フリーラジカルハロゲン化

有機化学において、フリーラジカルハロゲン化はハロゲン化の一種である。この化学反応は、紫外線照射下でアルカンやアルキル置換芳香族化合物に典型的に見られる。この反応は、クロロホルム（CHCl₃ _）、ジクロロメタン（CH₂Cl₂ _）、ヘキサクロロブタジエン_の工業的合成に用いられる。反応はフリーラジカル連鎖機構によって進行する。

メタンの塩素化を例にとると、連鎖反応のメカニズムは以下の通りである。

開始

紫外線は塩素分子を2つの塩素原子ラジカルに分解（ホモリシス）する。

連鎖伝播（2段階）

ラジカルがメタンから水素原子を引き抜き、第一級メチルラジカルを生成する。次に、メチルラジカルがCl₂からCl•を引き抜き_、目的^の生成物と別の塩素ラジカルを生成する。

ラジカルはその後、別の連鎖反応であるラジカル連鎖反応に関与する_{。CH₂Cl₂}などの他の生成物_も生成される可能性がある。

連鎖終結

2つのフリーラジカル（塩素と塩素、塩素とメチル、またはメチルとメチル）が結合する：

最後の可能性としては、最終混合物中に不純物（特に、反応物よりも炭素鎖が長い有機分子）が生成される。

正味の反応は次のとおりです。

定常状態近似は、このプロセスが速度法則k [CH ₄ ][Cl ₂ ] ^{1 ⁄ 2}に従うことを意味する。^{[ 1 ]}

ラジカル反応であるため、このプロセスは酸素などのラジカルトラップによって停止または著しく遅くなります。

異なるハロゲンが反応する相対的な速度は大きく異なる。

フッ素(108) >塩素(1) >臭素(7 × 10 ⁻¹¹ ) >ヨウ素(2 × 10 ⁻²² )。

純粋な元素によるラジカルフッ素化は制御が難しく、非常に発熱性が高いため、爆発や暴走反応を防ぐよう注意が必要です。塩素の場合、反応は中程度から速いですが、臭素の場合は遅く、強い紫外線照射が必要です。ヨウ素の場合は、実際には反応は起こらず、熱力学的に不利です。ただし、ラジカルヨウ素化は他のヨウ素源でも完了できます（§変種を参照）。^{[ 2 ]} 

反応速度の違いは、反応性-選択性原理とハモンドの仮説を教育的に示す好例となることが多い。臭素ラジカルは反応性が低く、水素引き抜き反応の遷移状態はラジカル性が非常に高く、到達も遅い。一方、反応性の高い塩素ラジカルは、ラジカル性がほとんどない反応物に似た遷移状態を形成する。遷移状態においてアルキルラジカルが完全に形成されると、存在する共鳴安定化を最大限に活用できるため、選択性が最大化される。

結合解離エネルギーはあらゆるラジカル反応に強く影響し、まれなケースでは、フリーラジカルハロゲン化が位置選択的になることがあります。 フェニル水素は非常に強い結合を持ち、ハロゲンによって置換されることはまれです。非エノール化アルデヒドはアシルハライドに酸化されますが、エノール化アルデヒドは通常、α位でハロゲン化されます。実際、アリル水素とベンジル水素はアルカンよりもはるかに弱い結合を持ち、Wohl-Ziegler反応で選択的に置換されます。一般に、硫酸中のN-ハロアミン（他のハロラジカル源ではない）は、アルカン鎖の末端から2番目の炭素（例えば、ペンタンから2-ハロペンタン）、中央にカルボン酸のみを持つ鎖、および架橋化合物の橋頭部でハロゲン化します。 2020年現在しかし、後者のN-ハロイミド選択性の理由は不明のままであった。^{[ 2 ]}

これらのいくつかの例外を除けば、フリーラジカルハロゲン化は選択性が低いことで知られています。塩素化はモノ置換で止まることはほとんどなく、^{[ 2 ]}反応条件に応じて、メタンの塩素化はクロロメタン、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素をさまざまな割合で生成します。

非対称基質の場合、反応は可能なすべての異性体を生成しますが、均等ではありません。ラジカルハロゲン化は、等置換の可能性のあるラジカル間では一般的に無差別であり、いわゆる統計的生成物分布をもたらします。 たとえば、ブタン（CH ₃ −CH ₂ −CH ₂ −CH ₃）は、「1」位で塩素化されて 1-クロロブタン（CH ₃ −CH ₂ −CH ₂ −CH ₂ Cl）を生成するか、「2」位で塩素化されて 2-クロロブタン（CH ₃ −CH ₂ −CHCl−CH ₃）を生成します。後者の方が速く起こり、主生成物です。

実験で得られた第一級、第二級、第三級位置における相対塩素化速度は、対応するラジカル種の安定性と一致する。

三次（5）＞二次（3.8）＞一次（1）。

（注：これらの値は溶媒によって変化します。^{[ 3 ]}）したがって、いずれの単一の塩素化ステップも、すでに最も置換されている炭素での置換をわずかに優先します。反応速度は一般的に反応全体で一定であり_、比較的高い精度で生成物分布を予測します。^{[ 4 ] [ 5 ]}例えば、2-メチルブタン（（CH3 _） 2CHCH2CH3 _）は次の結果を示します。

唯一の第三級水素は、枝の末端にある6つの水素よりもはるかに多く存在するにもかかわらず、それらとほぼ同じくらい塩素化されやすいことに注意してください。

ラジカル開始剤、酸化剤、ハロゲン化合物の多くの混合物は、必要なハロゲンラジカルを生成することができます。たとえば、トルエンのラジカル臭素化を考えてみましょう。^{[ 6 ]}

この反応は有機溶媒ではなく水中で行われ、臭素は臭化水素酸を過酸化水素で酸化することによって得られる。ラジカル化には白熱電球で十分である。

その他の供給源としては、アルキル次亜ハロゲン酸塩や一電子酸化が可能な遷移金属などが挙げられる。特に、tert-ブチル次亜ヨウ素酸塩はラジカルヨウ素化のための一般的なヨウ素源である。^{[ 2 ]}