华东理工 高等有机 活泼中间体

二月23华东理工大学-王朝霞课件12.6自由基§1

自由基的结构、产生和稳定性

自由基的定义

含有一个或多个未成对电子的原子、分子或原子团等物种，是由键的均裂产生的。它们是中性的，不带电荷，在HOMO上有一个未成对电子，故该轨道又称为半占轨道。烯丙基型自由基桥头碳自由基（CH3)3C·烷基自由基二月23华东理工大学-王朝霞课件2

自由基的结构sp2杂化sp3杂化平面构型

角锥构型π自由基σ自由基sp3轨道p轨道

由于自由基中心碳的周围只有7个电子，未达到八隅体，属于缺电子的活泼中间体，具亲电特性。二月23华东理工大学-王朝霞课件3

复杂的烷基自由基多为快速翻转的角锥型结构，如叔丁基自由基，转换的能量为2.51KJ/mol，孤电子处在一个sp3杂化轨道上。平面构型角锥构型甲基及其他简单的烷基自由基具有平面的或接近平面的构型快速翻转的角锥体刚性角锥体

在一些桥环化合物桥头碳自由基中，孤电子也处在一个sp3杂化轨道上，由于桥环的原因，碳的构型不能翻转，是一刚性角锥体结构。自由基结构二月23华东理工大学-王朝霞课件4一些角锥型的自由基螺旋桨

螺旋桨

平面自由基两种结构形式间的能量水平相差不大，一般认为平面型的稍稳定一些，但也有认为角锥型的更稳定些，这与取代基有关。二月23华东理工大学-王朝霞课件5

自由基的产生自由基的产生主要有三种方法：热解、光解和氧化还原。潘奈托(Peneth)铅镜实验1）热解

在加热的情况下，共价键可以发生均裂而产生自由基。热解是产生自由基的一个主要方法，易于热解的三类化合物：Pb、Hg等金属化合物、偶氮化合物与过氧化合物。二月23华东理工大学-王朝霞课件6常用的引发剂：过氧化苯甲酰(BPO)、偶氮二异丁腈(AIBN)。++过氧化苯甲酰（BPO）偶氮二异丁腈(AIBN)二月23华东理工大学-王朝霞课件72）光解600~300nm的光的能量相当于48~96Kcal/mol，当照射光的能量大约是共价键均裂的能量，就可以产生自由基。典型的例子是氯和酮的光化学分解：

二月23华东理工大学-王朝霞课件8光解法的优点：

(a)光解可以在任何温度下进行

(b)由于一定的官能团具有一定的吸收带，是特定能量的转移，所以光解比热解具有更大的专一性，即自由基产生的速率可以通过光强度的调节和吸收物种的浓度加以控制。

次氯酸酯（RO-Cl)和亚硝酸酯(RONO)也容易发生光解产生烷氧自由基。二月23华东理工大学-王朝霞课件93）单电子氧化还原法

从电子自旋成对的分子失去或者得到一个电子都可以导致产生自由基，称为单电子氧化还原法。许多过渡金属离子是常用的氧化还原剂，反应一般在室温或低于室温下即可进行，如Fe2+、Cu+、Ti2+、Co3+等是常用的引发自由基的金属离子。芬顿(Fenton)试剂此外，电解法也可以产生自由基。二月23华东理工大学-王朝霞课件10

自由基的稳定性

从烷烃的C-H键的键能（或离解能）来看，键均裂后生成自由基，所提供的能量转变为自由基的内能。因此，键能越大，断裂此键需要提供的能量越高，自由基的内能越高，稳定性越差。伯、仲、叔碳的C-H键的离解能分别为：(CH3)3C-H(CH3)2CH-HCH3CH2-HCH3-H键的离解能/kJ·mol-1389.1397.5410.0439.3稳定性：(CH3)3C·>(CH3)2CH·>CH3CH2·>CH3·，这是由它们的C-H键离解能不同而引起的。二月23华东理工大学-王朝霞课件11影响自由基稳定性的主要因素：电子效应、空间因素和溶剂效应。电子效应

因为自由基p轨道中只有一个电子，显缺电子性，所以，自由基稳定性顺序同碳正离子基本一致。给电子性取代基有助于其稳定性的加强。

含有单电子的未杂化p轨道若能与邻近的C-H键形成σ-p超共轭，或与邻近的π键形成p-π共轭，则自由基的稳定性将大大加强。

二月23华东理工大学-王朝霞课件12

共轭强度越大，自由基越稳定；σ-p超共轭的强度与C-H键数目有关，σ-p重叠的几率越大，超共轭强度越大，自由基越稳定。二月23华东理工大学-王朝霞课件13

生成碳自由基这一步，

比

稳定，因此反应按

进行，生成反马氏加成产物。常见自由基稳定性：二月23华东理工大学-王朝霞课件14

烯烃的卤代反应发生在位，是由于形成的共轭的烯丙基自由基比烯基自由基稳定。二月23华东理工大学-王朝霞课件15

许多年来，人们都认为Ph3C的二聚体为Ph3C-CPh3，而后来的UV和NMR研究发现其结构为：

这说明Ph3C的稳定性是主要来自共轭效应。

二月23华东理工大学-王朝霞课件16空间因素

自由基中心碳原子所连的基团较大时，中心碳原子由原来sp3杂化变成sp2杂化(或接近sp2杂化)。张力解除越多的，生成自由基相对越稳定。所以自由基稳定性次序叔>仲>伯。

自由基的中心碳原子周围有取代基时，由于立体的阻碍作用，显著的影响了它与其他物种的反应，使自身变成了较为稳定的自由基。二月23华东理工大学-王朝霞课件17稳定性低

稳定性高

可见，中心碳周围取代基越拥挤，反应就越难发生，因而自由基就越稳定。二月23华东理工大学-王朝霞课件18溶剂效应

溶剂效应对自由基的影响较小，因为反应通常只涉及电中性的反应物和中间体。若溶剂与自由基有配位作用，则不但可以提高自由基的稳定性，而且会改变他们的某些性质。ab溶剂：CS2，a/b=106溶剂：苯，a/b=49二月23华东理工大学-王朝霞课件19稳定的原因是增加了共振：

当自由基中心同时存在供电子基团和吸电子基团时，因共振效应增强也使自由基的稳定性得以增强。此类效应称为“推-拉效应”。二月23华东理工大学-王朝霞课件20§2

自由基的反应自由基反应的特点反应常在光或有易于产生自由基物种的催化剂引发下发生，也易被氧、醌等抑制剂所减速或抑制；一个自由基一经生成就会尽快的与它周围的分子或其他自由基反应，经历链生成、链传递、链终止三个阶段。自由基反应活化能不大，不受在离子反应中出现的反离子对或溶剂效应的影响。中性的自由基反应对羟基、氨基等活泼基团是惰性的，无需保护。芳环的自由基反应不服从一般的定位规律，选择性较差。二月23华东理工大学-王朝霞课件21

橡胶的老化、石油的裂解、油漆的干燥、脂肪的变质等都与自由基有关。生命代谢过程、细胞的凋亡、某些疾病（如癌症）的产生、机体的衰老等也与体内的自由基有很大关系。自由基反应的类型

终止反应R·+R·′→R-R′两个自由基的孤电子相互结合成共价键。偶联反应二月23华东理工大学-王朝霞课件22一个自由基夺取另一自由基的-H，同时生成烷烃和烯烃。

除非存在空间因素或其他因素，自由基反应的链终止一般以偶联为主，而歧化反应较少。歧化反应二月23华东理工大学-王朝霞课件23

重排反应

在自由基重排反应中，一个基团从一个原子上转移到同一分子的另一个原子上。自由基的稳定性比碳正离子小，它的重排不如碳正离子那么容易发生。但在条件有利时，如空间因素或重排后有利于单电子离域，则重排容易发生，高温也有利于重排反应的发生。1,2-转移1,X-转移二月23华东理工大学-王朝霞课件241,2-重排发生1,2-重排的取代基中常见的有X、Ph、C=C等基团。二月23华东理工大学-王朝霞课件251,X-重排与1,2-重排相比，1,5-重排或1,6-重排较为常见。重排重排反应二月23华东理工大学-王朝霞课件26

碎片化反应脱羰和脱羧是常见的碎片化反应。二月23华东理工大学-王朝霞课件2760%脱羰反应(CH3)2CPhCH2·1,2-重排重排产物例：二月23华东理工大学-王朝霞课件28

烷氧自由基的-裂解也容易发生，裂分朝着有利于生成最稳定自由基方向进行。二月23华东理工大学-王朝霞课件29

氧化还原反应Cu2+离子从环丁基自由基中转移出一个电子，从而被氧化为环丁基正离子，后者可能发生重排，产生新的正离子，再与醋酸反应得到相应的产物。二月23华东理工大学-王朝霞课件30

自氧化作用是指有机物与空气或氧气发生的不燃烧的氧化反应，在光和某些催化剂如油溶性的金属和氧化物、过氧化物等存在下产生的自由基很容易和氧作用生成氢过氧化物或过氧化物等。自氧化反应一些常见的自氧化产物：二月23华东理工大学-王朝霞课件31

醚类化合物如乙醚、THF、1,2-二甲氧基乙烷等，自氧化生成爆炸性极强的过氧化物，由于这些过氧化物的沸点较高，因此在处理醚类溶剂时，切忌不要蒸干，以免过氧化物浓度过高而发生意外。

氯仿自氧化能产生极毒的光气，故市售氯仿多加入少量乙醇以终止反应。

高温下润滑油易于变质，橡胶、塑料、油脂的老化和变质都与自氧化有关。常见的自氧化现象二月23华东理工大学-王朝霞课件32

异丙苯空气氧化制丙酮和苯酚在工业上已得到成功应用，在这一反应中，原料所有的原子都转化为产物，是一个典型的原子节约反应。二月23华东理工大学-王朝霞课件33

取代反应

自由基可以从分子中夺取一个原子而生成另一个自由基。哪个原子被取代取决于自由基的活性、键的离解能、温度、溶剂等反应因素。卤素自由基的活性次序：自由基活性越高，其选择性越低。二月23华东理工大学-王朝霞课件34

自由基还原脱卤

以Bu3SnH为代表的烷基锡试剂是常用的还原剂，可将卤代烷，特别是碘代烷以及溴代烷还原为相应的烃。生物碱Epibatidine二月23华东理工大学-王朝霞课件35

卤代反应

常用的卤代试剂有X2,NBS,NIS,NCS,SO2Cl2,t-BuOCl等，其中t-BuOCl的引发阶段是先生成活性较高的叔丁氧基自由基，后者再夺氢。二月23华东理工大学-王朝霞课件36

要想在较低温度下进行烯烃α-H取代的反应，要采用加入引发剂（如过氧化物）及卤化剂的方法。二月23华东理工大学-王朝霞课件37

芳香族自由基取代反应

一些芳香重氮化合物加热分解出芳基自由基，可用于联苯的制备。

芳环自由基取代与亲电取代相比，受定位基团的电子效应影响很小。取代主要发生在邻位，其次是对位。无论是供电基还是亲电基，都能加速反应。二月23华东理工大学-王朝霞课件38自由基加成亲电加成

不对称烯烃与HBr的加成是遵循马氏规则的，但在过氧化物作用下，生成的产物是反马氏规则的产物。

有过氧化物存在时，由于过氧键受热时很容易均裂产生自由基，反应历程为自由基加成反应历程。这种由于过氧化物的存在而引起烯烃加成取向的改变，称为过氧化物效应，又称卡拉施(Kharasch)效应。不对称烯烃的自由基加成

自由基加成反应二月23华东理工大学-王朝霞课件39过氧化效应的机理烷氧基自由基稳定的2o自由基链引发链传递链终止二月23华东理工大学-王朝霞课件40

卡拉施(Kharasch)效应只限于HBr，HCl不能进行自由基加成反应，这是因为H-Cl键较强，难以均裂生成氯原子；HI也不能进行自由加成反应，H-I键虽然较弱，容易断裂生成碘原子，但其活性不够，不能加到双键上。因此，HCl和HI无论有无过氧化物存在，都只能发生亲电加成反应，生成符合马氏规则的产物。

在过氧化物存在下，HBr与炔烃也是按自由基加成反应历程进行的。二月23华东理工大学-王朝霞课件41自由基加成的取向

自由基可以和碳-碳、碳-氧、碳-氮等双键发生加成反应，它们与C=C的加成是放热反应，与C=O的加成则是吸热反应。自由基上的取代基通过电子和体积效应影响它在加成反应中的亲核或亲电特性及反应速率。配体的不同使自由基具有不同的亲和性。

吸电子基团使自由基具亲电性二月23华东理工大学-王朝霞课件42

烯烃双键上取代基的体积和电子效应也有很大影响。体积效应：大体积取代基阻碍反应进行电子效应：吸电子取代基加速亲核自由基的加成；给电子取代基加速亲电自由基的加成给电子基团使自由基具亲核性二月23华东理工大学-王朝霞课件43α位的电子效应：吸电子取代基加速亲核自由基的加成α位的体积效应：大体积的取代基严重阻碍反应进行。β位的电子效应：吸电子取代基加速亲核自由基的加成；给电子取代基加速亲电自由基的加成二月23华东理工大学-王朝霞课件44

富电子而亲核性的环己基自由基和缺电子而亲电性的丙二酸酯自由基与取代烯烃的加成反应表现出对取代基的电性完全不同的反应速率差异。二月23华东理工大学-王朝霞课件45自由基聚合反应是合成高分子材料的一个极为重要的反应。聚苯乙烯过氧化苯甲酰（Benzoylperoxide）

一种自由基引发剂二月23华东理工大学-王朝霞课件46

笼效应自由基反应

共价键均裂产生的自由基对和异裂产生的离子对一样，最初是被溶剂分子所包围的，即所谓溶剂笼。这种笼内自由基对不会立即分离，而是紧密结合在一起。经过一段时间后相互结合而生成的产物称为笼产物，该效应称为笼效应。笼效应使笼内自由基彼此结合或歧化。二月23华东理工大学-王朝霞课件47§3

自由基的检测特征的化学反应

如一个反应对酸、碱和溶剂极性大小的影响都很小，却易被过氧化物、金属盐等自由基引发剂或光所引发，又易被酚、芳香胺等自由基淬灭剂所抑制，则提示这是一自由基反应。

如在反应体系中加入甲苯，若有自由基产生则会产生苯基自由基的二聚产物1,2-二苯乙烷。电子自旋共振光谱（顺磁光谱）

由于含未成对电子，所以自由基为顺磁性的，理论上是可

以通过磁极化率来检测自由基，常用的重要检测方法是电

子自旋共振（ESR）二月23华东理工大学-王朝霞课件48自旋捕集（Spintrapping）

大多数的自由基的寿命都很短而难以检测，通常是采用加入自由基捕集剂同活泼自由基结合生成稳定自由基，来进行检测和研究。最常用的捕集剂为R－N＝O。化学诱导动态核极化效应（ChemicalinduceddynamicnuclearPolarization,CIDNP）

这是一种NMR技术。由于中间体自由基中孤单电子会影响质子的核自旋定向，使自由基中的质子发生极化作用，这种质子的极化现象可保留若干时间，在质子的NMR谱上表现出特殊强度。二月23华东理工大学-王朝霞课件49注意：在反应过程中观察到CIDNP的则说明反应（至少部分）是通过自由基中间体进行的。如果反应中没有观察到CIDNP则不能说反应没有通过自由基中间体，因为CIDNP不是总能观察到。

反应过程的NMR谱碘乙烷对照1HNMR二月23华东理工大学-王朝霞课件502.8卡

宾卡宾(Carbene)卡宾又叫碳烯，是亚甲基CH2及其衍生物的总称，是有机反应过程中形成的不同于正碳离子、负碳离子的另一类缺电子的中性中间体，它具有高度的活泼性，只能存在瞬间(约一秒钟)，不能单独分离出来。目前，已知的卡宾有以下几种：(1):CH2，:CHR，:CRR'(烷基、芳基、烯基、炔基)(2):CHX，:CRX，:CXX´(X=F，C1，Br，I)(3):CHY，:CRY，:CYZ(Y或Z=其它原子团，如-OR，-SR，-CN，-COOR，-COR等)(4)(芳基、烷基)二月23华东理工大学-王朝霞课件51

卡宾的电子结构

卡宾的碳原子是缺电子的，其最外层只有4个价电子，其中两个与氢原子形成两个共价键，剩下的两个非键电子如何填充？可能填充方式：a）2个电子占据1个轨道，自旋相反；b）2个电子各自占据1个轨道，其自旋方向可以相同。卡宾（:CH2）二月23华东理工大学-王朝霞课件52单线态卡宾（:1CR2）单线态卡宾：

具有sp2杂化结构，两个sp2轨道和两个配体成键，第三个sp2杂化轨道容纳两个自旋相反的未成键配对电子，另外还有一个空的p轨道。二月23华东理工大学-王朝霞课件53三线态卡宾（:3CR2）三线态卡宾：

具有sp杂化结构，两个sp轨道和两个配体成键，余下两个电子各占一个空的p轨道，相当于一个双自由基。稳定性：三线态卡宾>单线态卡宾二月23华东理工大学-王朝霞课件54通常方法形成的CH2:是单线态，它可以直接以单线态形式反应，也可以变成三线态以后再反应。b.单线态卡宾只有通过电子间的碰撞才会失去部分能量转变成为三线态卡宾。c.液相：浓度不是很稀时主要是单线态卡宾的反应。

气相：尤其是稀溶液时主要是三线态卡宾，因为卡宾在反应之前有足够的能量时发生碰撞而化单线态为三线态。

注意二月23华东理工大学-王朝霞课件55单线态卡宾与三线态卡宾的区别：A）反应性能不同。

单线态卡宾还有一个空轨道，表现出亲电性，而三线态卡宾有两个成单电子，表现出双自由基特性。C）在反应历程上，单线态为一步协同反应，产物具有立体专一性。三线态为双自由基，分步进行反应。B）单线态卡宾寿命更短，反应活性高，选择性差。二月23华东理工大学-王朝霞课件56

卡宾的生成活泼分子的分解

重氮化合物分解，放出卡宾和N2。烯酮分解，放出卡宾和CO。二月23华东理工大学-王朝霞课件57α-消除反应

同一碳原子经一步或两步反应消去两个取代基的反应。这类反应仅适用于没有-H的卤代烷，多用于制备卤代卡宾。二月23华东理工大学-王朝霞课件58

卡宾的反应另一类是向σ-键的插入：卡宾的反应一般可分为两大类，一类是与π键的环加成：

卡宾的重排反应常常涉及以上两类反应或包含更复杂的过程。单线态和三线态卡宾都能进行这两类反应，一些还生成相同的产物，但它们的反应机制是不一样的。二月23华东理工大学-王朝霞课件59加成反应

卡宾与重键加成生成三元环化合物，一般而言，对双键的加成比三键容易，在合适条件下还能与芳香体系的双键作用。7,7-二氯双环[4.1.0]庚烷TEBA：三乙基苄基氯化铵

单线态卡宾带有配对电子，反应遵循协同的机制，三线态卡宾带有两个未配对电子，是一双自由基，应以分步的方式进行反应。二月23华东理工大学-王朝霞课件60液相反应，得立体专一性顺式环丙烷衍生物。单线态卡宾与烯烃的加成一步完成，具有立体专一性。

单线态卡宾与烯类发生协同反应，烯类的立体结构在环加成产物中保持不变。二月23华东理工大学-王朝霞课件61三线态卡宾与烯烃的加成是双自由基机理，它与烯烃的加成是分步进行的，先生成一个新键，得到双自由基，继而可发生两种反应，一种是电子自旋反转直接关环，另一种是碳-碳单键自由旋转120°之后，再进行电子反转关环。所以得到的产物是两种立体异构体的混合物。二月23华东理工大学-王朝霞课件62插入反应

活性较强的卡宾可以插入C-H键或C-X键、C-O键，很少能插入C-C，C-F键。二月23华东理工大学-王朝霞课件63