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ハモンドの仮説（またはハモンド・レフラーの仮説）は、有機化学反応における遷移状態の幾何学的構造を記述する物理有機化学の仮説である。[ 1 ] 1955年にジョージ・ハモンドによって初めて提唱されたこの仮説は、次のように述べている。[ 2 ]
例えば遷移状態と不安定な中間体のように、反応過程において2つの状態が連続して発生し、かつほぼ同じエネルギー含有量を持つ場合、それらの相互変換には分子構造のわずかな再編成しか伴わない。
したがって、状態の幾何学的構造は、反応座標に沿って隣接する種のエネルギーと比較することによって予測できます。たとえば、発熱反応では、遷移状態は生成物よりも反応物にエネルギー的に近いです。したがって、遷移状態は生成物よりも反応物に幾何学的に類似しています。しかし、対照的に、吸熱反応では、遷移状態は反応物よりも生成物にエネルギー的に近いです。したがって、ハモンドの仮説によれば、遷移状態の構造は反応物よりも生成物に似ています。[ 3 ] この種の比較は、ほとんどの遷移状態を実験的に特徴付けることができないため、特に有用です。[ 4 ]
ハモンドの仮説は、ベル・エバンス・ポランニーの原理を説明し、合理化するのに役立っています。つまり、この原理は、反応の速度、ひいてはその活性化エネルギーが、その反応のエンタルピーによって影響を受けるという実験的観察を説明しています。ハモンドの仮説は、反応のエンタルピーを変化させると遷移状態の構造も変化するという観察を説明することで、この観察を説明しています。そして、この幾何学的構造の変化は、遷移状態のエネルギー、ひいては活性化エネルギーと反応速度も変化させます。[ 5 ]
この仮説は、反応座標図の形状を予測するためにも使用されています。例えば、求電子芳香族置換反応では、明確な中間体と、あまり明確でない2つの状態が関与します。芳香族置換基の影響を測定し、ハモンドの仮説を適用することで、律速段階は中間体複合体に似た遷移状態の形成を伴うと結論付けられました。[ 6 ]
1940年代から1950年代にかけて、化学者たちは、反応物のわずかな変化でさえ、反応の速度と生成物分布に大きな違いをもたらす理由を説明するのに苦労していた。1955年、アイオワ州立大学の若き教授ジョージ・ハモンドは、遷移状態理論を用いて、観察された構造と反応性の関係を定性的に説明できると提唱した。 [ 7 ] 特筆すべきは、フロリダ州立大学のジョン・E・レフラーが1953年に同様の考えを提唱したことである。[ 8 ]しかし、ハモンドのバージョンは、レフラーの複雑な数式よりも理解しやすく応用しやすい定性的な性質を持っていたため、より多くの注目を集めた。ハモンドの仮説は、両科学者に敬意を表して、ハモンド＝レフラー仮説と呼ばれることもある。 [ 7 ]
つまり、この仮説は、遷移状態の構造は、自由エネルギー的に最も近い種の構造に似ていると述べている。これは、ポテンシャルエネルギー図を参照して説明できる。
ケース(a)は発熱反応であり、遷移状態のエネルギーは中間体や生成物のエネルギーよりも反応物のエネルギーに近い。したがって、仮説によれば、遷移状態の構造も反応物の構造により近い。ケース(b)では、遷移状態のエネルギーは反応物にも生成物にも近くないため、どちらも遷移状態の良い構造モデルとはならない。遷移状態の構造や特性を予測するには、さらなる情報が必要となる。ケース(c)は吸熱反応のポテンシャル図を示しており、仮説によれば、遷移状態は中間体または生成物の構造により近いはずである。
ハモンドの仮説のもう一つの重要な点は、反応物、中間体、または生成物の観点から遷移状態の構造を議論できる点である。遷移状態が反応物に非常によく似ている場合、その遷移状態は「初期」遷移状態と呼ばれ、中間体または生成物に非常によく似ている場合は「後期」遷移状態と呼ばれる。[ 9 ]
「初期」遷移状態の例として塩素化があります。塩素化は発熱反応であるため、生成物が反応物よりもエネルギーが低いため、生成物が有利になります。[ 10 ]隣接する図（「初期」遷移状態の表現）を見ると、実験中に観察できない遷移状態に注目する必要があります。「初期」遷移状態の意味を理解するために、ハモンドの仮説はこの反応の速度論を示す曲線を表しています。反応物のエネルギーが高いため、遷移状態は反応開始直後にあるように見えます。
「後期」遷移状態の例として臭素化反応が挙げられます。臭素化反応は吸熱反応であるため、反応物が生成物よりもエネルギーが低いことから、反応物が有利になります。[ 11 ]遷移状態は観察しにくいため、臭素化の仮説は「後期」遷移状態をイメージするのに役立ちます（「後期」遷移状態の図を参照）。生成物のエネルギーが高いため、遷移状態は反応が完了する直前にあるように見えます。
有機化学の教科書によく見られる、この仮説のもう一つの有用な解釈は次のとおりです。
この解釈では、比較的まれな極めて発熱的および吸熱的な反応を無視し、遷移状態を通常最も不安定な中間体と関連付けている。
ハモンドの仮説は、SN1反応の遷移状態の構造を調べるために使用できる。特に、SN1反応では脱離基の解離が最初の遷移状態となる。この解離によって生成されるカルボカチオンの安定性は、第三級 > 第二級 > 第一級 > メチルの順であることが知られている。
したがって、第三級カルボカチオンは比較的安定であり、RX反応物とエネルギー的に近いため、第三級遷移状態はRX反応物とかなり類似した構造を持つことになる。反応座標とエネルギーの関係を示すグラフでは、第三級遷移状態が他の遷移状態よりも左側に位置することから、このことが分かる。一方、メチルカルボカチオンのエネルギーは非常に高いため、遷移状態の構造はRX反応物よりも中間体カルボカチオンに類似している。そのため、メチル遷移状態は右側に大きく位置する。
二分子求核置換（SN2）反応は、求核剤と基質の両方が律速段階に関与する協奏反応です。この反応は協奏的であるため、反応は1段階で起こり、結合が切断されると同時に新しい結合が形成されます。[ 12 ]したがって、この反応を解釈するには、協奏的な律速段階に似た遷移状態を見ることが重要です。「SN2反応の図」では、求核剤が炭素に新しい結合を形成する一方で、ハロゲン（L）結合が切断されます。[ 13 ]
E1反応は単分子脱離反応であり、その反応機構の律速段階は単一の分子種の除去に依存します。これは2段階機構です。カルボカチオン中間体が安定しているほど、反応は速く進行し、生成物が有利になります。カルボカチオン中間体の安定化は活性化エネルギーを低下させます。反応性の順序は(CH 3 ) 3 C- > (CH 3 ) 2 CH- > CH 3 CH 2 - > CH 3 -です。[ 14 ]
さらに、研究では、エネルギー的に等価な 2 つのエナンチオマーから始まり、最終的にジアステレオマーと呼ばれるエネルギー的に不等価な 2 つの中間体を形成する典型的な速度論的分割プロセスが説明されています。ハモンドの仮説によれば、より安定なジアステレオマーがより速く形成されます。[ 15 ]
脱離反応は、塩基と基質の両方が律速段階に関与する、一段階の協奏反応です。E2機構では、塩基が脱離基の近くのプロトンを引き抜き、電子を下に押し下げて二重結合を形成し、同時に脱離基を脱離させます。これらすべてが一段階の協奏反応で起こります。反応速度式は2つの反応物の濃度が一次であることに依存するため、二次（二分子）脱離反応となります。律速段階に影響を与える要因は、立体化学、脱離基、および塩基の強さです。
ジョセフ・バネットによるE2反応の理論では、反応物と生成物の間のエネルギー障壁を最も低いレベルで通過するには、遷移状態におけるCβ-HとCα-Xの切断度合いを調整する必要があると示唆している。この調整には、切断しやすい結合の切断が多く、より多くのエネルギーを必要とする結合の切断が少ないことが含まれる。[ 16 ]バネットのこの結論は、ハモンドの仮説と矛盾する。ハモンドの仮説は、バネットの理論とは正反対である。結合切断段階の遷移状態では、結合が切断しやすい場合は切断が少なく、切断しにくい場合は切断が多い。[ 16 ]これらの違いにもかかわらず、2つの仮説は異なる種類のプロセスに関係しているため、矛盾するものではない。ハモンドは、1つの結合が形成または切断される反応段階、あるいは2つ以上の結合の切断が同時に起こるのに時間がかからない反応段階に焦点を当てている。E2理論の遷移状態は、結合の形成または切断が同時ではないプロセスに関係している。[ 16 ]
厳密に言えば、ハモンドの仮説は化学反応の幾何学的構造のみを記述するものである。しかしながら、ハモンドの仮説は間接的に反応速度、反応速度論、および活性化エネルギーに関する情報を提供する。したがって、類似反応のエンタルピーと反応速度が通常相関関係にあるという実験的観察を説明するベル・エバンス・ポランニーの原理を理解するための理論的根拠となる。
ハモンドの仮説とBEP原理の関係は、SN1反応を例に考えることで理解できる。SN1反応では2つの遷移状態（脱離基の解離と求核剤による攻撃）が生じるが、ほとんどの場合、脱離基の解離が律速段階となる。したがって、反応の活性化エネルギー、ひいては反応速度は、解離段階のみに依存する。
まず、第二級炭素と第三級炭素における反応について考えてみましょう。BEP原理が指摘するように、実験的には、第三級炭素におけるSN1反応は第二級炭素における反応よりも速いことがわかっています。したがって、定義上、第三級反応の遷移状態は第二級反応の遷移状態よりも低いエネルギーになります。しかし、BEP原理では、なぜエネルギーが低いのかを説明することはできません。
ハモンドの仮説を用いると、第三遷移状態のエネルギーが低いということは、その構造が第二遷移状態と比較して、生成物であるカルボカチオンよりも反応物R(第三)-Xに相対的に近いことを意味します。したがって、第三遷移状態は、第二遷移状態が反応物R(第二)-Xに幾何学的に類似しているよりも、反応物R(第三)-Xに幾何学的に類似していることになります。つまり、第三遷移状態が（低エネルギーの）反応物と構造的に類似している場合、構造がエネルギーを決定するため、エネルギーも低くなります。同様に、第二遷移状態が（高エネルギーの）カルボカチオン生成物により類似している場合、エネルギーは高くなります。
ハモンドの仮説は、反応速度と生成物の安定性の関係を理解する上で有用である。反応速度は活性化エネルギー（有機化学ではΔG ‡ 「デルタGダブルダガー」で表されることが多い）のみに依存するが、化学平衡における生成物の最終比率は標準自由エネルギー変化ΔG（「デルタG」）のみに依存する。平衡状態における最終生成物の比率は、それらの生成物の安定性と直接的に対応している。
ハモンドの仮説は、反応過程の速度と、その過程を構成する状態の構造的特徴を結びつけるものであり、エネルギー的に非常に近い2つの状態を含む段階では、分子の再編成が小さくなければならないと述べている。このことから、出発物質、生成物、そして起こりうる「安定な中間体」の構造比較が生まれ、最も安定な生成物が必ずしも反応過程で優先的に生成されるとは限らないという理解へとつながった。
ハモンドの仮説は、反応の律速段階を検討する際に特に重要です。しかし、多段階反応や中間段階で転位が起こる可能性のある反応を検討する際には注意が必要です。場合によっては、最終生成物がより安定な生成物（熱力学的生成物）よりも不安定な生成物（速度論的生成物と呼ばれる）に偏った比率で現れることがあります。この場合、律速段階と中間体を検討する必要があります。多くの場合、律速段階はカルボカチオンなどの不安定な種が最初に形成される段階です。カルボカチオンが形成されると、その後の転位が起こり得ます。このような反応、特に低温で実施される場合、より安定な中間体を形成するために必要な転位が起こる前に反応物が単純に反応してしまいます。微視的な逆転が容易な高温では、これらの中間体が転位する時間があるため、より安定な熱力学的生成物が優先されます。高温でも低温でも、微小逆転による平衡化に時間が与えられると、運動学的生成物と熱力学的生成物の混合物は最終的に同じ比率になり、より安定な熱力学的生成物が優勢になる。