ラジカル（化学）

化学において、ラジカル（フリーラジカルとも呼ばれる）は、少なくとも1つの不対電子を持つ原子、分子、またはイオンである。^{[1] [2]} いくつかの例外はあるものの、これらの不対電子によりラジカルは化学的に非常に反応性が高くなる。多くのラジカルは自発的に二量体化する。ほとんどの有機ラジカルの寿命は短い。

ラジカルの顕著な例としては、酸素原子上に1つの不対電子を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
₂）は、2 つの不対電子を持ちます。

ラジカルはさまざまな方法で生成されますが、代表的な方法としては、酸化還元反応、電離放射線、熱、放電、電気分解などが知られています。ラジカルは、平衡式から明らかである以上に、多くの化学反応の中間体です。

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ています。天然物質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の反応生成物が、血管緊張の制御、ひいては血圧の制御など、多くのプロセスを調節しています。また、さまざまな生物学的化合物の中間代謝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、酸化還元シグナル伝達と呼ばれるプロセスのメッセンジャーとなることさえあります。ラジカルは溶媒ケージ内に閉じ込められるか、または他の方法で結合されます。

ラジカルは、（1）スピン対分子から形成されるか、（2）他のラジカルから形成される。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）によってスピン対分子から形成される。ラジカルは、置換、付加、および脱離反応 によって他のラジカルから形成される。

ホモリシスは、スピン対分子の共有結合を切断して2つの新しいラジカルを生成し、各フラグメントに結合内の電子の1つを残します。^[3]化学結合を切断するにはエネルギーが必要であるため、ホモリシスは熱または光を加えると発生します。ホモリシスに関連する結合解離エネルギーは、特定の化合物の安定性に依存し、一部の弱い結合は比較的低い温度でホモリシスすることができます。

いくつかのホモリシス反応は、他のラジカル反応の開始剤として機能するため、特に重要です。その一例は、光の下で発生し、ラジカルハロゲン化反応の原動力となるハロゲンのホモリシスです。

もう一つの注目すべき反応は、過酸化ジベンゾイルのホモリシスであり、2つのベンゾイルオキシラジカルを形成し、多くのラジカル反応の開始剤として作用する。^[4]

古典的には、ラジカルは一電子還元によって形成されます。通常、一電子還元された有機化合物は不安定です。電荷が非局在化できる場合、ラジカルアニオンに安定性が与えられます。例としては、アルカリ金属ナフテニド、アントラセニド、ケチルなどがあります。

水素引き抜きによりラジカルが発生します。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りませんが、これは有機化合物ではほとんど当てはまりません。アリル、特に二重アリル CH 結合は O ₂によって引き抜かれやすい傾向があります。この反応は、リノール酸誘導体などの乾性油の基礎となります。

フリーラジカル付加反応では、ラジカルがスピン対基質に付加する。有機化合物に適用した場合、反応は通常アルケンへの付加を伴う。この付加により新たなラジカルが生成され、それがさらに別のアルケンに付加されるなどする。この挙動は、多くのプラスチックを生産する技術であるラジカル重合の基盤となっている。^{[5] [6]}

ラジカル脱離はラジカル付加の逆とみ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されます。以下に示すのはラジカル脱離反応の例で、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されます。^[7]

有機ラジカルの生成と反応性は、その熱力学的安定性と運動学的安定性（持続性としても知られる）の両方に依存している。この区別が必要なのは、これら 2 種類の安定性が必ずしも互いに相関しているわけではないためである。たとえば、ベンジル C−H 結合強度が弱いことで知られるベンジルラジカルは、共鳴非局在化により熱力学的に安定化されている。しかし、これらのラジカルは、拡散制限による急速な二量化を受ける可能性があり、その結果、寿命が数ナノ秒未満になるため、運動学的には一時的である。特に炭素中心ラジカルの混乱を避けるために、Griller と Ingold は次の定義を導入した。^[8]「安定化は、R−H 結合強度がアルカンの適切な C−H 結合よりも弱い炭素中心ラジカル R ·を説明するために使用されるべきである。」 「持続性は、同じ条件下でメチル [ラジカル] よりも大幅に長い寿命を持つラジカルを説明するために使用されるべきである。」熱力学的安定性と運動学的持続性の関係はケースによって大きく異なりますが、有機ラジカルは一般的に、電気陰性度、非局在化、立体障害のいずれかまたはすべての要因によって安定化されます。^[8] 2,2,6,6-テトラメチルピペリジニルオキシルという化合物は、これら3つの要因がすべて組み合わさった例です。これは市販の固体で、磁性を除けば通常の有機化合物のように動作します。

有機ラジカルは本質的に電子不足であるため、不対電子が存在する原子の電気陰性度が大きいほどラジカルの安定性は低くなります。^[9]たとえば、炭素、窒素、酸素の間では、炭素が最も安定しており、酸素が最も不安定です。

電気陰性度は、異なる混成の炭素原子の安定性にも影響します。s 特性が大きいほど、炭素原子の電気陰性度が高くなります (s 軌道が原子核に近いため)。電気陰性度が大きいほど、ラジカルの安定性は低くなります。^[9] sp 混成炭素 (s 特性 50%) は、最も安定したラジカルを形成する sp ³混成炭素 (s 特性 25%) と比較して、最も不安定なラジカルを形成します。

ラジカル構造全体にわたる電子の非局在化は、1つ以上の共鳴構造を形成する能力としても知られ、電子不足を複数の原子に分散させ、不安定性を最小限に抑えることができます。非局在化は通常、ヒドロキシル基（−OH）、エーテル（−OR）、隣接するアルケン、アミン（−NH ₂または−NR）などの電子供与基、またはC = OまたはC≡Nなどの電子吸引基の存在下で発生します。^[3]

非局在化効果は、分子軌道理論をレンズとして使用して理解することもできます。より具体的には、不対電子と供与基の電子対または電子吸引基の空のπ*軌道との分子内相互作用を分子軌道図の形で調べることによって理解できます。ラジカルのHOMOは単一占有であるため、軌道はSOMO、つまり単一占有分子軌道と呼ばれます。電子供与基の場合、SOMOはより低エネルギーの孤立電子対と相互作用して、新しい低エネルギー充填結合軌道と、元の軌道よりもエネルギーが高い単一充填の新しいSOMOを形成します。不対電子のエネルギーは増加しますが、新しい結合軌道を形成する孤立電子対のエネルギーの減少は、新しいSOMOのエネルギーの増加を上回り、結果として分子のエネルギーの純減少をもたらします。したがって、電子供与基はラジカルを安定化するのに役立ちます。

代わりに電子吸引性の基を持つ SOMO は、空の π* 軌道と相互作用します。形成された高エネルギー軌道を占有する電子はなく、より低エネルギーの新しい SOMO が形成されます。その結果、ラジカル種のエネルギーが低くなり、安定性が高まります。供与基と吸引基の両方がラジカルを安定化します。

もう一つのよく知られた非局在化の形態は、より弱いが超共役である。ラジカル化学では、ラジカルは隣接するアルキル基との超共役によって安定化される。部分的に空のラジカル軌道へのシグマ（σ）C−H結合の供与は、第三級、第二級、第一級炭素上のラジカルの安定性を区別するのに役立ちます。第三級炭素ラジカルには供与するσ CH結合が3つあり、第二級ラジカルには2つだけ、第一級ラジカルには1つだけあります。したがって、第三級ラジカルが最も安定しており、第一級ラジカルは最も不安定です。

最も簡単に言えば、立体障害が大きいほど反応が起こりにくくなり、ラジカル形態がデフォルトで好まれるということです。たとえば、N-ヒドロキシピペリジンの水素引き抜き形態を分子TEMPOと比較してください。^[3] TEMPO、または(2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-イル)オキシルは、追加のメチル基によって立体障害が大きすぎて反応しないため、ラジカル形態で市販されるほど安定しています。しかし、 N-ヒドロキシピペリジンには、反応する分子の進路を妨げる4つのメチル基がないため、構造が不安定です。^[3]

多くの（またはほとんどの）有機ラジカルの安定性は、単離可能性によって示されるのではなく、H ^•供与体として機能する能力によって示されます。この特性は、水素（通常は O−H ですが、N−H または C−H の場合もあります）への結合が弱まっていることを反映しています。この挙動が重要なのは、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するためです。α-トコフェロール（ビタミン E ）がその例です。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 結合が弱まっています。

多種多様な無機ラジカルは安定しており、実際に分離可能です。例としては、ほとんどの第一列遷移金属錯体があります。

典型ラジカルに関して言えば、宇宙で最も豊富なラジカルは、宇宙で最も豊富な化学物質であるH ^•でもある。しかし、ほとんどの典型ラジカルは、その固有の安定性にもかかわらず、単離することができない。例えば、水素ラジカルは、H _{2 を}形成するために積極的に結合する。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る。フレミーの塩(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。π共鳴安定化の範囲が限られているにもかかわらず、多くのチアジルラジカルが知られている。^{[10] [11]}

多くのラジカルは、ホモリシスによる共有結合の切断の生成物として考えることができます。通常「Δ H °」と略されるホモリシス結合解離エネルギーは、 結合の強さの尺度です。たとえば、 H _{2を 2 つの H} ^•に分解するには、+435 kJ/molの Δ H  ° が必要ですが、Cl _{2 を}2 つの Cl ^•に分解するには、 +243 kJ/mol のΔ H  ° が必要です。弱い結合の場合、ホモリシスは熱によって誘発されます。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、または炎さえも必要です。

ジラジカルは、2つのラジカル中心を含む分子である。二酸素（O ₂）は、安定したジラジカルの重要な例である。一重項酸素は、二酸素の最もエネルギーの低い非ラジカル状態であり、フントの最大多重度の規則により、ジラジカルよりも安定性が低い。酸素ジラジカルの相対的な安定性は、主に、電子を捕らえる（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。酸素のジラジカル状態は、外部磁石に引き付けられることで実証される常磁性ももたらします。^{[12]ジラジカルは}金属オキソ錯体でも発生する可能性があり、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。 ^{[13]三重項状態の}カルベンは同じ原子を中心としたジラジカルとして見ることができますが、これらは通常、非常に反応性の高い持続性カルベンとして知られており、N-複素環式カルベンが最も一般的な例です。

三重項カルベンとニトレンはジラジカルです。それらの化学的性質は、一重項類似体の性質とは異なります。

よく知られているラジカル反応は燃焼です。酸素分子は安定したジラジカルで、^• O–O ^•で表されます。電子のスピンが平行であるため、この分子は安定しています。酸素の基底状態は、この反応しないスピン不対 (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、高温が必要になります。三重項 - 一重項遷移も「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、鉄や銅などの触媒重原子が存在しない限り、分子状酸素が室温で比較的反応性が低いことも意味します。

燃焼は、一重項ラジカルが開始できるさまざまなラジカル連鎖反応から成ります。与えられた物質の可燃性は、開始反応と伝播反応が優勢になって物質の燃焼に至る前に得られなければならない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、終結反応が再び優勢になり、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えます。たとえば、鉛自体は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、かつてはガソリンにテトラエチル鉛がよく添加されていました。これにより、燃焼が制御不能な状態で開始したり、未燃焼残留物 (エンジンノッキング) や早期点火 (プレイグニッション) で開始したりすることが防止されます。

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、ヒドロペルオキシラジカル(HOO ^• ) が生成されます。これがさらに反応して有機ヒドロペルオキシドになり、これがヒドロキシラジカル(HO ^• )に分解されます。

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) に付加されて新しいラジカルが生成されます。このプロセスはラジカル連鎖反応の基礎です。重合の技術には、開始ラジカルを導入する方法が含まれます。たとえば、メチルメタクリレート(MMA) は、一連のラジカル付加ステップを繰り返すことで重合され、ポリ (メチルメタクリレート) (PMMA – プレキシガラスまたはパースペックス)が生成されます。

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。その変種には、可逆的付加開裂連鎖移動（RAFT）と原子移動ラジカル重合（ATRP）があります。

_{O 2 は}広く存在するラジカルであるため、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します。乾性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によって硬化します。

下層大気で最も一般的なラジカルは分子状酸素です。ソース分子の光解離により他のラジカルが生成されます。下層大気では、二酸化窒素が光解離して酸素原子と一酸化窒素になり（下の式 1.1 を参照）、スモッグ形成に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) が生成されることで重要なラジカルが生成されます（下の式 1.2 を参照）。正味の反応と戻り反応も示されています（それぞれ式 1.3と式 1.4）。

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）が太陽の紫外線によって光分解され、ラジカルの重要な発生源となります（下記式 1 を参照）。この反応で塩素ラジカル Cl ^{•が生成され、これが}オゾンをO ₂に変換する触媒作用を及ぼし、オゾン層の破壊を促進します（下記式2.2～2.4）。

このような反応は、特に塩素ラジカルが自由に別の反応連鎖に関与できるため、オゾン層の破壊を引き起こします。そのため、冷媒としてのクロロフルオロカーボンの使用は制限されています。

ラジカルは生物学において重要な役割を果たしている。これらの多くは、顆粒球やマクロファージなどの貪食細胞による細胞内細菌の殺傷など、生命に必須のものである。ラジカルは細胞シグナル伝達プロセスに関与しており、 ^[15]酸化還元シグナル伝達として知られる。例えば、リノール酸に対するラジカル攻撃は、一連の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を生成し、局所組織の炎症および/または治癒反応、疼痛知覚、および悪性細胞の増殖を制御する働きをする可能性がある。アラキドン酸とドコサヘキサエン酸に対するラジカル攻撃は、同様だがより幅広いシグナル伝達産物を生成する。^[16]

ラジカルはパーキンソン病、老人性難聴および薬剤性難聴、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。^[17]古典的なフリーラジカル症候群である鉄貯蔵疾患ヘモクロマトーシスは、通常、運動障害、精神病、皮膚色素メラニン異常、難聴、関節炎、糖尿病など、一連のフリーラジカル関連症状を伴う。老化のフリーラジカル理論では、ラジカルが老化プロセスそのものの根底にあると提唱されている。同様に、ミトホルミシスのプロセスは、ラジカルへの反復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必要であるため、体には、スーパーオキシドディスムターゼ、カタラーゼ、グルタチオンペルオキシダーゼ、グルタチオン還元酵素などの酵素 など、ラジカル誘発性の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ます。さらに、抗酸化物質はこれらの防御メカニズムで重要な役割を果たします。これらは通常、3つのビタミン、ビタミンA、ビタミンC、ビタミンE、および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作用し、特定のラジカルを中和するのに役立つことを示す十分な証拠があります。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。ただし、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に損傷を与える可能性があります。一方、尿酸が多すぎると痛風を引き起こします。^[18]

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、一般的に細胞損傷に関連しています。ROSは、酸素の正常な代謝の自然な副産物として形成され、細胞シグナル伝達において重要な役割を果たします。2つの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に由来します。しかし、その反応性のために、これらの同じラジカルは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。これらのラジカルの量が多すぎると、細胞の損傷や死につながる可能性があり、がん、脳卒中、心筋梗塞、糖尿病、主要な障害など、多くの疾患の一因となる可能性があります。^[19]多くの種類のがんは、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。 ^{[20]アテローム性動脈}硬化症などの老化の症状の一部も、ラジカルによって引き起こ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よるものとされています。^[21]さらに、ラジカルはアルコール自体よりもアルコール誘発性の肝障害に寄与している可能性がある。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下でラジカルを形成することが分かっており、そのため細胞損傷にも関係している可能性があります。これは、酸化チタンやオクチルメトキシケイヒ酸など、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ました。^[22]

ROSは多価不飽和脂肪酸であるリノール酸を攻撃して、 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。これらの生成物はシグナル分子として機能し、それらの生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て、同様の一連のシグナル生成物を生成します。^[23]

活性酸素種は、天然の三重項二酸素と光増感剤の三重項励起状態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光酸素化反応として知られる一重項二酸素を伴う制御された反応にも使用されます。この一重項二酸素種による典型的な化学変換には、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ます。^[24]${\displaystyle {}^{1}\mathrm {O} _{2}}$${\displaystyle {}^{3}\mathrm {O} _{2}}$

化学式では、ラジカルは、次のように原子記号または分子式のすぐ右に配置されたドットで表されることがよくあります。

${\displaystyle \mathrm {Cl} _{2}\;\xrightarrow {UV} \;2{\mathrm {Cl} ^{\bullet }}}$

ラジカル反応機構では、単一の電子の動きを表すために単方向矢印が使用されます。

切断結合のホモリシス開裂は、標準的な巻き矢印で示される 2 つの電子の通常の動きと区別するために、「魚の鉤」矢印で描かれます。切断結合の 2 番目の電子も、攻撃ラジカル電子とペアになるように動きます。

ラジカルは、反応中間体としてラジカル付加やラジカル置換にも関与します。ラジカルが関与する連鎖反応は、通常、開始、伝播、終了という 3 つの異なるプロセスに分けられます。

• 開始反応は、ラジカルの純数が増加する反応です。上記の反応 1 のように、安定した種からラジカルが形成される場合もあれば、ラジカルと安定した種が反応してさらにラジカルが形成される場合もあります。
• 伝播反応とは、ラジカルの総数が変わらないラジカルが関与する反応です。
• 終結反応は、ラジカルの数が全体的に減少する反応です。通常、2 つのラジカルが結合してより安定した種を形成します。例:

  2 Cl ^• → Cl ₂

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、結合した原子群を指し、それがより大きな分子の一部であるか、分子そのものであるかは関係ありませんでした。ラジカルはR 基と呼ばれることがよくあります。当時は、結合していないことを示すために「フリー」という修飾語が必要でした。最近の命名法の改訂により、より大きな分子の一部は現在では官能基または置換基と呼ばれており、「ラジカル」は「フリー」を意味するようになりました。ただし、一部の書籍では古い命名法がまだ使用されている場合があります。

ラジカルという用語は、現在では廃れたラジカル理論が開発されたときにすでに使用されていました。ルイ＝ベルナール・ギトン・ド・モルヴォーは1785 年に「ラジカル」という語句を導入し、この語句は1789 年にアントワーヌ・ラボアジエによってTraité Élémentaire de Chimieで使用されました。ラジカルは、特定の酸の根塩基として特定されました (ラテン語の「radix」は「根」を意味します)。歴史的には、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対しても使用されました。これらは現在、官能基と呼ばれています。たとえば、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」で構成されると説明されました。どちらも現代の化学的意味でのラジカルではありません。なぜなら、それらは互いに永久に結合しており、不対の反応性電子を持たないからです。ただし、エネルギー電子の照射によって分解されると、質量分析でラジカルとして観察できます。

現代において最初に同定された有機（炭素含有）ラジカルはトリフェニルメチルラジカル（C ₆ H ₅）₃ C ^•である。この種は1900年にモーゼス・ゴンバーグによって発見された。 1933年にモリス・S・カラシュとフランク・メイヨーは、臭化水素の臭化アリルへの反マルコフニコフ付加はフリーラジカルによるものだと提唱した。^{[25] [26]}

化学のほとんどの分野において、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ある。しかし、分光学や天体化学などの分野では、定義が若干異なる。ラジカルの電子構造と幾何学に関する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い定義を提案した。「化学的に不安定な一時的な種（原子、分子、イオン）」である。 ^[27]彼の提案の要点は、C ₂、C ₃、CH ₂など、スピンがゼロである化学的に不安定な分子が多数存在するということである。この定義は、一時的な化学プロセスや天体化学の議論に便利であるため、これらの分野の研究者はこの緩い定義を使用することを好む。^[28]

• 電子対
• 化学物質の分類および表示に関する世界調和システム
• ホフマン・レフラー反応

フリーラジカル研究

• ARC フリーラジカル化学およびバイオテクノロジー研究センター