第十一章自由基化学

第十一章自由基化学

11.1.概论具有未成对电子的质体称为自由基。大多数自由基是不带电荷的，但也有少数是带电荷的：带正电荷—正离子基；带负电荷—负离子基。自由基可以出现在反应物或产物里，但最常见的是出现在反应中的中间体里。11.1.1稳定的自由基

大多素自由基是不稳定的，存活期很短。如果没有使其稳定的因素存在，则会迅速二聚或歧化。也可从溶剂中获得氢或与氧加成：但在某些情况下，自由基可以非常稳定。稳定自由基的几个因素：①芳基或其它不饱和基的共轭稳定作用；②大体积基团的空间位阻（阻碍二聚或其他进攻）；③杂原子的稳定作用（利用非键轨道，形成多中心键）。下面是一些稳定的自由基：11.1.2自由基的检测

但在大多数自由基反应中，自由基高度活泼、浓度很低，因此，需用特定的技术才能捡出。自由基最大的特点就是含有未成对电子，其主要检测方法有以下几种：①电子自旋共振谱（顺磁共振）—ESR(orEPR)ESR的原理大致与NMR一样（NMR:核自旋→磁场→共振，核自旋量子数m≠0,1,2）ESR:电子自旋→磁场→共振，电子自旋量子数m≠0)。但在ESR中，是电子的自旋（而不是核自旋）状态能级随磁场的变化而发生共振，这种现象只有在电子的自旋量子数m≠0时才能发生，因此，ESR现象是自由基所特有的。

可见，只有未成对电子才能给出ESR谱。ESR记录电子由较低能态激发到较高能态时所吸收的能量。未成对电子的自旋产生的磁矩引起了共振吸收。电子的自旋量子数是S=1/2,在磁场中有两种取向ms=±1/2,其能量差较小，可用微波来激发。但是，ESR谱比NMR谱要复杂，其原因是由于自由基周围的核自旋不为0的原子核虽不产生ESR信号，但能使自由基的ESR信号裂分。当一个自由基同时含有α—H和β—H时，ESR的谱线将很多，有时甚至达到上百条而无法解析。⑴g因子：g因子是自由基的特性因子，相当于NMR中的化学位移δ。但g因子很少用来鉴别未知的自由基，因为，含未成对电子的自由基只给出一个g因子，所提供的结构信息不多，而在NMR中不同的核有不同的化学位移δ。

hv=E=g·μs·Hμs为常数(=9.274x10-21erg/G),H为磁场强度。⑵偶合常数：

最常见的偶合是H偶合，每一种不同的H偶合产生的谱线数为2NI+1:I为核自旋量子数：对于1H,13C,19F,31P,I=1/2;对于14N,I=1;N为等同质子数（原子数）。总谱线数为：(2NI+1)(2N’I+1)(2N’’I+1)……例11-1：乙基自由基CH3CH2·

乙基自由基有3个β—H,2个α—H因此，总谱线数为：(2x2x1/2+1)(2x3x1/2+1)=12条裂分的峰距即为偶合常数，在ESR中用α来表示；对于乙基自由基αα—H=22.38G,αβ—H=26.87G。②化学诱导动态核极化(CIDNP）Chemicallyinduceddynamicnuclearpolarization

当服从波滋蔓(Boltzmann)分布的核自旋状态的正常分配情况由于未成对电子的存在而受到干扰时，就能观察到CIDNP。一个电子带有的强磁矩引起了核自旋状态的极化作用，这个作用在自由基反应的抗磁性产物的NMR谱图中显示为吸收的增加或发射的增加，或两者都增加。③化学检测法：ESR方法要求形成的自由基有一定的稳定性，并有一定的浓度以供检测。当自由基活性太高、寿命太短时，就可能检测不出，化学检测法从某种程度上弥补了这一点。⑴捕捉法：向体系中加入一个自由基捕捉剂，其作用类似于无机定性指示剂：[A]=10-5M时就呈现颜色，将A加入反应体系中，与体系中的自由基结合，颜色将发生变化，由此判断自由基的存在。⑵加入抑制剂：向体系中加入自由基抑制剂后，如为自由基反应，则其速度将减慢。化学检测法虽灵敏度高于ESR,但得到有关自由基结构方面的信息不如ESR多。11.2.自由基的产生大多数自由基反应都涉及到自由基引发剂，通过引发剂来产生自由基：

因此，引发剂如何成为自由基非常重要。常用引发剂一般都含有一个易均裂的弱键，在加热或光照下，即可产生自由基：①过氧化物：②偶氮化合物加热或光照也可产生自由基：③N—亚硝基酰基苯胺，是芳基自由基的另一来源：

④N—氧化吡啶—2—硫酮的酰化物，也可作为自由基的来源：11.3自由基的结构和立体化学特征

①烷基自由基⑴一般的烷基自由基被认为是平面的或很浅的锥型：⑵桥头上自由基构型是固定的例11-2：

桥头醛的脱羰基反应速度上比开链体系略慢，但比其SN1要快得多。这说明达成非平面几何形状所需的能量远不如碳正离子中间体要求的高。⑶烯丙基自由基为平面形的，未成对电子可以离域例11-3：②SP2碳上的自由基ESR谱证明SP2碳上的自由基在基态时是非线形的：翻转能量较低，约为2kcal/mol,也得不到构型保持的产物：因此，总的来说，自由基反应的立体专一性和选择性都比较低。11.4自由基反应的动力学特点—链反应

大多数自由基反应都是通过链反应来完成的，链的长短不一，但在反应特点上有共同之处：链传递的条件：①自由基能保持一定的浓度；②参加传递的自由基的相对活性应大致相同。

链反应的动力学：①在稳定状态时（动态稳定时），引发和终止处于平衡：

引发总的速度=终止反应的速度。如果不是这样，就不会有增长步骤中间体的定态浓度，而应当观察到自由基中间体的积累。②应用稳态近似法，并根据增长速度和终止速度最终是相等的这一点，就可以对上面的的反应机理写出速度律。假定链的长度有足够的延伸，以致对反应中计量没有影响时，按下式进行化学计算：反应的总速度是：假设kt2是终止步骤主要的速度常数，并使引发步骤的速度等于终止步骤的速度：结论：链反应的速度取决于引发剂的浓度，动力学特征为一级半。11.5结构与活性的关系

我们知道，结构与反应活性的关系可以通过动力学和热力学方法进行研究，但在自由基反应中，由于经过的动力学过程比较复杂，一般很少采用直接的动力学的测定，而多采用竞争反应的方法。所谓竞争反应是指：在同一体系中，在相同的反应条件下两个平行的反应，经由相同的反应机理（反应级数相同）进行反应，比较两种不同的反应物的消失速度或产物的形成速度，从而得出结构与活性的相对关系。①分子间的竞争反应：B—X,B—Y同时在A●引发下进行自由基反应：

由于反应平行，不同点在于B—X与B—Y的不同，反应速度可用B—X和B—Y的消失速度来表示：已知[B—X]0,[B—Y]0,⑴t时停止反应，可测定[B—X]t和[B—Y]t；⑵或[B—X]和[B—Y]比[A2]过量，使[A2]为0时，乃有[B—X]

和[B—Y]t。若[B—X]0=[B—Y]0,而测得[B—X]t＜[B—Y]t，则：[B—X]0/[B—X]t＞[B—Y]0/[B—Y]t,即：kx/ky

＞1,表明B—X的反应活性大于B—Y。②分子内竞争反应：

在同一分子中，有不同的活性反应点，用分子内竞争的方法，可以比较这些反应活性点之间的相对活性。例11-4：kp/ks

代表了伯氢和仲氢被氯取代的速度比伯氢：仲氢=3：2，所以，经过研究、比较一些通过自由基中间体的反应，得出如下结论：⑴在同一烷烃分子中，从不同级别的碳上夺氢的难易程度是不同的，一般说来，叔>仲>伯。当碳上连有可以稳定自由基的基团时，如Ph,CH2=CH-等，则更易被夺氢。这个顺序同C—H均裂能有关，C—H均裂能顺序为：伯碳>仲碳>叔碳>苄基碳~烯丙基碳。⑵不同自由基对不同位置的选择性也不同：如：CH3·从不同的碳上夺氢：叔：仲：伯=46：4.3：1；在气相中，Br·从不同的碳上夺氢：叔：仲：伯=6300：250：1(选择性较前者高)。自由基的活性越高，夺氢反应的选择性越低。11.6自由基取代反应

11.6.1卤代反应：

卤代反应是在不活泼的烷烃中引入官能团的有效方法不同的卤素具有不同的活性，从而选择性也不同。①溴代反应：

Br·活性较低，因此对不同烷烃上的氢具有很高的选择性。在前一节举了Br·对烷烃中不同氢的选择性的例，当有苯基、烯基或羰基等稳定自由基的基团存在时，选择性更高。例11-5：②氯代反应：

Cl·的活性比Br·高，而位置选择性则差得多。

当底物有吸电子基时，表现出极性效应：由于氯原子是一个亲电性的质体，因此，与吸电子基直接相连的位置及α—位，由于电子密度低而不发生氯代反应，氯代发生在其β位和γ位。

③碘代和氟代反应：碘代不易进行，反应不为链式、且高度吸热。氟代过于激烈，往往造成C—C键断裂，合成意义不大④其它卤代试剂：

⑴NBS:

例11-6：反应随底物不同可能有两种机理：a,溴代烯丙基、苄基时b,一般情况下：反应特点：[Br·]保持低水平，反应比较平稳，溴代发生在α—位上。⑵(CH3)3COCl次氯酸叔丁酯其反应选择性介于Br2和Cl2之间例11-7：11.6.2自氧化反应

以分子态氧对有机分子进行的自由基链式反应称为自氧化反应。分子氧作为氧化剂：

由于分子氧的三线态特征，使反应速度很快，另外，反应中生成的R—O—OH本身又是引发剂，能使体系中的自由基数目增加，因此，反应的特点是越来越快。

例11-8：

这是醚的自氧化过程，因此，醚类经长期存放后，使用前必须先用还原剂处理。

异丙苯氧化制备苯酚和丙酮（工业上应用）：醛的自氧化：11.7自由基加成反应

11.7.1卤化氢加成：

一般情况下，HX对烯烃的加成是极性的亲电加成反应，但在自由基引发剂的存在下，可以发生自由基加成，这时往往是极性加成和自由基加成相互竞争。①

HBr加成：加成方向为反马氏规则，立体化学以反式加成为主：对于立体化学的解释，认为是通过溴桥自由基进行的：例11-9：②HCl的加成：Cl·活性比Br·高，因此加成产物复杂些，其特点是容易形成聚合物。HF,HI则在能量上不允许进行自由基加成反应。

11.7.2卤代甲烷的加成

多卤代甲烷的加成是典型的自由基加成，且可用于合成。

常用试剂：CBr4,CCl4,CHBr3,CHCl3

等，在自由基引发剂存在下，可以形成自由基：

多卤代甲烷的活性次序为：CBr4>CBrCl3>CCl4>CH2Cl2>CH3Cl例11-10：反应的立体化学以反式加成为主11.3.3其它碳自由基的加成

①醛的加成：

在引发剂的存在下，可以生成酰基自由基RC=O·

例11-11：②甲酰胺在丙酮和光照下，也可以加成：③硫醇的加成：环烯加成为反式立体化学，选择性低于HBr例11-12：11.8.分子内自由基反应

自由基取代和加成反应可以发生在分子内，氢在分子内的转移是通过一个六元环环过渡态进行的。①N—卤代胺的酸性光解：②酰胺的分子内反应：③中等大小环烯烃与多卤代甲烷加成时，也可发生分子内自由基反应：11.9自由基的重排和碎裂反应

11.9.1重排反应：

相对于碳正离子的重排，自由基的重排是很少的。碳正离子的重排是一个三中心二电子的过渡态：

自由基重排也是一个三中心二电子的过渡态，但须占据反键轨道，能量高于碳正离子的重排：重排趋势：①饱和烃基本不重排，苯基、乙烯基、酰基等可以重排；②2—位上有大体积基团时，有利于重排。苯、乙烯等上的重排大多是通过一个三元环的中间体：11.9.2碎裂反应

自由基的碎裂反应是常见的，尤其是裂出一些小的中性分子时，如CO,CO2,CH2O等。烷氧自由基可以碎裂为烷基和一个羰基化合物：1,4—双自由基可以碎裂成两个中性分子，环化是碎裂的竞争反应：11.10单电子转移反应：

在一个抗磁性有机分子上除去一