자유 라디칼 할로젠화

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유기화학에서 자유 라디칼 할로젠화(영어: Free-radical halogenation)는 할로젠화의 한 종류이다. 이 화학 반응은 알케인과 알킬기가 치환된 방향족 화합물에 자외선을 쬐는 전형적인 반응이다. 이 반응은 클로로포름 (CHCl₃), 다이클로로메테인 (CH₂Cl₂), 헥사클로로뷰타다이엔의 산업적 합성에 사용된다. 이 반응은 자유 라디칼 연쇄 메커니즘을 통해 진행된다.

일반적인 메커니즘

메테인의 염소화를 예로 들면, 연쇄 메커니즘은 다음과 같다.

개시

자외선은 염소 분자를 두 개의 염소 원자 유리기로 균형 분해한다.

메테인 염소화: 개시

사슬 전파 (두 단계)

라디칼은 메테인에서 수소 원자를 추출하여 1차 메틸 라디칼을 남긴다. 메틸 라디칼은 Cl₂에서 Cl^•을 추출하여 원하는 생성물과 또 다른 염소 라디칼을 생성한다.

메테인 염소화: 전파

이 라디칼은 다른 전파 반응인 라디칼 연쇄에 참여한다. CH₂Cl₂와 같은 다른 생성물도 형성될 수 있다.

종결

두 개의 자유 라디칼(염소와 염소, 염소와 메틸, 또는 메틸과 메틸)이 결합한다.

메테인 염소화: 종결

마지막 가능성은 최종 혼합물에 불순물을 생성한다 (특히 반응물보다 탄소 사슬이 더 긴 유기 분자).

총 반응은 다음과 같다:

메테인 라디칼 염소화 전체 반응

정상 상태 근사법은 이 과정이 k[CH₄][Cl₂]^1⁄2의 속도 법칙을 따른다는 것을 의미한다.^[1]

라디칼 반응으로서, 이 과정은 삼중항 산소와 같은 라디칼 트랩에 의해 정지되거나 심하게 느려진다.

조절

다른 할로젠들이 반응하는 상대적 속도는 상당히 다르다:

플루오린 (108) > 염소 (1) > 브로민 (7×10⁻¹¹) > 아이오딘 (2×10⁻²²).

순수 원소를 이용한 라디칼 플루오린화는 제어하기 어렵고 매우 발열적이다. 폭발이나 폭주 반응을 방지하기 위해 주의해야 한다. 염소와의 반응은 중간 정도에서 빠르며, 브로민과의 반응은 느리고 강한 자외선 조사가 필요하다. 아이오딘과의 반응은 거의 일어나지 않으며 열역학적으로 불리하다. 그러나 다른 아이오딘 공급원을 사용하면 라디칼 아이오딘화가 완료될 수 있다(§ Variants 참조).^[2]

이러한 속도 차이는 종종 반응성-선택성 원리와 해먼드 가설의 교육적 시연으로 사용된다. 틀:Dubious span

결합 해리 에너지는 모든 라디칼 과정에 강하게 영향을 미치며, 몇몇 특이한 경우에 자유 라디칼 할로젠화는 위치선택성을 가질 수 있다. 페닐 수소는 결합이 매우 강하여 할로젠에 의해 거의 치환되지 않는다. 비-엔올화 가능한 알데하이드는 아실 할라이드로 산화되지만, 엔올화 가능한 알데하이드는 일반적으로 대신 알파 위치에서 할로젠화된다. 실제로, 알릴기 및 벤질기 수소는 알케인보다 훨씬 약한 결합을 가지며, 볼-치글러 반응에서 선택적으로 치환된다. 일반적으로 황산 중의 N-할로아민 (다른 할로라디칼 공급원이 아닌)은 알케인 사슬의 마지막에서 두 번째 탄소 (예: 펜테인에서 2-할로펜테인으로), 카복실산으로 끝나는 사슬의 중심, 그리고 다리 화합물의 브리지헤드에서 할로젠화된다. 2020년 기준^[update], 후자의 N-할로이미드 선택성에 대한 이유는 불분명하게 남아있다.^[2]

이러한 몇 가지 예외를 제외하고, 자유 라디칼 할로젠화는 지독하게 비선택적이다. 염소화는 단일 치환에서 거의 멈추지 않는다.^[2] 반응 조건에 따라 메테인 염소화는 클로로메테인, 다이클로로메테인, 클로로포름 및 사염화 탄소의 다양한 비율을 생성한다.

비대칭 기질의 경우, 반응은 가능한 모든 이성질체를 생성하지만, 동일한 양으로 생성하지는 않는다. 라디칼 할로젠화는 일반적으로 동일하게 치환된 잠재적 라디칼들 사이에서 무관심하며 소위 통계적 생성물 분포를 나타낸다. 예를 들어, 뷰테인 (CH₃−CH₂−CH₂−CH₃)은 "1" 위치에서 염소화되어 1-클로로뷰테인 (CH₃−CH₂−CH₂−CH₂Cl)을 생성하거나 "2" 위치에서 염소화되어 2-클로로뷰테인 (CH₃−CH₂−CHCl−CH₃)을 생성할 수 있다. 후자가 더 빠르게 발생하며, 주 생성물이다.

일차 탄소, 이차 탄소, 삼차 탄소 위치에서의 실험적 상대적 염소화 속도는 해당 유리기 종의 안정성과 일치한다.

삼차 (5) > 이차 (3.8) > 일차 (1).

따라서 어떤 단일 염소화 단계는 이미 가장 많이 치환된 탄소에서 치환을 약간 선호한다. 이 속도는 일반적으로 반응 전반에 걸쳐 일정하며 비교적 높은 정확도로 생성물 분포를 예측한다.^[3][4] 예를 들어, 2-메틸 뷰테인 ((CH₃)₂CHCH₂CH₃)은 다음 결과를 나타낸다:

부분	유형	# 수소		상대 속도		양	비율
2CH 3	일차	6	×	1	=	6	28%
CH	삼차	1	×	5	=	5	23%
CH 2	이차	2	×	3.8	=	7.6	35%
CH 3	일차	3	×	1	=	3	14%
총계						21.6	100%

유일한 삼차 수소는 훨씬 더 많은 양에도 불구하고 가지를 끝내는 6개의 수소만큼 염소화될 가능성이 높다는 점에 유의하라.

변형

 옥시염소화 및 리드 반응 문서를 참고하십시오.

개시제, 산화제, 할로젠 화합물의 많은 혼합물은 필요한 할로젠 라디칼을 생성할 수 있다. 예를 들어, 톨루엔의 라디칼 브로민화를 고려해보자.^[5]

물에서 브롬화수소산과 과산화수소를 이용한 톨루엔의 브로민화

이 반응은 유기 용매 대신 물에서 일어나며 과산화 수소로 브로민화수소산을 산화하여 브로민을 얻는다. 백열등으로도 라디칼화하기에 충분하다.

다른 공급원으로는 알킬 하이포할라이트 또는 단일 전자 산화가 가능한 전이 금속이 있다. 특히, 하이포아이오딘화 tert-뷰틸은 라디칼 아이오딘화의 일반적인 아이오딘 공급원이다.^[2]