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化学において、ラジカル（フリーラジカルとも呼ばれる）とは、少なくとも１つの不対価電子を持つ原子、分子、またはイオンのことである。[ 1 ] [ 2 ] いくつかの例外を除いて、これらの不対電子によってラジカルは化学的に非常に反応性が高くなる。典型元素からなるラジカルは、しばしば非常に反応性が高く、特に二量化や重合などの制御不能な反応を起こす。ほとんどの有機ラジカルは寿命が短い。
ラジカルの顕著な例として、酸素原子上に不対電子を1つ持つ分子であるヒドロキシルラジカル（HO・）が挙げられる。他の2つの例としては、三重項酸素と三重項カルベン（= CH）がある。2）不対電子を2つ持つもの。
ラジカルは様々な方法で生成されるが、酸化還元反応、電離放射線、熱、放電、電気分解といった典型的な方法ではラジカルが生成されることが知られている。ラジカルは多くの化学反応の中間体であり、その重要性は化学反応式から読み取れる以上に高い。
ラジカルは、燃焼、大気化学、重合、プラズマ化学、生化学、その他多くの化学プロセスにおいて重要な役割を果たします。天然物の大部分は、ラジカル生成酵素によって生成されます。生体内では、ラジカルであるスーパーオキシドと一酸化窒素、およびそれらの反応生成物が、血管緊張の制御、ひいては血圧の調節など、多くのプロセスを制御しています。また、様々な生体化合物の代謝中間段階においても重要な役割を果たしています。このようなラジカルは、レドックスシグナル伝達と呼ばれるプロセスにおけるメッセンジャーとしても機能します。ラジカルは溶媒ケージ内に捕捉されるか、あるいは他の方法で結合されることがあります。
ラジカルは、（1）スピン対分子から生成されるか、（2）他のラジカルから生成されるかのいずれかである。スピン対分子からのラジカルは、弱い結合のホモリシスまたは電子移動（還元とも呼ばれる）によって生成される。他のラジカルからのラジカルは、置換反応、付加反応、および脱離反応によって生成される。
ホモリシスは、スピン対分子から共有結合を切断して2つの新しいラジカルを生成し、それぞれの断片に結合中の電子の1つを残します。[ 3 ]ホモリシス結合解離エネルギーは、通常「ΔH°」と略記され、結合の強さの尺度です。たとえば、H2を2つのH•に分解するには、ΔH°が+435 kJ/mol必要ですが 、Cl2を2つのCl •に分解するには、ΔH °が+243 kJ/mol必要です。弱い結合の場合、ホモリシスは熱によって誘発できます。強い結合の場合、ホモリシスを誘発するには、高エネルギーの光子または炎さえ必要です。
ホモリシス反応の中には、他のラジカル反応の開始剤として働くため特に重要なものがあります。その一例として、光照射下で起こるハロゲンのホモリシスがあり、これはラジカルハロゲン化反応の駆動力となります。また、ジベンゾイルペルオキシドのホモリシスも注目すべき反応で、2つのベンゾイルオキシラジカルが生成され、多くのラジカル反応の開始剤として働きます。[ 4 ]
従来、ラジカルは一電子還元によって生成されます。一般的に、一電子還元された有機化合物は不安定です。ラジカルアニオンは、電荷が非局在化できる場合に安定性を持ちます。例としては、アルカリ金属ナフテン化物、アントラセン化物、ケチルなどが挙げられます。
水素引き抜き反応はラジカルを生成する。この反応を起こすには、水素原子供与体のCH結合が弱くなければならないが、有機化合物ではそのようなケースはまれである。アリル位、特に二重アリル位のCH結合はO₂による引き抜き反応を受けやすい。この反応は、リノール酸誘導体などの乾燥油の原理となっている。
フリーラジカル付加では、ラジカルがスピン対をなす基質に付加します。有機化合物に適用した場合、この反応は通常、アルケンへの付加を伴います。この付加により新しいラジカルが生成され、それがさらに別のアルケンに付加するなど、この動作が繰り返されます。この挙動は、多くのプラスチックを製造する技術であるラジカル重合の基礎となっています。[ 5 ] [ 6 ]
ラジカル脱離は、ラジカル付加の逆反応と見なすことができます。ラジカル脱離では、不安定なラジカル化合物がスピン対分子と新しいラジカル化合物に分解します。以下に、ベンゾイルオキシラジカルがフェニルラジカルと二酸化炭素分子に分解するラジカル脱離反応の例を示します。[ 7 ]
多種多様な無機ラジカル、および少数の有機ラジカルは安定であり、実際に単離可能である。 一酸化窒素（NO）は単離可能な無機ラジカルのよく知られた例であり、フレミー塩（ニトロソジスルホン酸カリウム、（KSO 3）2 NO）は関連する例である。限られたπ共鳴安定化にもかかわらず（下記参照） 、多くのチアジルラジカルが知られている。 [ 8 ] [ 9 ]
「安定ラジカル」という用語には、厄介な曖昧さがある。ラジカルの挙動は、熱力学的安定性と速度論的安定性が異なり、両者を結びつける一般的な規則はない。例えば、共鳴非局在化はベンジルラジカルを熱力学的に安定化させるが、これらのラジカルは拡散律速の急速な二量化を起こす。通常の条件下では、その速度論的寿命はナノ秒単位である。[ 10 ] 逆に、H •は反応性が非常に高い（熱力学的に不安定）が、主に低密度環境に存在するため、宇宙で最も豊富な化学物質でもある（速度論的に安定） 。
グリラーとインゴールドによる1976年の非常に影響力のあるレビュー[ 10 ]に続いて、現代の化学者は、対応するR–H結合がアルカンよりも弱い場合、炭素中心ラジカルR •を安定化していると呼ぶ。ラジカルの寿命が遭遇限界よりも長い場合、ラジカルは持続的である。 [ 11 ] 持続性はほぼ完全に立体効果によるものである。[ 10 ]しかし、高角運動量 軌道（dまたはf）、非局在化、およびα効果はすべて有機ラジカルを安定化させることができる。
市販のラジカルである2,2,6,6-テトラメチルピペリジニルオキシル（TEMPO）は、これらの現象をよく表しています。メチル置換基はN-ヒドロキシピペリジニルコアラジカルを保護して安定性を保ち、隣接する窒素と酸素の非共有電子対は酸素と形成される可能性のある結合を弱め、ラジカルを安定化させます。その結果、TEMPOは常磁性を除けば、通常の有機化合物のように振る舞います。[ 3 ]
分子軌道理論では、ラジカルの電子構造は、不対電子のみを含む最高エネルギーの満たされた分子軌道によって特徴付けられます。この軌道は「単一占有分子軌道」またはSOMOと呼ばれ、一般性を失うことなく伝統的に満たされたスピンアップです。[ 3 ] : 977 ラジカル化合物は、固定された核位置では満たされたスピンアップ軌道エネルギー（SOMOを含む）と満たされたスピンダウン軌道エネルギー（含まない）を同時に最小化できないため、熱力学的に不安定です。したがって、エネルギーが核位置にほとんど依存しないSOMOは、比較的安定化したラジカルを生成することができます。 このようなSOMOの2つの一般的なタイプは、ヤーン・テラー歪みのみを必要とするd軌道[ 12 ]と、各原子核での動きがほとんど必要なく、分子または結晶の大部分に非局在化したSOMO [ 13 ] : 649–650です。
SOMOは原理的にはどんなタイプでもなり得るが、主族原子の中では、既知の安定ラジカルのほとんどすべてがπ型SOMOを持つ。[ 11 ] その結果、SOMOは他のπ結合と同様に非局在化する。すなわち、ヒドロキシル基（−OH）、エーテル（−OR）、アミン（−NH2または−NR）上の近傍の孤立電子対へ、アルケン、カルボニル、ニトリルの共役π結合へ、あるいは近傍の水素またはフッ素に富む部分との超共役へと非局在化する。[ 14 ]
上記の官能基の多くは電子供与性であるが、SOMOの非局在化を達成するには電子供与性は必要なく、電子吸引性も同様に機能する。[ 3 ]： 978 実際、ラジカルは、電子吸引性基と電子供与性基の両方に非局在化できる場合、特に安定であり、「捕捉-配位効果」と呼ばれる。[ 15 ]
電子供与の場合、SOMOはよりエネルギーの低い孤立電子対と相互作用して、よりエネルギーの低い、満たされた非局在化結合軌道と、よりエネルギーの高い、反結合性SOMO（正味3電子結合）を形成する。新しい結合軌道はSOMOよりも多くの電子を含むため、結果として生じる電子状態は分子エネルギーを低下させる。[ 3 ]： 979
電子吸引性の場合、SOMOは空のσ*またはπ*反結合性軌道と相互作用する。その反結合性軌道は孤立したSOMOよりもエネルギーが低く、結果として生じる混成軌道も同様である。[ 3 ]： 978
多くの（あるいはほとんどの）有機ラジカルの安定性は、単離の容易さによって示されるのではなく、H •の供与体として機能する能力によって示されます。この性質は、通常は O−H ですが、N−H または C−H の場合もある水素との結合が弱まっていることを反映しています。この挙動は、これらの H •供与体が生物学および商業において抗酸化剤として機能しているため重要です。例として、α-トコフェロール（ビタミン E ）が挙げられます。トコフェロールラジカル自体は単離するには安定性が不十分ですが、親分子は非常に効果的な水素原子供与体です。トリフェニルメチル（トリチル）誘導体では、C−H 結合が弱くなっています。
ほとんどの主族ラジカルは、閉殻二量体と概念的に平衡状態にある。例えば、二酸化窒素は四酸化二窒素と平衡し、トリブチルスズラジカルはヘキサブチルジスタンナンと平衡する。したがって、二量体結合が弱い場合、ラジカルは安定化される可能性がある。例えば、隣接する孤立電子対を持つ原子に局在するラジカルを持つ化合物は、二量体化時に強力なα効果を経験するため、二量体は実際には形成されない可能性がある。[ 16 ] 同様に、ゴンバーグの二量体におけるキノン芳香族性の喪失は、化合物がホモリシスを起こしやすくする。
他の場合、ラジカル二量体は、ドナー-アクセプター錯体に類似しているが電荷移動のない「 π二量体」を形成する可能性がある。 [ 17 ]
ジラジカルは、2 つのラジカル中心を含む分子です。二酸素(O 2 ) は、安定なジラジカルの重要な例です。二酸素の最低エネルギーの非ラジカル状態である一重項酸素は、フントの最大多重度規則により、ジラジカルよりも不安定です。酸素ジラジカルの相対的な安定性は、主に、電子をつかむ、つまり「酸化」するために必要な三重項-一重項遷移のスピン禁制の性質によるものです。酸素のジラジカル状態は、外部磁石への引力によって示される常磁性特性ももたらします。[ 18 ]ジラジカルは、金属オキソ錯体にも存在することができ、遷移金属化学におけるスピン禁制反応の研究に適しています。[ 19 ]三重項状態のカルベンは、同じ原子を中心とするジラジカルと見なすことができるが、これらは通常、非常に反応性が高く、安定なカルベンが知られており、N-複素環カルベンが最も一般的な例である。
よく知られたラジカル反応の一つに燃焼があります。酸素分子は安定なジラジカルであり、• O–O •と表されます。電子のスピンが平行であるため、この分子は安定です。酸素の基底状態はこの反応性の低いスピン不対（三重項）ジラジカルですが、非常に反応性の高いスピン対（一重項）状態も存在します。燃焼が起こるためには、これらの間のエネルギー障壁を乗り越える必要があります。この障壁は熱によって乗り越えることができ、そのためには高温が必要です。三重項-一重項遷移は「禁制」です。これは反応に対する追加の障壁となります。また、これは酸素分子が室温では鉄や銅などの触媒となる重原子が存在しない限り、比較的反応性が低いことを意味します。
燃焼は、一重項ラジカルが開始する様々なラジカル連鎖反応から成ります。特定の物質の可燃性は、開始反応と伝播反応が支配的になり、物質の燃焼につながる前に、存在しなければならない、または実験室条件のように得られるラジカルの濃度に大きく依存します。可燃性物質が消費されると、終結反応が再び支配的になり、炎は消えます。前述のように、伝播反応または終結反応の促進は可燃性を変化させます。例えば、鉛自体がガソリンと空気の混合物中のラジカルを不活性化するため、かつてはテトラエチル鉛がガソリンに一般的に添加されていました。これにより、制御不能な燃焼や未燃焼残留物による燃焼（エンジンノッキング）や早期着火（プレイグニッション）を防ぐことができます。
炭化水素が燃焼すると、多数の異なる酸素ラジカルが関与します。最初にヒドロペルオキシルラジカル（HOO •）が生成されます。これらはさらに反応して有機ヒドロペルオキシドを生成し、それが分解してヒドロキシルラジカル（HO •）になります。
多くの重合反応はラジカルによって開始されます。重合では、最初のラジカルが非ラジカル（通常はアルケン）に付加して新しいラジカルを生成します。このプロセスはラジカル連鎖反応の基礎となります。重合技術とは、開始ラジカルを導入する方法を指します。例えば、メタクリル酸メチル（MMA）は、ラジカル付加の繰り返しによってポリ（メタクリル酸メチル） （PMMA – プレキシガラスまたはパーペックス）に重合することができます。
新しいラジカル重合法はリビングラジカル重合として知られています。その派生形には、可逆的付加開裂連鎖移動（RAFT）重合や原子移動ラジカル重合（ATRP）などがあります。
酸素（O₂ ）は広く存在するラジカルであり、多くの有機化合物と反応してヒドロペルオキシドラジカルとともにラジカルを生成する。乾燥油やアルキド塗料は、大気中の酸素によって引き起こされるラジカル架橋反応によって硬化する。
下層大気で最も一般的なラジカルは分子状酸素です。発生源分子の光解離によって他のラジカルが生成されます。下層大気では、二酸化窒素が酸素原子と一酸化窒素に光解離することによって重要なラジカルが生成されます（下記の式1.1を参照）。一酸化窒素はスモッグ形成において重要な役割を果たします。また、オゾンが光解離して励起酸素原子O(1D)を生成することによっても重要なラジカルが生成されます（下記の式1.2を参照）。正味反応と逆反応もそれぞれ式1.3と式1.4に示されています。
上層大気では、通常は反応しないクロロフルオロカーボン（CFC）が太陽紫外線によって光解離されることが、ラジカルの重要な発生源となります（下記の式1を参照）。これらの反応により塩素ラジカルCl •が生成され、これがオゾンをO2に変換する触媒となり、オゾン層破壊を促進します（下記の式2.2～式2.4）。
このような反応はオゾン層の破壊を引き起こし、特に塩素ラジカルが別の反応連鎖に関与する可能性があるため、クロロフルオロカーボンを冷媒として使用することは制限されている。
ラジカルは生物学において重要な役割を果たしている。その多くは生命維持に不可欠であり、例えば顆粒球やマクロファージなどの食細胞による細菌の細胞内殺傷などが挙げられる。ラジカルは細胞シグナル伝達プロセスに関与しており、[ 21 ]レドックスシグナル伝達として知られている。例えば、リノール酸へのラジカル攻撃は、 13-ヒドロキシオクタデカジエン酸と9-ヒドロキシオクタデカジエン酸の一連の生成物を生成し、これらは局所組織の炎症反応や治癒反応、疼痛知覚、悪性細胞の増殖を調節する可能性がある。アラキドン酸とドコサヘキサエン酸へのラジカル攻撃は、同様ではあるがより広範なシグナル伝達産物を生成する。[ 22 ]
ラジカルは、パーキンソン病、老人性難聴および薬物誘発性難聴、統合失調症、アルツハイマー病にも関与している可能性がある。[ 23 ]古典的なフリーラジカル症候群である鉄蓄積症ヘモクロマトーシスは、通常、運動障害、精神病、皮膚の色素メラニン異常、難聴、関節炎、糖尿病などのフリーラジカル関連の症状群と関連付けられている。老化のフリーラジカル理論は、ラジカルが老化プロセス自体の根底にあると提唱している。同様に、ミトホルミシスのプロセスは、ラジカルへの繰り返し曝露が寿命を延ばす可能性があることを示唆している。
ラジカルは生命維持に不可欠であるため、体内にはラジカルによる損傷を最小限に抑え、発生した損傷を修復するための多くのメカニズムがあり、例えばスーパーオキシドジスムターゼ、カタラーゼ、グルタチオンペルオキシダーゼ、グルタチオンレダクターゼなどの酵素 が挙げられます。さらに、抗酸化物質はこれらの防御メカニズムにおいて重要な役割を果たします。これらは通常、ビタミンA、ビタミンC、ビタミンEの3つのビタミンとポリフェノール抗酸化物質です。さらに、ビリルビンと尿酸が抗酸化物質として働き、特定のラジカルを中和するのに役立つという確かな証拠があります。ビリルビンは赤血球の内容物の分解によって生成され、尿酸はプリンの分解産物です。しかし、ビリルビンが多すぎると黄疸を引き起こし、最終的には中枢神経系を損傷する可能性があり、尿酸が多すぎると痛風を引き起こします。[ 24 ]
活性酸素種（ROS）は、スーパーオキシド、過酸化水素、ヒドロキシルラジカルなどの種であり、一般的に細胞損傷と関連付けられています。ROSは、酸素の正常な代謝の自然な副産物として生成され、細胞シグナル伝達において重要な役割を果たします。重要な酸素中心ラジカルは、スーパーオキシドとヒドロキシルラジカルです。これらは、還元条件下で分子状酸素から生成されます。しかし、これらのラジカルは反応性が高いため、望ましくない副反応に関与し、細胞損傷を引き起こす可能性があります。これらのラジカルが過剰に存在すると、細胞損傷や細胞死につながり、癌、脳卒中、心筋梗塞、糖尿病、重篤な疾患など、多くの疾患の原因となる可能性があります。[ 25 ]多くの癌は、ラジカルとDNAの反応の結果であると考えられており、細胞周期に悪影響を及ぼし、悪性腫瘍につながる可能性のある突然変異を引き起こす可能性があります。[ 26 ]動脈硬化症などの老化の症状の一部も、ラジカルによって誘発されるコレステロールの7-ケトコレステロールへの酸化に起因すると考えられています。[ 27 ]さらに、ラジカルはアルコール誘発性肝障害に寄与する。[ 28 ]タバコの煙によって生成されるラジカルは、肺のα1-アンチトリプシンの不活性化に関与している。このプロセスは肺気腫の発症を促進する。
オキシベンゾンは日光でラジカルを生成することがわかっており、そのため細胞損傷にも関連している可能性がある。これは、酸化チタンやオクチルメトキシシンナメートなど、日焼け止めによく含まれる他の成分と組み合わせた場合にのみ発生した。[ 29 ]
ROSは多価不飽和脂肪酸であるリノール酸を攻撃し、13-ヒドロキシオクタデカジエン酸と9-ヒドロキシオクタデカジエン酸の一連の生成物を形成します。これらはシグナル伝達分子として機能し、これらの生成物の形成を引き起こした組織損傷に対抗する反応を引き起こす可能性があります。ROSは、アラキドン酸やドコサヘキサエン酸などの他の多価不飽和脂肪酸を攻撃し、同様のシグナル伝達生成物を生成します。[ 30 ]
活性酸素種は、一重項酸素が関与する制御反応にも利用される。天然の三重項二酸素からのデクスターエネルギー移動（三重項-三重項消滅）後のタイプII光酸化反応として知られるそして光増感剤の三重項励起状態。この一重項二酸素種を用いた典型的な化学変換には、とりわけセルロース系バイオ廃棄物を新しいポリメチン染料に変換することが含まれる。[ 31 ]
化学反応式において、ラジカルは原子記号または分子式のすぐ右にドットを付けて表されることが多く、その例は以下のとおりです。
ラジカル反応機構では、単一の電子の動きを表すために、片方向矢印が使用されます。
切断される結合のホモリティック開裂は、通常の2つの電子の移動（標準的な巻き矢印で示される）と区別するために、「魚の鉤型」の矢印で描かれる。切断される結合の2番目の電子も移動して、攻撃するラジカル電子と対を形成する。
ラジカルは、反応中間体としてラジカル付加反応やラジカル置換反応にも関与する。ラジカルが関与する連鎖反応は、通常、開始、伝播、終結という3つの異なる過程に分けられる。
20世紀後半まで、化学では「ラジカル」という言葉は、メチル基やカルボキシル基など、結合した原子のグループを指すのに使われていました。これは、より大きな分子の一部であるか、単独の分子であるかを問わず用いられました。ラジカルはしばしばR基と呼ばれます。当時、「遊離」という修飾語は、結合していない状態を明示するために必要でした。近年の命名法の改訂により、より大きな分子の一部は官能基または置換基と呼ばれるようになり、「ラジカル」は「遊離」を意味するようになりました。しかし、古い命名法が一部の書籍にまだ残っている場合もあります。
現在では廃れてしまったラジカル理論が開発された当時、ラジカルという用語は既に使われていました。ルイ＝ベルナール・ギトン・ド・モルヴォーは1785年に「ラジカル」という語を導入し、アントワーヌ・ラヴォアジエは1789年に著書『化学の基礎論』の中でこの語を用いました。当時、ラジカルは特定の酸の根源塩基（ラテン語で「根」を意味する「radix」）として定義されていました。歴史的に見ると、ラジカル理論におけるラジカルという用語は、分子の結合部分、特に反応で変化しない部分にも用いられていました。これらは現在では官能基と呼ばれています。例えば、メチルアルコールはメチル「ラジカル」とヒドロキシル「ラジカル」から構成されていると説明されていました。これらは互いに永久的に結合しており、不対電子や反応性電子を持たないため、現代の化学的な意味でのラジカルではありません。しかし、高エネルギー電子を照射して分解すると、質量分析法ではラジカルとして観測されることがあります。
現代の文脈では、最初に同定された有機（炭素を含む）ラジカルは、トリフェニルメチルラジカル、(C 6 H 5 ) 3 C •であった。この種は、1900 年にMoses Gombergによって発見された。1933年にMorris S. KharaschとFrank Mayoは、フリーラジカルが臭化水素の臭化アリルへのアンチマルコフニコフ付加の原因であると提唱した。[ 32 ] [ 33 ]
化学のほとんどの分野では、ラジカルの歴史的な定義は、分子がゼロでない電子スピンを持つというものです。しかし、分光法や宇宙化学などの分野では、定義が少し異なります。ラジカルの電子構造と幾何学の研究でノーベル賞を受賞したゲルハルト・ヘルツベルクは、フリーラジカルのより緩やかな定義として、「あらゆる一時的な（化学的に不安定な）種（原子、分子、またはイオン）」を提案しました。[ 34 ]彼の提案の要点は、C2、C3、CH2など、スピンがゼロの化学的に不安定な分子が多数存在することです。この定義は、一時的な化学プロセスや宇宙化学の議論に都合が良いため、これらの分野の研究者はこの緩やかな定義を使用することを好みます。[ 35 ]
