{: 211}

シリコン、ゲルマニウム、リンの場合、重原子がペンダント水素を持たない限り、エネルギー特性は不利となる。^[5]^{: 209, 217–219} シリコン上の他の電気陰性置換基は障壁を減少させるようである。^[5]^{: 213, 217–224}

窒素酸化物は自然にラジカル化するが、ラジカル種の慎重な制御は困難である。四酸化二窒素を加えると、近接したジニトロ化合物と亜硝酸エステルに隣接するニトロ置換基の混合物が生じる。^[5]^{: 225}

アリールラジカルに

芳香族共鳴はアリールラジカルを安定化させるが、アレーンとその置換基間の結合は（不）有名なほど強い。アレーンとのラジカル反応は、典型的には求核芳香族置換反応の例として逆合成的に現れる^[^要出典^]、これはアリールラジカルの生成には強力な（ラジカル）脱離基が必要であるためである。^[3]^：686–687 一例はメーアウェインアリール化である。

副反応

不飽和生成物を残すラジカル付加は、2つの成長段階の間でラジカル環化を起こすことができる。 ^[3]^{: 744} 一般に、ラジカル付加はラジカル重合プロセスを開始させることもできる。^[5]^{: 171–172}

安定した無機ラジカル

自己終結型酸化ラジカル環化反応では、無機ラジカルが分子内ラジカル環化反応によってアルキンをケトンに酸化する。この反応は触媒反応ではなく、化学量論量の酸化ラジカル源を必要とする。実際、ラジカル種は合成上は一原子酸素と同等である。^[6]

典型的な例では、硝酸ラジカル（硝酸セリウムアンモニウムの光分解による）がアルキンに付加して、非常に反応性の高いビニル硝酸エステルラジカルを生成する。ビニルラジカルは、 5原子離れた分子内水素原子を抽出してから、 5-エキソ-三重環閉環する。結果として生じるアルキル硝酸ラジカルは、その後、ケトンと安定したラジカル二酸化窒素に分解することができる。^[6]

硫酸塩（過硫酸アンモニウム由来）とヒドロキシラジカルは同様の反応性を示す。^[6]

参照

その他の過激な反応:

参考文献

^ マクマリー、ジョン、名誉教授（2023年9月20日）。「6.6 ラジカル反応 - 有機化学 | OpenStax」。openstax.org 。2024年10月7日閲覧。
^ LG Wade's Organic Chemistry 5th Ed. (p 319) – メカニズム補足オリジナル。
^ abcdefgh マーチ、ジェリー（1992）。上級有機化学：反応、メカニズム、構造（第4版）。ニューヨーク：ワイリー。ISBN 0-471-60180-2。
^ Kharasch, MS; Mayo, Frank R. (1933). 「不飽和化合物への試薬の添加における過酸化物の影響。I. 臭化水素のアリル臭化物への添加」。アメリカ化学会誌。55 (6): 2468– 2496. doi :10.1021/ja01333a041。
^ abcdefghijk Stacey, F. W.; Harris, J. F., Jr. (2004 年 4 月 30 日)。「炭素-炭素多重結合へのフリーラジカル鎖付加による炭素-ヘテロ原子結合の形成」。デンマーク、Scott E. (編)。有機反応(第 1 版)。Wiley。doi : 10.1002/ 0471264180.or013.04。ISBN 978-0-471-26418-7。
^ abc Dreessen, Tim; Jargstorff, Christian; Lietzau, Lars; Plath, Christian; Stademann, Arne; Wille, Uta ( 2004). 「自己終了型酸化ラジカル環化」。Molecules 、第9号、pp. 480–497。

[1] マクマリー、ジョン、名誉教授（2023年9月20日）。「6.6 ラジカル反応 - 有機化学 | OpenStax」。openstax.org 。2024年10月7日閲覧。

[Wade-2] LG Wade's Organic Chemistry 5th Ed. (p 319) – メカニズム補足オリジナル。

[March-3] マーチ、ジェリー（1992）。上級有機化学：反応、メカニズム、構造（第4版）。ニューヨーク：ワイリー。ISBN 0-471-60180-2。

[Kharasch-4] Kharasch, MS; Mayo, Frank R. (1933). 「不飽和化合物への試薬の添加における過酸化物の影響。I. 臭化水素のアリル臭化物への添加」。アメリカ化学会誌。55 (6): 2468– 2496. doi :10.1021/ja01333a041。

[OrgRxn-5] Stacey, F. W.; Harris, J. F., Jr. (2004 年 4 月 30 日)。「炭素-炭素多重結合へのフリーラジカル鎖付加による炭素-ヘテロ原子結合の形成」。デンマーク、Scott E. (編)。有機反応(第 1 版)。Wiley。doi : 10.1002/ 0471264180.or013.04。ISBN 978-0-471-26418-7。

[SelfTerm-6] Dreessen, Tim; Jargstorff, Christian; Lietzau, Lars; Plath, Christian; Stademann, Arne; Wille, Uta ( 2004). 「自己終了型酸化ラジカル環化」。Molecules 、第9号、pp. 480–497。