α-杂原子的烷基自由基
具有SOMO（单占据分子轨道）的碳原子，同时与除了碳和氢之外的其他原子键合，被称为α-杂原子自由基。有两个因素可能会影响产生的α-杂原子自由基的反应性：杂原子的电负性和其π-键结合能力。然而，在大多数情况下，杂原子的π特性在确定产生自由基的亲和性方面起主导作用。
一个杂原子与相邻的烷基自由基形成新的π相互作用有两种方式。第一种情况涉及到具有非键电子对的杂原子，比如羟甲基自由基中的氧原子(47)。这种α-杂原子自由基通过杂原子上的孤对电子的共振给予而得到稳定，从而使SOMO升高并增强了亲核性。第二种情况涉及具有空π轨道的杂原子，例如硼在硼基甲基自由基48中的作用，通过共振离域稳定自由基。这种SOMO降低过程增强了亲电性。在这两种情况下，结果是一个新的π相互作用，其键级为一半。
在最常见的α-杂原子自由基中，包括α-氧自由基和α-氨基自由基。氧和氮都有一个未参与成键的电子对，这会导致SOMO升高，产生亲核性自由基。此外，由于这些杂原子和碳的大小相似，因此轨道混合效率很高，从而产生了特别强烈的效应。因此，α-oxy和α-amino自由基是已知亲核性最强的自由基之一，并且近年来在有机化学中得到广泛应用。
在Reisman团队报道的(+)-pleuromutilin的合成中，一个关键步骤是α-氧自由基1经过SmI2诱导的自由基环化。发现了五种环化模式作为可行的途径；然而，只有8-endo-trig环化模式（6）被观察到，以93%的收率得到三环结构物49。起初，这个结果可能会令人惊讶，因为从动力学角度来看，5-exo-trig和6-endo-trig的反应途径也是可行的，但是8-endo-trig的反应途径可以被合理地解释为亲核α-氧自由基与共轭羰基受体烯烃的唯一相容性加成。
Nagib团队报道了通过锰（i）催化剂作用产生α-氧自由基的过程。这些亲核物种随后与炔烃发生加成反应，而炔烃作为偶联反应的组合不能被认为是固有的亲电或亲核物种。在一项竞争实验中，α-氧自由基50选择性地与甲基丙炔酸酯（51）发生加成反应，而不是三乙基硅乙炔（52），随后通过碘进行自由基捕获，从而证明了该物种的亲核性。
由于氮原子普遍存在药物分子中，α-氨基自由基对制药行业具有特殊的重要性。由于氮的电负性较氧低，即使氮原子被保护基去活化，α-氨基自由基仍然具有特别亲核性。Phipps报道了一种对映选择性Minisci反应，其中α-氨基自由基（55）被添加成到缺电子的杂环（56）中，包括吡啶和喹啉。
Chen团队一种通过α-氨基自由基（如60）中间体进行的三组分偶联反应。自由基60经历了与受体烯烃61的加成反应，在砜基团β-断裂后生成了烯丙基化产物62。令人惊讶的是，与环丙烷开环相比，对烯烃61的加成速度更快，突显出60的卓越亲核性。
相比之下，来自硫、氟、氯、溴和碘的α-杂原子自由基较为罕见。这些物种的反应性的一个显著例子是由Baran团队，他们使用铁催化剂和苯基硅烷的组合来通过将氢原子加成到烯烃上产生具有不同α-杂原子的碳中心自由基（J. Am. Chem. Soc. 139, 2484–2503 (2017)）。该方法产生了一系列α-杂原子自由基，如63-67，它们具有亲核性，能够与二甲基丙烯酰胺（68）发生Giese加成反应。
相比之下，具有空轨道的杂原子可以从碳中心自由基接受电子密度，从而增加其亲电性（如48）。α-硼基和α-硅基自由基中的SOMO可以与硼和硅上的空p轨道和低能d轨道相互作用，从而赋予其一定的亲电性特征。这些自由基强调了B和Si比C电负性相比较低，会增加自由基的亲核性，以及B和Si的π-键结合能力，会增加自由基的亲电性。有趣的是，取代程度在决定α-硼基和α-硅基自由基的亲电性方面起着相当重要的作用。
在上述Baran团队的报告中，作者还产生了三取代α-硼基和α-硅基自由基75和77，它们经历了亲核加成到丙烯酸甲酯（78），表明其具有亲核性质。然而，二取代烯烃导致了不同的结果。双官能基乙烯基硅烷81产生了82和83两种自由基的混合物，当81与21发生Giese加成反应时，可得到84和85（比例为1:2）两种产物，其总收率为36%。主要产物（85）来源于非稳定的自由基83，这表明α-硅原子对该物种也具有亲电性的稳定作用，并且84是次要产物。
在二取代乙烯基硼酸酯86的情况下，经铁氢催化剂会产生α-硼基自由基87；然而，与甲基丙烯酸酯78反应，其过程似乎是通过自由基88进行的，以58%生成了89。如果体系中都产生87和88两种自由基，由于pSOMO→pB的电子转移，α-硼基自由基87预计会比88的亲核性更低。由此可见，反应将仅通过亲核次级自由基88进行，并生成89作为唯一产物。
Gevorgyan团队报道了烷基自由基与重氮离子进行C-H胺化反应。生成了初级α-硅基自由基90，但这个中间体没有与亲电试剂91发生偶联反应。如上所述，SOMO在90中由硅原子稳定，导致亲电性增加。相反，通过1,6-HAT选择性地生成具有亲核性三级自由基92，并与91发生加成反应从而生成C-H胺化产物。在三级、二级甚至一级烷基位置与自由基偶联的情况下，优先发生了α-硅烷自由基与电亲试剂的加成反应，这意味着亲和性在决定转化结果时比自由基稳定性更重要。
聚氟烷基和全氟烷基自由基，如三氟甲基自由基（94），与两个或三个强电负性的氟原子结合，因此通常作为强亲电试剂发生反应。这似乎是一个α-杂原子的电负性超过了其π键结合能力的例子。这些物种通常直接加成到富电子和电中性的芳香环（95）和烯烃（96），也可以氧化加成到过渡金属配合物中。这些自由基分子通过与缺电子的芳烃（99）和受体型烯烃（100，with selective addition to olefin B over olefin A）发生加成反应有时表现出亲核性特征。Studer团队确定了全氟烷基自由基与烯烃加成的速率常数，结果显示，在某些情况下，给电子基团（EDGs）的加成会增加反应速率，而在其他情况下，EDGs会降低反应速率（Org. Biomol. Chem. 14, 206–210 (2016)）。这一发现凸显了三氟甲基和全氟烷基自由基的两性特征。
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