chapter 5 自由基反应

第三章自由基反应,27.1自由基化合物中含有一个或一个以上的未配对电子的，称为自由基。根据这个定义，NO，NO2和Na，Cl等原子都是自由基，而空气中的氧则是双自由基(diradicals，简称双基)。简单的烷基，如CH3，反应活性非常高，它们在溶液中的寿命很短，但是冻结在其他分子的晶格中，却可以保存相当长的时间，并可以测量它们的光谱。甲基在甲醇的晶格中，77K下，其半衰期为1015min。自由基的寿命不但与其固有的稳定性有关，还受它产生条件的影响。有的自由基虽然稳定性不高，但是在产生它的特殊条件下寿命相当长，一般称为持久自由基(Persistentradicals)。稳定自由基(stableradicals)是指固有的稳定性高的自由基。首先发现的稳定自由基是三苯甲基(triphenylmethyl，tritylradical）,27.1.15三苯甲基在有机化学发展过程中，最初认为基同原子一样，是可以独立存在的。有了测定相对分子质量的方法以后，才知道以前所说的基，如CH3，CH3CH2，CN等，实际上是它们的二聚体：CH3CH3，CH3CH2CH2CH3，(CN)2等。到了19世纪末年，一般认为基不能独立存在。1900年GombergM在合成了四苯甲烷以后，计划合成六苯乙烷，他在苯溶液中使三苯氯甲烷与分子银(很细的银粉)作用，得到一个熔点为185oC的白色晶体，它在有机溶剂中的溶解度很小，最初认为这是六苯乙烷。但元素分析数据与计算值不符，碳和氢的含量加起来只有94。经多次仔细分析，仍然得到同样的结果。用三苯溴甲烷代替三苯氯甲烷进行合成，或将产物从不同的溶剂中重结晶，产物的碳氢含量仍无改变。在元素分析中，氧的含量一般不直接测定，是从100中减去其他元素的百分含量推算出来的。一个化合物所有元素的百分含量加起来不足100，一种可能就是含有氧。,如果熔点为185oC的化合物含有氧，根据分析数据计算，它可能是(C6H5)3COOC(C6H5)3。氧只能从试剂或空气中来。Gomberg用仔细提纯过的银粉、汞或锌粉作试剂，仍得到熔点为185oC的化合物。后来在二氧化碳气流中进行反应和后处理，才得到一个熔点为145147oC的白色晶体，元素分析数据与六苯乙烷相符合，但具有一般烃类所没有的特殊性质，它的苯溶液呈黄色，与空气作用得到熔点为185oC的含氧化合物，后者也可以由三苯氯甲烷与过氧化钠得到：,与氯、溴或碘作用，则分别得到三苯氯甲烷、三苯溴甲烷和三苯碘甲烷，用冰点降低法测定出来的相对分子质量为477(六苯乙烷的相对分子质量为486)。由此得出结论：熔点145147的固体是六苯乙烷，它在溶液中有小部分解离成三苯甲基，溶液的颜色和特殊反应都是由三苯甲基所引起的：,Gomberg的实验证明基可以独立存在，这种基称为自由基。但所谓六苯乙烷，后来证明具有醌式结构，即一个三苯甲基连接在另一个的苯环的对位上：,以前认为三苯甲基由于它的未配对电子通过共振分散到三个苯环中去，所以稳定性提高，能够以自由基的形式存在：,以后的研究说明：三苯甲基中的三个苯基由于邻位氢的互相排斥，不能排列在同一平面上，而是成三叶螺旋桨形，主要是位阻的影响，使两个三苯甲基互相连接生成的碳碳键变弱，在溶液中部分解离成三苯甲基(在室温下苯溶液中只有约2解离)。,下面两个含氧化合物已经合成出来：,前一个化合物中三个苯环在同一平面内，共振所起的稳定作用最大。如果形成自由基取决于共振对自由基的稳定作用，则它应最容易形成自由基。但是它在固态下主要以二聚体的形式存在，在溶液中解离程度也很小；后一个化合物中邻位取代基互相排斥，三个苯环排成螺旋桨形，共振所引起的稳定作用甚至比三苯甲基还小，但是它在固态下也没有二聚的迹象。可见使三苯甲基生成的主要因素是位阻阻碍了它的二聚。,1932年KoelschCF合成了一个新的自由基：,审稿人认为它的性质不像自由基(theperopertiescouldnotbethoseofaradical）而被退稿。后来对它的量子化学计算，以及对它与金属反应的热力学研究，都说明它是特别稳定的自由基，顺磁共振谱研究也说明它是自由基。因此，到1957年才照原稿发表(见JAmChemSoc1957,4439-4441)。1971年报道的全氯三苯甲基，在固态下是稳定的，可以加热到300oC，在溶液中有氧存在时也是稳定的。1985年报道的galvinoxyl和1962年报道的二叔丁基氧化氮也是对氧稳定的自由基。因此，是否与氧反应不是判断自由基的标准。,它在固态下为深绿色，沸腾的苯溶液中通氧6h，仍能回收未反应的自由基。由于它对氧的相对稳定性，在向美国化学会会志投稿时，,27.1.2自由基的检测自由基都有一个未配对的电子，电子有顺磁性(Paramagnetic)，因此，最有用的检测方法是电子顺磁共振谱(EPRorESR)。其原理与核磁共振谱相似。反应中作为中间体生成的寿命很短的自由基，可以用亚硝基化合物截留，再用ESR检测生成的稳定的自由基，由ESR谱推测原来自由基的结构。,2713自由基的构型根据ESR和其他物理方法推测，自由基的构型可能为刚性角锥型、迅速翻转角锥型或平面型：,甲基的构型可能为平面或高度很低的角锥，偏离平面约5”。叔丁基为角锥构型，其他烷基一般也都为角锥构型。,2714自由基的稳定性化学中的稳定性是一个相对的概念，一个化合物的稳定性往往是指它与一个标准化合物的差别。化合物中RH键的键离解能(bonddissociationenergy)：可以用来衡量自由基的相对稳定性。键解离能(D)越大，生成的自由基稳定性越低。根据键解离能可以将一些自由基的相对稳定性次序排列如下：RHRH,在自由基取代反应中优先生成烷基自由基，只有在特殊情况下才生成烯基和芳基自由基，还没有出现炔基自由基的例子。未配对电子在杂原子上的自由基稳定性很高，甚至在其他部分起反应对未配对电子也没有影响：,27.1.5自由基的来源有机化学反应中用作引发剂的自由基常由分子的热解(thermalcleavage)或光解(photochemicalcleavage)产生。例如：,过氧醇类与过渡金属反应也能产生自由基：,27.1.6自由基的反应自由基链增长过程中最常见的几种反应形式有：夺取另一原子（常为氢原子）或基团：,加在碳-碳双键上：,加在芳环上：,分解：,重排：,自由基链反应的终止为偶联或歧化：,27.1.7自由基离子最重要的自由基负离子有半醌，羰自由基和芳烃还原中产生的自由基负离子：,典型的自由基正离子是N-烷基亚胺自由基正离子：,27.2自由基取代27.2.1.2烯烃的氯化和溴化烯烃与氯和溴自由基反应，可以加成也可以取代，但比较容易取代烯丙位的氢。丙烯在210C下气相氯化，烯丙基氯的产率为25%，温度升到400C，产率提高到96%，可能高温下氯与双键的加成是可逆的，而取代则是不可逆的。工业上是将丙烯与干燥的氯气以4：1混合，在500-510C反应，几秒钟就完成。烯烃与溴更易生成加成产物。烯丙位的溴化一般要用NBS，在非极性溶剂中，加引发剂，这样的条件下只得到烯丙位溴化产物。,反应对引发剂和阻聚剂很敏感，没有引发剂不能反应，,NBS的作用是提供低浓度的溴，如果直接用溴化试剂，必须要保持很低的浓度，并且除去反应中生成的HBr,其作用就与NBS相似。用其他的N-溴代酰胺也得到同样的结果。这种条件下溴不加在双键上的原因是加成是可逆的：,先加一个溴原子，生成的碳自由基再从另一个溴分子夺取一个溴原子。如果溴的浓度很低，碳自由基得不到溴，就会把加上去的溴原子丢掉，即反应就会逆回去。如果烯烃中有仲氢，溴化优先在仲碳上进行。,27.3.2多卤代甲烷与烯烃的加成多卤代甲烷与烯烃的加成反应生成多卤化物是一类较好的用于制备的自由基反应。KharaschMS等在有自由基引发的情况下，使多卤代甲烷如CCl4、CBr4、CHCl3等与1-辛烯苯乙烯乙烯等发生,自由基加成反应，,In可以是过氧化物,CHCl3与烯烃的加成反应中链转移的原子为氢原子：,CF3I与烯烃也能发生自由基加成反应，发生转移的是碘原子：,这一反应用于制备高度氟代烃的制备。,醛对烯烃的加成：,氢攫取过程对于形成有特定结构的自由基是很少有用的，因为经常有几种不同位置的氢可以被夺去。不过，自由基与醛反应的结果通常是选择性夺醛氢。因此，自由基引发剂可以使醛产生醛基自由基，,这些酰基自由基通常失掉一氧化碳得到已知结构的烷基或芳基自由基，它们的反应都能被研究。,但醛基自由基也可能与碳碳双键发生加成得酮类：,另外，醇类的-氢对自由基的进攻敏感，,在自由基反应中作为中间体生成的自由基如果分子中适当的位置有双键，则这个“基”就有可能加在本身的双键上，发生成环反应：,27.3.3成环反应,例如：,也可以用醇作为原料；三烷基锡可以用毒性较小的硅化物代替：,例如：,操作上，如果将反应混合物滴加到(Me3Si)3SiH的溶液中去，则因为后者过量，生成的自由基会夺取试剂中的氢，好像醇被还原了：,如果用作原料的卤代烷不含双键，可以另外加入含双键的化合物与之反应，就是分子间的反应了：,27.3.4自由基重排自由基的稳定性比相应的碳正离子小，与碳正离子相比，自由基的重排不容易发生。根据分子轨道的分析，l,2-重排经由三中心的过渡态，与环丙基类似，两个碳原子的P轨道与迁移基的P轨道重叠，形成三个分子轨道，其中一个为能级较低的成键轨道，而另外两个为能级较高的简并反键轨道。对于碳正离子重排，涉及两个电子，全部填充在成键轨道上，重排容易发生，非常常见。而对于碳负离子重排，涉及四个电子，其中两个填充在成键轨道上，而另外两个必须填充到简并的反键轨道上，能量很高，重排不容易发生。实际上，涉及碳负离子的1,2-重排极为罕见。而对于自由基l,2-重排，将涉及三个电子，除填充在成键轨道上的两个电子外，将有一个电子填充在反键轨道上，不利于转移。虽然能量上不如碳正离子重排有利，但比碳负离子要有利些。当存在有利的条件，如空间因素或重排后能够使单电子更好地离域时，则重排有可能发生。另外，高温有利于重排的发生，而低温或有其他竞争反应时则不利于重排的发生。,此外，伯自由基与仲自由基以及仲自由基与叔自由基之间的能量差别远比相应的碳正离子之间的差别小，因而自由基重排的驱动力比较小。能够发生1,2-迁移