(推荐)高等有机化学课件自由基反应

2
Cl + Ag
2
Dimer 1900年 M.Gomberg
1989年 K.Okamoto H
1
后来，相继发现气相中CH3·和溶液中的C6H5·以及不对称烯烃和HBr的反 马 氏规则加成反应机理，形成了以自由极为反应中间体的有机化学反应。
饱和的烷基自由基有三种可能性。
R RC
0
13
kcy TMIO kco
NO
TMIO= ON
NO
在这个反应中TMIO的初始浓度远远大于5-己烯自由基的引发剂的浓度时，环 化反应速度 k cy 和偶联反应速度 k co 的比合 两种生成物的比可用下式表示。利 用这个式子可求得耦合反应速度 k co。
kco
=
kcy
[H-T]/ [C-T] [TMIO] 初 始 浓 度
24
5. 自由基的检出
在以上的反应根据特定的生成物和性质可以知道某种自由基的参与与否。除了化
学法以外，还有溶液中检出短寿命的自由基的分光学方法，如顺磁共振（EPR或电
子自旋共振：ESR) 和 CIDNP (chemically induced dynamic polarization)。
EPR和NMR的原理
HBr
BrCH2CHCH2Br
BrCH2CH2CH2Br
HCl G﹡=21 kJmol(a); 25~4242kJ/mol(b) HBr G﹡=-42 kJmol(a) 因此，在过氧化物存在下，HBr能够发生自由基参与的反马氏加成反应，而 HCl不发生此反应。
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烷基自由基的情况：
R + CC
RC C
c
(CH3)C
RH
R
d
R
c
c = 吸电子基
d
d = 给电子基
cd
R
R
cd
中间生成的自由基通过烯烃分子的电子推拉效果稳定化，限制了与烯烃的聚合反应， 优先引起偶联反应。
(CH3)3CO O
CH2=C(CN)S(CH3)3
CN
O
O
SC(CH3)3
NC SC(CH3)3 O
O (H3C)3CS CN
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还原偶联反应 一般来说，羰基上供电子的话生成自由基，后者经偶联声称二醇。这 个反应可在电解条件下或者是在像Mg一样的金属/金属离子作用下进行。古老的偶姻缩 合是一个例子。
酚类化合物氧化得到的酚氧自由基的寿命虽然比短寿命的甲基自由基长，但远不及 上述长寿命自由基，因此不能分离得到。
7
OH
O
K3Fe(CN)6
O
O
H
O
O
O
H
O
O
H
O
O
R NO
R
R =P h, t-B u
NO
8
3. 自由基反应
a. 分子内反应 b. 开裂（脱离）反应
R CX
X= O,
R+
X
b-开裂反应
R CH3 相 对 速 度1
三角锥型
R C RR 浅三角锥型
R
CR R
R RC R
三角锥型自由基的立体翻转
带有取代基的自由基采取自由基中心和取 代基相互扭转的构象。原因是与自由基的 半占轨道和位于反迫键的C-H键之间的超 共轭效应。
R' "R
C
H
CH H
2
FCF F
吸 电 子 取 代 基 有 利 于 形 成 四 面 体 结 构
1）连锁地进行反应
CH3
CH3
H3C
NN
CH3
CN
CN
(n-C4H9)3SnH
3
(n-C4H9)3Sn +
hv
CH3
2 H3C
+ N2
CN
3
链引发
(n-C4H9)3Sn 4
X
+ (n-C4H9)3SnX
5 6
链增长 H
+ (n-C4H9)3SnH
(n-C4H9)3Sn +
4
2）自由基反应是在中性、温和条件下进行，并具有很高的化学选择性、位置选择 性和立体选择性。前面的反应已经证明这一点。
3）与离子性反应相比对立体效应和溶剂效应敏感。 4）通过形成自由基发生极性转换。
R O C
R O C X
R O C
5）b-烷氧基和 b-氯碳正离子易发生消除反应，而自由基不发生消除反应。
2. 自由基的稳定性和寿命 自由基的稳定性和来自于共轭效应、给电子效应、吸电子效应等热力学学因素
和取代基对孤对电子的屏蔽效应等立体因素有关。
N
O
这个反应叫做远位官能团导入反应(remote functionalization)。
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对烯烃的加成反应 对不对称烯烃的 HX 反马氏加成是典型的自由基反应，常常利 用于C-C键生成反应。
X + CC
XCC
(a)X-Y -X
(b) C C
X C C Y (A)
XCCCC
(B)
Br + CH2=CHCH2Br
H
CH2
H
分子内氢提取反应 这个反应是分子内SH2反应，分子内发生氢的转移。碳、氧和 氮自由基分子内氢提取过程中的过渡态中，关联三个原子处在一条直线上，有利于 1,5-氢转移。此反应可在饱和碳原子上选择性地引入官能团。
HA (CH2)n
HA (CH2)n
A=O,-NH, C
n=1~2
HA (CH2)n
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双自由基 分子内有两个孤对电子在于不同原子的自由基叫做双自由基（biradical)
如果两个孤对电子在1，3 或1，4 位时就像卡宾，两个自由基的轨道相互作用可以形 成单线态和三线态。 1，3 或1，4 双自由基可通过五员环或六员环二氮烯的热分解或 光解产生。热分解生成单线态的双自由基，在三线态光敏剂存在下，光分解生成三线
与 碳 正 离 子 不 同 可 以 形 成
不饱和系列的自由基根据自由基中心所占据的位置不同可分为弯曲型（s）和直线型 (p）。一般的情况下采取弯曲构型。芳基自由基采取具有C2v对称的 P型构造。
R
CC
R
R
弯曲型
R C CR
R
直线型
O 3
8.1.1 自由基反应的特点
在液相自由基相互耦合变成非自由基物种。通过电子效应稳定下来的苄基自由 基以及具有大体积的叔丁基自由基也同样被失活。只有非常稳定的三苯基甲基自 由基可较稳定地存在。但是由于自由基非常的反应活性，在高浓度时立即和周围 的非自由基物种反应，故自由基自偶合不是主要反应。其反应特点如下：
b. 自由基和闭壳分子的反应 闭壳分子是指各个分子轨道都有两个电子充满且自
旋相反的分子。 氢提取反应 （SH2反应） 此反应相当于SN2反应的协同两分子自由基取代反应 SH2。如：
典型反应: 烷烃的卤代反应
RH + X2
RX + HX
链引发
X2 R + X2 X + RH
2R R +X
2X
2X XH + R RX + X R-R RX X2
c. 自由基和自由基的反应
R 1+ R 2 R C H 2 C H 2 + R C H 2 C H 2
R 1 - R 2
自 由 基 偶 合 ， 自 由 基 二 聚
R C H = C H 2+R C H 2 C H 3 自 由 基 岐 化 反 应
阴离子氧化生成的自由基的偶联反应(Kolbe反应）
2X ( C H 2 ) n C O O - -e
C H 3 H 3 C C
C H 3
C N
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杂原子自由基也可以加成到双键。
+ CCl4
(C6H5COO)2
NS
+
O n-C15H31
O
hv COOCH3
N S
CCl3 HH Cl
n-C15H31
N S
CO2CH3
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自由基取代反应（SRN1)
ArX + Nu- 电子移动
ArX
Ar ArNu + ArX
自由基偶合自由基二聚rch自由基和自由基的反应阴离子氧化生成的自由基的偶联反应kolbe反应coococoroacn41623脱氢二聚反应由过氧化物的作用而产生的烷基自由基与末端带有吸电子基和推电子基的烯烃加成生成新的稳定的自由基后者进行二聚化高收率得到加成物
自由基反应
大部分顺磁性自由基是非常活泼的短寿命的中间体，显示孤对电子的独特反应性。 自由基种类很多，除了碳自由基以外，还有氧自由基、氮自由基硫自由基和卤素自 由基等。它们在有机化学中起相当重要的作用。另外，还有由中性分子除掉一个电 子而生成的阳离子自由基和赋予一个电子而生成的负离子自由基等带有电荷的自由 基。空气中的三线态氧分子是具有两个孤对电子的双自由基。
Koelsch Radical 其晶体在氧气中稳定
长寿命自由基不易与非自由基化学种反应，单易和短寿命自由基反应形成共价键。 因此，常常用于自由基的捕获剂或连锁反应的终止剂。
6
Ox.
2
NH
NN
2N
N
N
O 2N
NO2
NO2
DPPH
紫黑色晶体，易与短寿命自由基反应生成退色的产物，故可 利用于利用分光光谱学跟踪自由基反应的捕捉剂。
链增长 链终止
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烃类的自由基氯代反应在工业上也是很重要的。一般的情况下位置选择性差，但 最近已有高选择性氯代反应的报道。
O OCOCH3 C6H5ICl hv
Cl-
H
O
O
N
O
O OCOCH3
C6H5ICl
O
O
N
O
O OCOCH3
H O
Cl N
O
-HCl
O
O OCOCH3
Cl
+ C6H5ICl
O
O
态的双自由基。三线态的双自由基的寿命比单线态长，这个差别反映在在生成物的立 体化学。如：
N 光 或 热
N
-N2
+
A
B
此反应中可以看到，保持原料的立体化学的 A 含量，在人分解反应中比光敏剂存在 下光分解反应多。这是因为光敏剂存在下生成的三线态自由基闭环需要自旋翻转， 此时增加键的旋转机会而引起的。
15
此反应能够在羟基的d- 位引入卤素，故广泛利用于不活泼的甲基上引入官能团的 试验，如甾族化合物的修饰等。
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分子内不饱和键上的加成反应（自由基环化反应） 自由基的环化反应是个速度 控制的反应。自由基加成到双键的最重要的反应是前面已经讲过。
R
+
R=H, CH3
R
R
50
:
1
此时，环己烷椅式构象的过渡态中带有孤对电子的2p轨道（SOMO)和双键的p* 空轨道（LUMO)的重叠是有利的。
电子移动
ArX + Nu Ar + XArNu ArNu + ArX
CH3
I
CH3
KNH2
CH3
H2N
CH3
NH3 CH3
CH2Cl + (CH3)2CNO2Na+
CH3
NO2 CH2 CH3
CH3
NO2
NO2
21
自由基和氧化剂的反应 碳自由基易被金属离子氧化生成碳正离子。如果自由 基的SOMO能量高，也可以发生往金属离子的电子移动。Cu2+, Mn3+, Ce4+ 高效率地发生电子移动，生成碳正离子。
核磁共振
核在磁场中处于分离的两个能级的核的跃迁能作为信号
顺磁共振
具有顺磁性磁矩的自由基孤对电子的跃迁能作为信号
O
+e
R1 R2
H+
OH 二聚化 R1 R2
R1 R2
HO
R1 R2 OH
O RR
T iCl3 Z n- Cu
O- 二聚化 RR
R
R
R
R
-O O-
R
R
R
R
McMurray reaction
后一反应是著名的 McMurray 烯烃合成反应。经由羰自由基（ketylradical)和片呐醇 型的二价阴离子，达到反应产物。
R
R R=R'=H
R
R'
R'
R'
R=CN
R'=CO2Me
R=CN R'=CO2Me
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SOMO
LUMO HOMO
SOMO
LUMO HOMO
H或推电子
R 是吸电子
通过自由基环化不能得到三员环或四员环，同样条件下得到开链产物。 用已知5-己烯自由基的环化反应速度可以求得另外一种自由基环化反应的反应
速度，这个方法叫做自由基时针法。如：
R Alkyl HD H-donor XD X-Donor M Metal
HD XD Mn+
RC CH RC C X RC C
利用三叔丁基锡作为氢的给体的烷基自由基反应也可以发生在分子间。如：
C H 3 H 3 C C B r +
C H 3
( n - C 4 H 9 ) 3 S n H C N
A IB N ,h v o rH e a t
5
自由基根据其寿命的长短分为如下三类： 1）短寿命自由基：像甲基自由基半衰期小于1-3 秒。 2）持续性自由基：像苄基自由基通过共轭分散孤对电子，半衰期源源长于1-3 秒。 3）长寿命自由基：由芳香环的共轭效应，又有取代基的屏蔽效应，在室温中的寿 命长达几分钟。
N
A
B
C
苯环有共轭效应 和立体屏蔽效应
2X ( C H 2 ) n C O O - C O 2 2X ( C H 2 ) n
X = C H 3 , C O 2 R , C O R , O A c , F , n = 4 ~ 1 6
X ( C H 2 ) 2 n X 22
脱氢二聚反应 由过氧化物的作用而产生的烷基自由基与末端带有吸电子基和推 电子基的烯烃加成生成新的稳定的自由基，后者进行二聚化，高收率得到加成物。
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Hofmann-Loffler-Freytag Reaction
连锁反应
C l HNHh v
H
HNHH - 提 取 H
H NH
C l A
H C l-提 取
H NH H+B
A
B
Barton Reaction
非连锁反应
HO R h v
HO+XH -提 取
H O+X
X O H
R = X , N = O
烷 氧 自 由 基 开 裂 的 相 对 速 度
CH2Cl C2H5 6 100
CH(CH3)2 CH2C6H5 3600 11900
C(CH3)3 >14000
环扩大应用
OA
OA
A =O或 CH2
9
转位反应 一般来说，自由基不像碳正离子，不发生a-位取代的氢或烷基的1,2转位反应。但是，可以发生苯基或卤素的转位反应。