简明物理有机化学教程(7)

1、第7章 反应中间体: 自由基和卡宾作者：王剑波（北京大学化学学院作者：王剑波（北京大学化学学院 ）版权所有：北京大学出版社版权所有：北京大学出版社出版时间：出版时间：20132013年年1010月月本本 章章 内内 容容 (1) 7.1 自由基自由基的一般性质的一般性质7.2 自由基自由基的结构及稳定性的结构及稳定性 由于a-效应而稳定化的自由基; 自由基反应的 Hammett线性自由能相关7.3 自由基自由基的形成的形成7.4 自由基自由基的检测的检测7.5 电子自旋共振电子自旋共振7.6 化学化学诱导的动态核极化诱导的动态核极化作用作用7.7 笼效应笼效应 化学诱导动态核极化在笼效应研究中

2、的应用7.8 以以自由基反应为基础的有机合成自由基反应为基础的有机合成本本 章章 内内 容容 (2) 7.9 卡宾卡宾的结构的结构7.10 单线态单线态卡宾与三线态卡宾化学反应性的主要区别卡宾与三线态卡宾化学反应性的主要区别 卡宾反应的立体化学7.11 卡宾卡宾的产生的产生7.12 稳定稳定的自由卡宾的自由卡宾7.13 卡宾卡宾络合物络合物: : 类卡宾或金属类卡宾或金属卡宾卡宾 金属卡宾简介7.14 自由基自由基和卡宾的和卡宾的1 1，2 2- -迁移反应迁移反应1900年年，Gomberg报道制备报道制备了三苯甲了三苯甲基，一个稳定的自由基。这项研究曾基，一个稳定的自由基。这项研究曾受到许

3、多怀疑，甚至被彻底否定。很受到许多怀疑，甚至被彻底否定。很多年来大多数化学家多年来大多数化学家认为认为Gomberg的的化合物是二聚体，即六苯化合物是二聚体，即六苯乙烷。乙烷。实际实际上，上，Gomberg最初就是企图利用下面最初就是企图利用下面一个一个常规偶合反应常规偶合反应合成六苯乙烷。合成六苯乙烷。 自由基的历史自由基的历史(1866-1947)最初最初得到的白色固体产物不是六苯乙烷，因为碳和氢的元得到的白色固体产物不是六苯乙烷，因为碳和氢的元素分析给出的结果明显偏低。在无氧条件下重复上述实验素分析给出的结果明显偏低。在无氧条件下重复上述实验则可以避免白色固体的生成，而得到黄色溶液，它暴

4、露在则可以避免白色固体的生成，而得到黄色溶液，它暴露在空气中又可转化生成最初产物，空气中又可转化生成最初产物，Gomberg假设他制备的黄假设他制备的黄色溶液是三苯甲基自由基。色溶液是三苯甲基自由基。 为为证明黄色分子是证明黄色分子是Ph3C而不是二聚体，而不是二聚体，Gomberg冰点降冰点降低分子量测定，低分子量测定，但是所得但是所得到的结果表明，分子量更接近于到的结果表明，分子量更接近于二聚体，而不是单体。二聚体，而不是单体。然后，然后，Gomberg假定了单体和二聚假定了单体和二聚体之间的平衡。体之间的平衡。 平衡假设平衡假设能够说明以上的所有实验事实。而且，以下的实能够说明以上的所有

5、实验事实。而且，以下的实验事实也进一步验事实也进一步验证了平衡假设验证了平衡假设：自由基所呈现的黄色随：自由基所呈现的黄色随着温度升高而加深，表示分解增加；黄色不服从着温度升高而加深，表示分解增加；黄色不服从Beer定律，定律，也就是说，颜色深度与冲稀不是成比例地减小。此外，还也就是说，颜色深度与冲稀不是成比例地减小。此外，还发现，如果发现，如果把少量氧通入把少量氧通入黄色溶液黄色溶液中，颜色迅速消失但不中，颜色迅速消失但不久颜色又会重现。久颜色又会重现。Gomberg所假设的平衡是正确的，但是二聚体的结构不是六所假设的平衡是正确的，但是二聚体的结构不是六苯乙烷。二聚体的真实结构是在近苯乙烷。

6、二聚体的真实结构是在近70年以后才被年以后才被NMR所证所证实为下图所示的实为下图所示的结构：结构：1929年，人们年，人们应用铅镜研究了甲基自由基。甲基自由基被应用铅镜研究了甲基自由基。甲基自由基被产生以后由惰性气体的气流带入一个内壁为铅镜的管道，产生以后由惰性气体的气流带入一个内壁为铅镜的管道，通过测量铅镜被甲基通过测量铅镜被甲基“攻击攻击”的距离以及气流的的距离以及气流的速度，可速度，可以以得到甲基自由基的寿命。发现其半衰期是得到甲基自由基的寿命。发现其半衰期是8103秒。秒。 自由基现在被定义为有一个未成对电子的自由基现在被定义为有一个未成对电子的分子或原子分子或原子。绝大。绝大多数的

7、分子是由全部成对的偶数电子组成的多数的分子是由全部成对的偶数电子组成的；有；有奇数个电子奇数个电子的分子，如的分子，如NO, Ph3C必然为自由基。有些分子，如氧分子必然为自由基。有些分子，如氧分子，虽有虽有偶数电子，但根据分子轨道理论，它应当是双自由基偶数电子，但根据分子轨道理论，它应当是双自由基，具有较为稳定的三线态结构。氧气具有较为稳定的三线态结构。氧气的确表现出自由基的的确表现出自由基的化学化学性质：性质：7 7.1 .1 自由基自由基的一般性质的一般性质均裂反应的基本特征是自由基中间体的均裂反应的基本特征是自由基中间体的存在：存在：AB AB形成形成的自由基可以发生各种反应，例如：的

8、自由基可以发生各种反应，例如：取代、加取代、加成成重排、重排、消除消除以及开裂以及开裂等。等。与异裂形成的碳正离子或者碳负离子的与异裂形成的碳正离子或者碳负离子的反应不同的反应不同的是，自由基反应是，自由基反应很少产生稳定的中间体。新生很少产生稳定的中间体。新生成的自由基同样是活泼的中间体，将进一步发生类似的反成的自由基同样是活泼的中间体，将进一步发生类似的反应，所以自由基反应很多是链式反应。应，所以自由基反应很多是链式反应。自由基的基本反应类型自由基的基本反应类型自由基的特征反应是所谓的链式反应。自由基的链式反应经自由基的特征反应是所谓的链式反应。自由基的链式反应经历历引发、增长引发、增长和

9、链终止三个阶段和链终止三个阶段。例如，以下为饱和例如，以下为饱和烷烃的溴化烷烃的溴化反应：反应： 自由基自由基中间体和一个电子成对的底物中间体和一个电子成对的底物分子反应，必然分子反应，必然要要生成一个新的自由基，一系列的反应只有当两个自由基相生成一个新的自由基，一系列的反应只有当两个自由基相遇，才会结束。大多数自由基高度活泼遇，才会结束。大多数自由基高度活泼，自由基，自由基与自由基与自由基结合反应结合反应的活化能很低的活化能很低，因此，反应速率，因此，反应速率一般是扩散控制一般是扩散控制的。大多数自由基在溶液中的浓度很低，的。大多数自由基在溶液中的浓度很低，所以，自由基所以，自由基之之间碰撞

10、的机会将远小于自由基和底物分子碰撞的机会。间碰撞的机会将远小于自由基和底物分子碰撞的机会。自由基自由基结构中的一个重要问题结构中的一个重要问题是，未是，未成对电子是在成对电子是在p轨道上轨道上还是还是sp3轨道轨道上，上，或者或者说自由基碳是说自由基碳是sp2杂化还是杂化还是sp3杂化。杂化。 通过研究通过研究CH3的的ESR谱，分析未成对电子和谱，分析未成对电子和13C核的作用，结核的作用，结果发现果发现CH3基本上是平面的。而在下面的系列中轨道的基本上是平面的。而在下面的系列中轨道的s成分是成分是逐步增加的。逐步增加的。CH3 CFH2 CF2H CF3 s成分成分增加增加CF3基本上是基

11、本上是sp3杂化；杂化；CH2OH和和CMe2OH也是也是“弯曲弯曲”的。的。 7.27.2 自由基自由基的结构及稳定性的结构及稳定性虽然碳自由基倾向于采用平面结构，但有空间上的限制虽然碳自由基倾向于采用平面结构，但有空间上的限制时也可以采取时也可以采取sp3杂化的锥形结构。一个直接的实验事实杂化的锥形结构。一个直接的实验事实是，自由基是，自由基可以在刚性结构的桥头产生，而相应的碳正可以在刚性结构的桥头产生，而相应的碳正离子则是离子则是非常困难非常困难。自由基的稳定性受电子效应和空间效应的综合影响。自由基自由基的稳定性受电子效应和空间效应的综合影响。自由基与碳正离子或者碳负离子不同的另一个方面

12、与碳正离子或者碳负离子不同的另一个方面是，自由基是，自由基中心中心无论是吸电子取代基无论是吸电子取代基还是给电子取代基，均还是给电子取代基，均可以使之稳定可以使之稳定。稳定性：稳定性：CH3 CH2 R CHR2 CR3 自由基的稳定性自由基的稳定性 这这一方面是由于一方面是由于超共轭效应，另一方面也是由于中心碳从超共轭效应，另一方面也是由于中心碳从sp3sp2的变化过程中立体张力的减小（当的变化过程中立体张力的减小（当R较大时）。较大时）。但是，但是，这种这种稳定化程度的差别稳定化程度的差别和碳正离子和碳正离子的情况的情况相比要相比要小得多小得多。电子离域作用可以使得自由基的稳定性提高。电子

13、离域作用可以使得自由基的稳定性提高。 三苯甲基自由基的苯环如果均在三苯甲基自由基的苯环如果均在同一平面，则有最大程度的稳定化，同一平面，则有最大程度的稳定化，但实际上但实际上X射线表明，苯环射线表明，苯环和共同和共同的平面之间有大约的平面之间有大约30的角度。的角度。 由于由于a a-氢氢的立体作用，如果的立体作用，如果a a位上位上被体积大于氢的被体积大于氢的基团取代基团取代，则发现，则发现苯环的二面角扩大到苯环的二面角扩大到50或者更多，或者更多，离域作用将会进一步减小，但是自离域作用将会进一步减小，但是自由基的稳定性反而进一步增加。这由基的稳定性反而进一步增加。这是是由于邻位取代基由于邻

14、位取代基和和自由基较自由基较近，近，具有屏蔽具有屏蔽作用，作用，阻止自由基形成二阻止自由基形成二聚体。聚体。 当当自由基的自由基的a a位有位有O, N, S等杂原子存在时，自由基具有特别等杂原子存在时，自由基具有特别的稳定性。这是由于自由基电子的占有轨道的稳定性。这是由于自由基电子的占有轨道SOMO和杂原子和杂原子上孤对电子的占有轨道上孤对电子的占有轨道HOMO之间的相互作用。之间的相互作用。 由于由于a a- -效应而稳定化的自由基效应而稳定化的自由基 有些稳定的自由基可以作为化学试剂用于各种研究有些稳定的自由基可以作为化学试剂用于各种研究工作，工作，比如比如一个较为重要的自由基一个较为重

15、要的自由基是是DPPH。这个自由基具有足够这个自由基具有足够的稳定性，可以被重结晶。它和中性分子的反应活性较小，的稳定性，可以被重结晶。它和中性分子的反应活性较小，但较容易和但较容易和其他自由基反应其他自由基反应，因此，该因此，该自由基被自由基被用作用作自由基自由基的捕获的捕获剂（剂（trapping reagent）。另外，另外，TEMPO也是一个十也是一个十分重要的分重要的自由基捕获剂自由基捕获剂。 自由基取代基自由基取代基常数常数自由基反应用自由基反应用Hammett线性自由能相关进行研究时，发现通线性自由能相关进行研究时，发现通常没有很好的线性相关性。常没有很好的线性相关性。但是，也但

16、是，也有一些例外的情况。有一些例外的情况。例如，表例如，表中给中给出出了烷了烷氧自由基、氧自由基、溴自由基等溴自由基等的攫的攫氢氢反应的反应常反应的反应常数，这些反应的数，这些反应的相对速率与相对速率与s s具 有 较 好 的具 有 较 好 的Hammett线性相线性相关关。若干自由基攫氢反应的若干自由基攫氢反应的Hammett相关常数相关常数反应常数的负值说明反应中心产生了部分的正电荷，进而反应常数的负值说明反应中心产生了部分的正电荷，进而可以推断大多数这些反应中自由基的可以推断大多数这些反应中自由基的SOMO与与CH键的键的HOMO相互作用，即自由基是亲电性的。相互作用，即自由基是亲电性的

17、。 类似于极性反应的类似于极性反应的s s常数，人们应用一些自由基反应作为标常数，人们应用一些自由基反应作为标准建立了自由基取代基常数。准建立了自由基取代基常数。例如，例如，Packer等应用以下的反等应用以下的反应建立了应建立了s s 常数。常数。注意，所有注意，所有的的s s 常数都是正值，说明所有常数都是正值，说明所有的取代基都比氢能更好地稳定自由基。的取代基都比氢能更好地稳定自由基。 中科院上海有机化学研究所的蒋锡夔和计国桢应用以下的反应中科院上海有机化学研究所的蒋锡夔和计国桢应用以下的反应建立了建立了s sJJ 常数。常数。s sJJ 常数进一步通过减少极性效应的干扰，从常数进一步通

18、过减少极性效应的干扰，从而优化了自由基取代基常数而优化了自由基取代基常数。 自由基取代基自由基取代基s s 常数和常数和s sJJJJ 常数常数s s 常数常数s sJJ 常数常数H, m-F, m-OMep-Fp-Clp-Mep-Brp-Ip-OMep-Php-CNp-NMe2p-NO200.120.180.390.260.310.420.420.710.610.760-0.02+0.22+0.15+0.23-+0.23+0.47+0.42+1.00+0.367.37.3 自由基自由基的形成的形成 1) 光解光解 (photolysis)光分解的优点：光分解的优点： 1) 可以可以切断在一般

19、温度下难以切断的键切断在一般温度下难以切断的键; 2) 只有一定的能级的能量被分子吸收，因此反应更具只有一定的能级的能量被分子吸收，因此反应更具有选择性。有选择性。 激光闪光光解激光闪光光解（laser flash photolysis, LFP）是研究自是研究自由基反应动力学的有力手段。它用极强的辐射脉冲在很短由基反应动力学的有力手段。它用极强的辐射脉冲在很短的时间内产生很高浓度的自由基，然后用光谱来跟踪中间的时间内产生很高浓度的自由基，然后用光谱来跟踪中间体的变化体的变化 。 较弱的键，比如键的均裂较弱的键，比如键的均裂能能小于小于40 kcal/mol，可以可以较为容较为容易地用热解的方

20、法。这些通常是有杂原子参与形成的化学键，易地用热解的方法。这些通常是有杂原子参与形成的化学键，例如例如OO，CN等。如果形成的自由基没有合适的取代基使等。如果形成的自由基没有合适的取代基使之之稳定，则稳定，则热解通常需要较为剧烈的条件。热解通常需要较为剧烈的条件。 2) 热解热解 (thermolysis) 这些反应均包括单电子转移，因此有许多金属离子参与此这些反应均包括单电子转移，因此有许多金属离子参与此类反应，最常见的有类反应，最常见的有Cu+/Cu2+， Fe2+/Fe3+。 这是产生这是产生ArCO2 的一个有用的方法，因为在热分解的方法中，的一个有用的方法，因为在热分解的方法中，Ar

21、CO2 会进一步分解生成芳基自由基会进一步分解生成芳基自由基Ar。 3) 氧化还原反应：单电子转移反应氧化还原反应：单电子转移反应 （redox reactions; electron-transfer reactions）苯甲醛的氧化苯甲醛的氧化 阳极氧化阳极氧化 （Kolbe反应；用电化学方法合成碳氢化合物）反应；用电化学方法合成碳氢化合物） 有些自由基带有颜色，因为将自由基的一个孤电子激发到有些自由基带有颜色，因为将自由基的一个孤电子激发到较高的能级比将已成对的一个电子激发所需能量要较高的能级比将已成对的一个电子激发所需能量要低，故低，故自自由基吸收较长波长的光。应用自由基具有很强的颜色

22、这种性由基吸收较长波长的光。应用自由基具有很强的颜色这种性质质可以容易可以容易地检测自由基。自由基和自由基反应以后的产物地检测自由基。自由基和自由基反应以后的产物常常为无色，常常为无色，因此，一些因此，一些反应可以用比色分析法来跟踪反应可以用比色分析法来跟踪。7.7.4 4 自由基自由基检测检测例如，应用前面提到的自由基捕获剂例如，应用前面提到的自由基捕获剂DPPH自由基，它与一自由基，它与一般分子的反应比较慢，但是它与自由基可以迅速地发生反应，般分子的反应比较慢，但是它与自由基可以迅速地发生反应，颜色退去。颜色退去。 又例如又例如，实验室里用金属钠处理乙醚或四氢呋喃时，我们应，实验室里用金属

23、钠处理乙醚或四氢呋喃时，我们应用二苯甲酮作为指示剂来检测是否达到无水无氧状态。这里用二苯甲酮作为指示剂来检测是否达到无水无氧状态。这里就是应用了二苯甲酮的自由基负离子强烈的蓝色。这个自由就是应用了二苯甲酮的自由基负离子强烈的蓝色。这个自由基负离子和水或氧会迅速基负离子和水或氧会迅速反应，生成反应，生成无色的产物。无色的产物。 自由基也可以应用高分子的聚合反应来检测。自由基也可以应用高分子的聚合反应来检测。将苯乙烯将苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯1：1混合。这个混合物如果是由自由基混合。这个混合物如果是由自由基引发聚合，则生成引发聚合，则生成1:1的共聚物；如果是正离子引发的聚的共聚物；

24、如果是正离子引发的聚合，则生成聚苯乙烯；合，则生成聚苯乙烯；而如果是负离子而如果是负离子引发的引发的聚合，则生聚合，则生成聚甲基丙烯酸甲酯。成聚甲基丙烯酸甲酯。 这里这里，自由基反应的选择性可以用前自由基反应的选择性可以用前线线分子轨道理论进行分子轨道理论进行解释。解释。自由基自由基A的的SOMO能级和甲基丙烯酸甲酯的能级和甲基丙烯酸甲酯的LUMO能能级比较接近，因此级比较接近，因此A和甲基丙烯酸甲酯优先发生反应，生成和甲基丙烯酸甲酯优先发生反应，生成自由基自由基B；而；而B的自由基在吸电子基团的自由基在吸电子基团CO2Me的邻位，所以的邻位，所以具有较低的具有较低的SOMO轨道。它的轨道。它

25、的SOMO和苯乙烯的和苯乙烯的HOMO能能级接近，因此两者优先发生反应。级接近，因此两者优先发生反应。 应用应用自由基的一些特征性重排或者关环自由基的一些特征性重排或者关环反应，也反应，也可以间接可以间接地检测自由基中间体的存在。比如环丙烷基甲基自由基的快地检测自由基中间体的存在。比如环丙烷基甲基自由基的快速开环重排反应常被用来作为自由基探针，这样的实验可以速开环重排反应常被用来作为自由基探针，这样的实验可以提供自由基存在的间接证据。提供自由基存在的间接证据。例如，例如，Jacobson不对称环氧化反应被认为经历了自由基过程，不对称环氧化反应被认为经历了自由基过程，然而这些自由基中间体的直接观

26、测十分困难，也不可能捕捉。然而这些自由基中间体的直接观测十分困难，也不可能捕捉。为了证明自由基中间体的存在，在双键的邻位引入了环丙烷为了证明自由基中间体的存在，在双键的邻位引入了环丙烷基，通过自由基的特征性开环重排反应，可间接判断是否有基，通过自由基的特征性开环重排反应，可间接判断是否有自由基中间体产生。自由基中间体产生。结果发现，在环氧化的过程中三元环发生了开环，从而为自结果发现，在环氧化的过程中三元环发生了开环，从而为自由基中间体的存在提供了支持性的证据。由基中间体的存在提供了支持性的证据。 近年来，许多近年来，许多自由基重排反应的速率常数自由基重排反应的速率常数被测量被测量，这些数据，这

27、些数据为机理研究以及自由基反应的合成应用研究奠定了基础。为机理研究以及自由基反应的合成应用研究奠定了基础。以下以下是是一些代表性的自由基重排反应的一些代表性的自由基重排反应的速率常数：速率常数： 研究自由基最为有效的物理方法是电子自旋共振（研究自由基最为有效的物理方法是电子自旋共振（ESR），），或 称 为 电 子 顺 磁 共 振 （或 称 为 电 子 顺 磁 共 振 （ E P R ） 。 自 由 基 是 顺 磁 性 的） 。 自 由 基 是 顺 磁 性 的(paramagnetic)，而只含有成对电子的物质则是反磁性的，而只含有成对电子的物质则是反磁性的(diamagnetic)。类似于核

28、磁共振，电子自旋可以取。类似于核磁共振，电子自旋可以取1/2 和和 1/2，在外加的磁场下即代表两个不同的能级，电子在这两，在外加的磁场下即代表两个不同的能级，电子在这两个能级之间的跃迁给出一个有特征的、可以检测到的个能级之间的跃迁给出一个有特征的、可以检测到的ESR吸吸收光谱，类似于收光谱，类似于NMR谱。谱。7.5 7.5 电子自旋共振电子自旋共振 电子自旋共振吸收电子自旋共振吸收E = hn n = g H，g是磁旋比是磁旋比（相当于核（相当于核磁共振中的化学位移），磁共振中的化学位移）， 是玻尔磁子是玻尔磁子（恒量），（恒量），H是外加场是外加场强强。典型的典型的ESR实验，应用磁场的

29、强度为数千高斯，共振吸实验，应用磁场的强度为数千高斯，共振吸收在收在9000兆赫处发生，即在微波区。而典型的兆赫处发生，即在微波区。而典型的NMR实验，是实验，是使用大约使用大约94 000高斯的强磁场，但是用高斯的强磁场，但是用400兆赫的较低能量的兆赫的较低能量的辐射频率。辐射频率。 在在ESR谱图中，未成对电子和邻位的核，特别是谱图中，未成对电子和邻位的核，特别是H作用形作用形成复杂裂分的吸收成复杂裂分的吸收峰。分析峰。分析这些吸收这些吸收峰，可以峰，可以提供有关自由提供有关自由基形状和结构的详细情况基形状和结构的详细情况。 例如：例如： 环庚三烯自由基的环庚三烯自由基的ESR谱图是谱图

30、是8条相同的线，说明自由基和条相同的线，说明自由基和7个氢核同等地作用，即自由基是完全离域的，自由基电子均个氢核同等地作用，即自由基是完全离域的，自由基电子均衡地分布在衡地分布在7个碳上。个碳上。 成对电子的自旋相互抵消，因此将不会有成对电子的自旋相互抵消，因此将不会有ESR吸收信号。只吸收信号。只有含有未成对电子的分子才有有含有未成对电子的分子才有ESR信号，而电子完全成对的信号，而电子完全成对的分子在分子在ESR谱中将没有吸收峰，即是透明的谱中将没有吸收峰，即是透明的。ESR吸收的位置可用磁旋比或者吸收的位置可用磁旋比或者g值来量度。对一个理想的值来量度。对一个理想的自由电子，自由电子，g

31、 = 2.0023，但对大多数有机自由基，但对大多数有机自由基，g值在值在2.0022.006 之间。之间。g值可以提供一些关于未成对电子环境的值可以提供一些关于未成对电子环境的信息，但测得的信息，但测得的g值范围很窄，使这种信息的用途大大地小值范围很窄，使这种信息的用途大大地小于于NMR的化学位移。的化学位移。ESR的吸收峰的分裂完全和的吸收峰的分裂完全和NMR中一样有用。中一样有用。ESR吸收的精吸收的精细裂分是由于电子磁矩与其他相邻磁矩，通常是氢核的磁矩，细裂分是由于电子磁矩与其他相邻磁矩，通常是氢核的磁矩，相互作用（耦合）引起的。相互作用（耦合）引起的。NMR谱中的谱中的n+1规则对规

32、则对ESR谱同谱同样适用，即与样适用，即与n个等同质子耦合产生（个等同质子耦合产生（n1）条线的分裂图。）条线的分裂图。甲基甲基自由基的自由基的ESR强度强度比为比为1 3 3 1的的4重峰。重峰。 注意，自由基和注意，自由基和 位氢位氢的耦合常数要大于和的耦合常数要大于和a a位氢的耦合常数。位氢的耦合常数。(a) (a) 环戊二烯基自由基的环戊二烯基自由基的ESRESR谱图；谱图；(b) (b) 苯基自由基负离子的苯基自由基负离子的ESRESR谱图；谱图；(c) (c) 环庚三烯基自由基的环庚三烯基自由基的ESRESR谱图；谱图；(d) (d) 环辛四烯基自由基的环辛四烯基自由基的ESRE

33、SR谱图。谱图。三苯基甲基自由基的三苯基甲基自由基的ESRESR谱图谱图 ESR中最为重要中最为重要的耦合的耦合是未成对电子与是未成对电子与a a-H和和 -H的的耦合耦合，以，以a aH表示超精细裂分常数。表示超精细裂分常数。通常自由基电子同通常自由基电子同比比 -H更远的更远的质子耦合质子耦合的程度很小，不会导致裂分。除的程度很小，不会导致裂分。除氢原子核外，核自旋不为零的元素也将分裂氢原子核外，核自旋不为零的元素也将分裂ESR吸收，吸收，比如比如D, 13C, 14N等。等。例如，以上例如，以上异丁氰基自由基被异丁氰基自由基被6个等个等同的同的-氢氢裂分为裂分为7条线（条线（a aH =

34、 = 20 G），而每条线又进），而每条线又进一步被一步被14N核裂分为等同的三条线。核裂分为等同的三条线。 异丁腈自由基的异丁腈自由基的ESR谱图谱图乙基自由基的乙基自由基的ESR谱表明，谱表明，a aHa a22.4 G (高斯高斯, Gauss)，而，而a aH = 26.9 G。这里需要注意的是，自由基和。这里需要注意的是，自由基和 -氢的耦合比和氢的耦合比和a a-氢氢的耦合还大。这实际上是自由基的耦合还大。这实际上是自由基ESR谱的一般现象（谱的一般现象（ -质子的质子的耦合常数一般为耦合常数一般为2530 G）。这似乎有点不容易理解，因为定）。这似乎有点不容易理解，因为定域的电子

35、显然不可能向域的电子显然不可能向 位离域。但是位离域。但是 -质子和质子和 -碳形成的碳形成的s键键可以不在自由基所占据轨道的节面上，因而导致可以不在自由基所占据轨道的节面上，因而导致CH键的键的s轨轨道和自由基的道和自由基的p或者或者sp3轨道处于平行时有轨道之间较强的相互轨道处于平行时有轨道之间较强的相互作用。要注意的是，很小的电子离域作用可以引起相当大的耦作用。要注意的是，很小的电子离域作用可以引起相当大的耦合。这种电子的离域作用也就是超共轭效应合。这种电子的离域作用也就是超共轭效应(hyperconjugation)，它对自由基的稳定性起到很重要的作用。它对自由基的稳定性起到很重要的作

36、用。 这种超共轭效应的强弱显然与这种超共轭效应的强弱显然与CH s s键轨道和自由基占有键轨道和自由基占有轨道（轨道（p或者或者sp3轨道）之间的二面角有关。轨道）之间的二面角有关。因此，因此，ESR谱中自谱中自由基和由基和 - -质子的耦合质子的耦合常数的大小取决于这个二面角，常数的大小取决于这个二面角，即耦合即耦合常数与分子的构象有关。常数与分子的构象有关。 耦合耦合常数和常数和a a之间的关系之间的关系: : a aH A Ccos2a a其中，其中，A和和C为常数，其为常数，其值分别在值分别在0 5 G和和40 45 G。当中间。当中间的的CC键可以自由旋转时键可以自由旋转时，cos2

37、a a = 1/2，即平均数，所以从这，即平均数，所以从这个关系可以得到有关自由基个关系可以得到有关自由基构象的构象的信息信息。ESR也可以用来研究双自由基分子，在磁场中，三线态双也可以用来研究双自由基分子，在磁场中，三线态双自由基将会有三个电子自旋能级，这些能级之间的跃迁将自由基将会有三个电子自旋能级，这些能级之间的跃迁将可以从可以从ESR谱图上观测到。谱图上观测到。 自由基和自由基和13C核核的耦合的耦合常数给出有关自由基结构更为有常数给出有关自由基结构更为有用的信息，理论上用的信息，理论上认为，这个认为，这个参数和参数和C的杂化状态密切相的杂化状态密切相关，因为增加关，因为增加s成分使得

38、未成对电子离核更近，更加成分使得未成对电子离核更近，更加有利有利于耦合。于耦合。 很多电子自旋共振的工作是从芳香环上加入或者移去一个很多电子自旋共振的工作是从芳香环上加入或者移去一个电子而产生的自由基离子得到的。通过对许多体系的分子轨电子而产生的自由基离子得到的。通过对许多体系的分子轨道计算，道计算，McConnell 归纳出耦归纳出耦合常数和自由基电子密度之间合常数和自由基电子密度之间的关系式的关系式: : a aHQr r(a aH：为自由基电子和芳香环上的质子之为自由基电子和芳香环上的质子之间的耦合常数；间的耦合常数；r r: 为为未成对电子的电子密度未成对电子的电子密度; Q = =2

39、3 G )Harden M. McConnell一些一些自由基的电子自由基的电子密度密度自由基：自由基：在在自由基中的电子将会在整个分子中离域，自由基中的电子将会在整个分子中离域，因此，因此，体系的每个碳原子上都将会有部分的电子密度体系的每个碳原子上都将会有部分的电子密度。这是这是与与 NMR大大不相同的。尽管不相同的。尽管和和 NMR一样一样，耦合，耦合本身本身只能延伸较短的短离，但是电子可以在整个分子内自由运只能延伸较短的短离，但是电子可以在整个分子内自由运动，而核却不能。如果每一个核均是等价的，那么动，而核却不能。如果每一个核均是等价的，那么ESR谱谱将会是比较简单的，否则谱线将会是较复

40、杂的。将会是比较简单的，否则谱线将会是较复杂的。 大多数非共轭的自由基其耦合常数为大多数非共轭的自由基其耦合常数为2223G，这样可这样可以得到电子密度以得到电子密度r r 1，说明自由基是定域的，并且具有说明自由基是定域的，并且具有平面结构，因为上式是从芳香平面结构，因为上式是从芳香 自由基离子得到的结论。自由基离子得到的结论。从表中也可以看到一些离域的自由基的电子密度分布。从表中也可以看到一些离域的自由基的电子密度分布。 使使自由基寿命延长的一种技术自由基寿命延长的一种技术是，使是，使活泼的自由基和一个活泼的自由基和一个反磁性的化合物反应，生成一个较为稳定的自由基，通过研反磁性的化合物反应

41、，生成一个较为稳定的自由基，通过研究新的稳定的自由基来了解原自由基的情况。这种技术称为究新的稳定的自由基来了解原自由基的情况。这种技术称为自旋捕捉自旋捕捉（spin trapping）。另一种方法是在一个固相惰性。另一种方法是在一个固相惰性的基质的基质（matrix）中产生自由基，比如冷冻的）中产生自由基，比如冷冻的Ar，这样自由，这样自由基由于无法相互接触其寿命被人为地延长。基由于无法相互接触其寿命被人为地延长。 ESR的特殊价值在于它的选择性和灵敏度，因为它只检出未的特殊价值在于它的选择性和灵敏度，因为它只检出未配对电子。配对电子。ESR极为灵敏，可以检出自由基的浓度低于极为灵敏，可以检出

42、自由基的浓度低于109 mol/L，但是一般来说，自由基的浓度需要大于，但是一般来说，自由基的浓度需要大于5x10-7 mol/L。稳定的自由基可以较容易地被观测到，比如稳定的自由基可以较容易地被观测到，比如Ph3C，而，而Ph，PhCH2，C2H5则有点困难。大多数自由基是非常活泼的中则有点困难。大多数自由基是非常活泼的中间体，在溶液中的浓度很低，通常必须在间体，在溶液中的浓度很低，通常必须在ESR检测池的外面检测池的外面产生自由基，再用稳定的流体导入测试池使之保持稳定的浓产生自由基，再用稳定的流体导入测试池使之保持稳定的浓度，这种方法的缺点是需用大量的溶剂和起始原料。度，这种方法的缺点是需

43、用大量的溶剂和起始原料。CIDNP是建立在对含有自由基中间体的反应产物进行是建立在对含有自由基中间体的反应产物进行NMR谱分析的基础上的。它应用电子和核之间的谱分析的基础上的。它应用电子和核之间的自旋耦合用自旋耦合用核磁核磁共振来检测自由基。这种方法适合于研究自由基和动态过程，共振来检测自由基。这种方法适合于研究自由基和动态过程，特别是自由基再结合以后的过程。特别是自由基再结合以后的过程。目前，这种目前，这种新的技术对于新的技术对于检出反应机理中的自由基中间体已有越来越多的应用检出反应机理中的自由基中间体已有越来越多的应用。7.6 7.6 化学诱导的动态核极化作用化学诱导的动态核极化作用 (c

44、hemically induced dynamic nuclear polarization, CIDNP)CIDNP效应是非常独特的：经由自由基中间体形成的产物的效应是非常独特的：经由自由基中间体形成的产物的NMR谱，在其产生后的较短时间内显示出谱，在其产生后的较短时间内显示出NMR发射（相反的发射（相反的吸收峰）或增大的吸收（通常是强的吸收峰）。结果是，核磁吸收峰）或增大的吸收（通常是强的吸收峰）。结果是，核磁共振谱上会出现异常的增大吸收，或者有时是负的吸收，这种共振谱上会出现异常的增大吸收，或者有时是负的吸收，这种现象与笼中的自由基对有关（见下文）。现象与笼中的自由基对有关（见下文）。

45、CIDNP现象是由未成对电子对核自旋取向的影响而引起现象是由未成对电子对核自旋取向的影响而引起的，一般的，一般的的 NMR 吸收吸收是以核自旋的是以核自旋的Boltzmann分布为基础分布为基础的，稍多的质子具有顺外加磁场的自旋，的，稍多的质子具有顺外加磁场的自旋，NMR 吸收强度吸收强度取取决于较高能级和较低能级间的不同占据程度。但是，在自决于较高能级和较低能级间的不同占据程度。但是，在自由基中，未成对电子的自旋可与质子的自旋相互作用。这由基中，未成对电子的自旋可与质子的自旋相互作用。这可以使质子自旋极化：不是分布于低能自旋态的质子过剩，可以使质子自旋极化：不是分布于低能自旋态的质子过剩，就

46、是分布于高能态的质子过剩。尽管自由基形成一个抗磁就是分布于高能态的质子过剩。尽管自由基形成一个抗磁性产物，但质子自旋极化仍可以维持数分钟之性产物，但质子自旋极化仍可以维持数分钟之久，质子久，质子自自旋极化成旋极化成非非Boltzmann分布的分子，其分布的分子，其NMR谱将显示出一谱将显示出一些异常的强度特征。如果低能态的质子数比一般的多，些异常的强度特征。如果低能态的质子数比一般的多，那那么吸收么吸收就比一般吸收就比一般吸收强；如果强；如果高能态的高能态的质子质子过过剩，则剩，则会产会产生负吸收（降到低能生负吸收（降到低能态，并态，并放出相同频率的辐射）。放出相同频率的辐射）。 例如，二例如

47、，二苯甲酰基过氧化苯甲酰基过氧化合物在环己酮中的分解反应。合物在环己酮中的分解反应。发射信号（发射信号（t = 4 min时的负时的负吸收峰）对应于产物苯，这吸收峰）对应于产物苯，这说明苯的形成经历了自由基说明苯的形成经历了自由基中间体。中间体。 过氧化二苯甲酰的热分解过程中的核过氧化二苯甲酰的热分解过程中的核磁共振谱。高场的单峰信号是苯，而磁共振谱。高场的单峰信号是苯，而其他的信号是过氧化二苯甲酰。其他的信号是过氧化二苯甲酰。 溶液溶液中最初产生的一对自由基将在周围所形成的溶剂的中最初产生的一对自由基将在周围所形成的溶剂的笼子中停留，对于正常的液体，一个分子在分子笼中停留的笼子中停留，对于正

48、常的液体，一个分子在分子笼中停留的时间可能长达时间可能长达10-10秒。因为自由基再结合和歧化的速度很快，秒。因为自由基再结合和歧化的速度很快，因此，可以和自由基的扩散发生竞争，结果有一部分形成的因此，可以和自由基的扩散发生竞争，结果有一部分形成的自由基没有机会去引发溶液中的自由基没有机会去引发溶液中的其他过程。这种其他过程。这种自由基的再自由基的再结合称为偕位再结合（结合称为偕位再结合（geminate recombination）。 7 7.7.7 笼效应笼效应(cage effects)如果只有一根键断裂，偕如果只有一根键断裂，偕位再结合只是重新产生起始物，这位再结合只是重新产生起始物，

49、这种效应的结果是使反应变慢，从实验上检测这种现象的方法种效应的结果是使反应变慢，从实验上检测这种现象的方法是用不同粘度的溶剂来测量反应速率的变化。当分解包括一是用不同粘度的溶剂来测量反应速率的变化。当分解包括一个键以上时，底物消失的速度不受再结合的影响，这种情况个键以上时，底物消失的速度不受再结合的影响，这种情况可以用可以用交叉实验来研究交叉实验来研究（crossover experiments）。 例如以下的偶氮化合物的分解反应，可以用例如以下的偶氮化合物的分解反应，可以用RNNR和和R1NNR1的混合物反应。偕位再结合只生成的混合物反应。偕位再结合只生成RR和和R1R1，而逃逸出笼外的自由

50、基则生成，而逃逸出笼外的自由基则生成RR，R1R1和和RR1。 也可以用较高浓度的稳定自由基来捕捉逃到笼外的自由基，也可以用较高浓度的稳定自由基来捕捉逃到笼外的自由基，笼内反应的程度通常可以用截获逃到笼外的所有自由基的方笼内反应的程度通常可以用截获逃到笼外的所有自由基的方法来估计，并法来估计，并假定截获假定截获到的任何自由基都进行了原对到的任何自由基都进行了原对重合。重合。例如，偶氮二异丙苯在苯中于例如，偶氮二异丙苯在苯中于40 下的分解反应已证明有下的分解反应已证明有27 的笼效应。的笼效应。 一旦自由基对形成以后，自由基之间的相互作用将会产一旦自由基对形成以后，自由基之间的相互作用将会产生

51、单线态或者三线态，自由基在重新结合以后逃离生单线态或者三线态，自由基在重新结合以后逃离“笼笼”的概率的概率取决于自由基对是单线态取决于自由基对是单线态或者是或者是三线态。对于单线三线态。对于单线态，它的自旋状态使之可以直接态，它的自旋状态使之可以直接成键；而成键；而三线态则不可直三线态则不可直接成键。因为电子和核是接成键。因为电子和核是相互耦合相互耦合的，单线态和三线态之的，单线态和三线态之间的转化速率受核与电子自旋状态的影响，结果是那些核间的转化速率受核与电子自旋状态的影响，结果是那些核与电子刚好具有某种自旋状态的自由基对可能形成笼内结与电子刚好具有某种自旋状态的自由基对可能形成笼内结合的产

52、物，而具有另一种自旋状态合的产物，而具有另一种自旋状态的自由基的自由基对则从对则从“笼笼”中逃出发生反应，生成非中逃出发生反应，生成非“笼笼”中的结合中的结合产物。因此，不产物。因此，不同的同的生成物，它们占据生成物，它们占据不同自旋状态的分布将会受到不同不同自旋状态的分布将会受到不同的影响的影响，当然，当然这种扰乱很快会恢复正常。这种扰乱很快会恢复正常。但是，如果但是，如果核磁核磁共振谱是在反应过程中共振谱是在反应过程中测得的测得的，那么这种扰乱会以异常强，那么这种扰乱会以异常强度的吸收（或者发射）显示出来。度的吸收（或者发射）显示出来。化学诱导动态核极化化学诱导动态核极化(CIDNP)的应

53、用的应用 但是需要注意的是，观察到但是需要注意的是，观察到CIDNP现象并不一现象并不一定能够说明主要反应的历程一定包含了自由基中间定能够说明主要反应的历程一定包含了自由基中间体，核自旋被扰乱的占据可能会比正常的热力学分体，核自旋被扰乱的占据可能会比正常的热力学分布大得布大得多。所以，一多。所以，一个微量的副反应也有可能产生个微量的副反应也有可能产生很强的很强的CIDNP信号；相反信号；相反，一些的确有自由基中，一些的确有自由基中间体的反应也有可能观察不到间体的反应也有可能观察不到CIDNP信号。信号。 20世纪世纪80年代，有机年代，有机自由基化学的一个重要进展是自由基化学的一个重要进展是大

54、量以自由基反应为基础的新的有机合成方法学的发大量以自由基反应为基础的新的有机合成方法学的发展。这些自由基反应以前展。这些自由基反应以前未能在未能在合成中得到广泛的应合成中得到广泛的应用，原因是自由基非常用，原因是自由基非常活泼、难以活泼、难以控制，经常导致聚控制，经常导致聚合物的生成。因此，以前在设计合成反应时，人们总合物的生成。因此，以前在设计合成反应时，人们总是试图避免自由基中间体的参与。随着对于自由基反是试图避免自由基中间体的参与。随着对于自由基反应动力学的深入了解，按照人们的愿望控制有机自由应动力学的深入了解，按照人们的愿望控制有机自由基反应已成为可能，特别是基反应已成为可能，特别是C

55、C成键反应。自由基成键反应。自由基反应与相应的离子反应反应与相应的离子反应相比，具有相比，具有反应条件温和等优反应条件温和等优点，并且能够发生一些离子中间体所不具有的反应点，并且能够发生一些离子中间体所不具有的反应。7.7.8 8 以自由基反应为基础的有机合成以自由基反应为基础的有机合成如果如果设计设计合理，自由基合理，自由基可以发生连续反应可以发生连续反应（cascade or tandem reaction），一步生成具有复杂结构的产物。例如，），一步生成具有复杂结构的产物。例如，Crimmins研究组在研究组在具有螺环结构的天然产物的全合成中应具有螺环结构的天然产物的全合成中应用了自由基

56、的连续重排用了自由基的连续重排反应。反应。 卡宾定义卡宾定义为包含为包含只有只有 6 个个价电子的两价碳原子的化合物价电子的两价碳原子的化合物，其中四个电子在两个共价键中，两个为非键电子，最，其中四个电子在两个共价键中，两个为非键电子，最简单的成员简单的成员是是:CH2，甲基卡宾，甲基卡宾(methyl carbene, methylidene)，也称为甲烯也称为甲烯。 CH2:methylidene CH3CH2:ethylidene CH2=CH-CH2: propenylidene卡宾卡宾卡宾的历史卡宾的历史1862年，提出年，提出“二氯化碳二氯化碳”的假设的假设1903年年 ，Buch

57、ner提出卡宾中间体提出卡宾中间体(:CHCO2Et)1912年，年，Staudinger报道由重氮甲烷生成甲基卡宾报道由重氮甲烷生成甲基卡宾(:CH2)1951年，年，Woodward, Doering和和Winstein提出提出“carbene”1964年，年，Fischer制备出第一个金属卡宾制备出第一个金属卡宾这想的假设当然过于超前，以当时以及以后相当长时间人这想的假设当然过于超前，以当时以及以后相当长时间人们所达到的理论和技术水平，不可能对卡宾展开深入探讨。们所达到的理论和技术水平，不可能对卡宾展开深入探讨。因此，在相当长的时间里，卡宾没有引起任何关注。一直因此，在相当长的时间里，卡

58、宾没有引起任何关注。一直到到1950年，出现了年，出现了Hine和和Doering等的开创性工作以后，等的开创性工作以后，人们才开始真正人们才开始真正对对卡宾中间体有了深入的认识。卡宾中间体有了深入的认识。“二氯化碳二氯化碳”中间体早在中间体早在1862年在氯仿碱性水解中就已经被年在氯仿碱性水解中就已经被假定过。假定过。 碳原子有四个原子轨道，能够容纳碳原子有四个原子轨道，能够容纳8个价电子。因为碳烯仅用个价电子。因为碳烯仅用了两个成键分子轨道，因此，两个非键电子有两个原子轨道可了两个成键分子轨道，因此，两个非键电子有两个原子轨道可以利用，以利用，故主要有两种故主要有两种情况：情况： 7.7.

59、9 9 卡宾的结构卡宾的结构1) 两两电子占据同一轨道，则在这种情况下，它们必须具有相电子占据同一轨道，则在这种情况下，它们必须具有相反的自旋，反的自旋，称为称为单线态单线态卡宾卡宾(singlet carbene)。 2) 两两电子占据不同的轨道电子占据不同的轨道，这时自旋必须相同，这时自旋必须相同，称为称为三线态三线态卡宾卡宾（triplet carbene）。 根据根据Hund规则，三线态应具有较低的能量形式，因为它规则，三线态应具有较低的能量形式，因为它使使电子电子-电子电子间的斥力减到最小。间的斥力减到最小。 三线态卡宾的最简单描述是中心碳原子用三线态卡宾的最简单描述是中心碳原子用s

60、p杂化：杂化： 如果如果卡宾碳是卡宾碳是sp杂化，那么卡宾的结构应当是直线的。研杂化，那么卡宾的结构应当是直线的。研究表明，三线态卡宾一般是弯曲的，因为弯曲会降低被占轨究表明，三线态卡宾一般是弯曲的，因为弯曲会降低被占轨道的能量道的能量。也就是，处于。也就是，处于平面内的平面内的p轨道将会变得轨道将会变得“杂化杂化”，即混有一些即混有一些s性质，因而能量会降低，而与平面重直的性质，因而能量会降低，而与平面重直的p轨道轨道将基本不会受影响。由于三线态卡宾的两个电子分别占据两将基本不会受影响。由于三线态卡宾的两个电子分别占据两个个p轨道，所以它们应当具有双自由基的特征。大量的实验表轨道，所以它们应