第五章-自由基反应

第五章自由基反应5.1 自由基自由基是含有一个或多个未成对电子的物种，它是缺电子物种，但通常不带电，因此它们的化学性质与偶电子的缺电子物种——例如碳正离子和卡宾——很不相同。

“基”（radical）这个词来自拉丁语“根”。

“基”的概念最初用于代表贯穿于一系列反应始终保持不带电的分子碎片，而“自由基”（free radical）的概念最近才被创造出来，代表一个不与任何其他部分成键的分子碎片。

时至今日，“基”和“自由基”可以混用，但“基”在特定文献中依然保留了它的原意（例如，有机结构中的R基）。

5.1.1 稳定性本章讨论的大多数化学问题都涉及烷基自由基（·CR3）。

它是一个七电子、缺电子的物种，其几何构型可以看做一个较钝的三角锥，杂化类型兼有sp2和sp3成分，三角锥发生翻转所需能量很小。

实际操作中，你可以把烷基自由基看做sp2杂化的。

烷基自由基和碳正离子都是缺电子物种，能稳定碳正离子的结构因素同样能稳定烷基自由基。

烷基自由基可以被相邻的带孤对电子的杂原子或π键所稳定——正如它们稳定碳正离子时那样——且稳定性顺序为3°＞2°＞1°。

但是，在碳正离子和烷基自由基的能量趋势之间依然存在两个主要的区别：1.最外层含7个电子的C原子不如只含6个电子的C原子缺电子，因此烷基自由基不如相应的碳正离子能量高。

因此，极不稳定的芳基和1°烷基碳正离子从未观察到，但芳基和1°烷基自由基则相当常见。

2.对碳自由基而言，相邻的孤对、π键或σ键带来的额外稳定性不如碳正离子那么显著。

原因是：一个充满的AO或MO与一个碳正离子全空的AO之间的相互作用会将两个电子放置在一个能量降低的MO中，而一个充满的AO或MO与一个碳自由基半充满的AO之间的相互作用会将两个电子放置在一个能量降低的MO中，一个电子放置在一个能量升高的MO中。

尽管相邻的孤对、π键或σ键对碳自由基的稳定效果不如碳正离子，但若干个这些基团对自由基的稳定作用累积起来依然相当可观。

苄基自由基能量相当低，就是因为自由基能被3个π键所稳定。

三苯甲基自由基（trityl）相当于三重的苄基自由基，是第一个被确认的碳自由基。

这种十分稳定的自由基与它的二聚体处于平衡中——该二聚体是由一个自由基的甲基碳原子与另一个自由基的对位碳原子结合得到的。

该二聚体的结构最开始被错误地当做六苯基乙烷。

中性自由基缺电子，因此缺电子中心在低电负性原子上的自由基比在高电负性原子上的自由基稳定得多。

因此，第二周期常见自由基的稳定性顺序为：烷基型（·CR3）＞胺基型（·NR2）＞烷氧基型（RO·），对于卤素来讲则是：I·＞Br·＞Cl·＞F·。

*常见错误警告：羟基自由基能量非常高，但它在生物体系和大气化学的某些非常重要的反应中确实存在。

它在合成反应是否做中间体应当存疑。

*常见错误警告：H·自由基能量非常高，极少遇见。

与碳正离子不同，自由基既可以被富电子π键（例如C＝C键）所稳定，也可以被缺电子π键（例如C＝O键）所稳定。

羰基提供的额外共振体所带来的稳定性抵消了把自由基放置在氧原子上带来的不稳定性。

但是，富电子π键对自由基的稳定效果强于缺电子π键。

当一个自由基同时被一个给电子基和一个吸电子基所取代时，总稳定效果强于这两者的稳定效果的总和，这种现象称为推拉效应（captodative effect）。

硝酰基（nitroxyls，又名氮氧化物，nitroxides）是非常稳定的自由基。

它有两个主要的共振式，一个以N为中心，一个以O为中心；孤电子也可被认为是处在N＝O键的π*轨道里。

硝酰基是热力学稳定的，因为若是二聚的话，会产生一个极弱的N–N键、N–O键或O–O键。

可以买到商业产品的TEMPO（2,2,6,6−四甲基哌啶−1−氧基）能被空阻效应进一步稳定。

其他热力学稳定的自由基包括小分子O2（1,2−双自由基，最好表示为·O–O·）以及能导致哺乳动物平滑肌收缩的“信使分子”一氧化氮（·N–O）。

均裂键能强度表（键离解能，BDEs）提供了一个很好的判断自由基相对能量的方法。

该表可在大多数有机化学教材中找到。

比较H3C–H和Me3C–H的BDE。

前者的BDE是104 kcal/mol，而后者是91 kcal/mol。

BDE越小键就越弱，自由基能量越低，所以H3C·比Me3C·能量高。

如果比较H3C–Br（70 kcal/mol）与Me3C–Br（63 kcal/mol），也会看到类似的趋势。

但应该注意，H3C–H和Me3C–H的BDE之差（13 kcal/mol）比H3C–Br和Me3C–Br的BDE 之差（7 kcal/mol）大。

ΔBDE的这种差异反映了H·自由基有非常高的能量这一事实。

我们必须谨慎使用BDE！通过自由基中心的空阻效应，也能在动力学上稳定自由基，这样的自由基被称为“持久的”（persistent）。

持久自由基的范例包括全氯三苯甲基（perchlorotrityl）、（galvinoxyl）和由BHT（丁基化羟基甲苯，2,6−二叔丁基−4−甲基苯酚）衍生的自由基——一种用作食品防腐剂的抗氧化剂。

5.1.2 从闭壳层物种产生自由基大多数自由基都是动力学不稳定的——它们倾向于相互反应产生足电子物种——因此，在反应中自由基通常由闭壳层物种原位生成。

自由基可由闭壳层物种通过四种方式产生：σ键均裂，π键的光激发，单电子氧化/还原和环合芳构化（cycloaromatization）。

1.σ键均裂是产生自由基的常见方式。

相关σ键通常是杂原子−杂原子键，例如N–O或Br–Br，但即使是如C–C或C–N这类强σ键，如果能生成很稳定的碎片或者如果环张力很大，也可以均裂。

有时通过光照把一个电子从σ轨道激发到σ*轨道，诱导σ键均裂，但如果σ键足够弱，产物自由基能量足够低，加热足以引发均裂。

苯甲酰过氧化物和AIBN是两种在反应混合物中最广为使用的产生自由基的试剂。

过氧化苯甲酰的O–O和AIBN的C–N键在热或光化学条件下会均裂。

在自由基反应中未成对电子的转移用鱼钩箭头表示。

键均裂的可能性，直接与其BDE相关。

H–H键的BDE是104 kcal/mol，而Br–Br键的BDE是46 kcal/mol，所以H–H键均裂的可能性比Br–Br键小得多。

特别容易均裂的σ键包括N–O与O–O键，C和重原子如Pb和I之间的键、卤素−卤素键，和张力很大的键。

重氮化合物的光解时，C–N键异裂，放出N2，产生卡宾（通常是三线态）。

三线态卡宾两个轨道各有一个电子，可被看作1,1−双自由基。

在光解烷基和酰基叠氮化物时也经历了氮气被消除的过程。

反应产物是有高反应性的氮宾——卡宾的氮类似物。

2.当用特定波长的光照射含π键的化合物时，一个电子从π轨道跃迁到π*轨道。

该产物可被看做1,2−双自由基，可发生典型的自由基反应。

C＝O、C＝S、C＝C键都可以被光以这种方式激发。

π键越弱，越容易被光激发。

星号（*）经常用于表示被光激发的化合物，但这种表示法不能表示该化合物的反应性。

1,2−双自由基结构是一个更好的描述。

在光激发的烯烃中，两个自由基中心间的π键不复存在，C–C键可以自由旋转。

烯烃可以在光的作用下由顺式异构化为反式。

由于光激发的顺式烯烃和光激发的反式烯烃处于平衡，并且平衡有利于空间位阻较小的反式异构体，所以该反应的逆反应通常不发生。

节肢动物、软体动物、脊椎动物的眼睛使用顺−反异构化反应来检测光。

当光线进入眼中时，它被11−顺−视黄醛的亚胺所吸收——该化合物随即异构化为能量较低的全反式亚胺。

异构化过程可被各种发出电脉冲的酶检测，这些电脉冲接着通过视神经进入大脑。

同时，这个全反式−视黄醛被运送到肝脏，在那里视网膜异构酶用酸催化和ATP将其转换回高能量的11−顺式化合物。

然后11−顺−视黄醛被发送回眼睛，准备接收下一个光子。

3.在高能量轨道有电子的化合物可把电子转移到具有较低能量的轨道的化合物里。

大多数情况下，电子给体可以是一种金属或低价态的金属盐，如Li、Na、SmI2，也可以是一个可容纳孤对的化合物如胺或膦，尤其是当它有光激发时。

（光激发可以把非键轨道的电子激发到一个能量更高的轨道，那里它更可能参与电子传递。

）接受电子的轨道通常是一个π*轨道，最常见的是与芳香环或C＝O键相连的化合物，但也可能是一个σ*轨道。

在电子被接受后，这个产物就被称为自由基阴离子。

芳香族阴离子自由基往往画成“马桶盖”或“幸福外星人”共振体，但使用定域的共振式更容易追踪所有电子，所以更推荐这种画法。

可以画出大约18个一对电子和一个未成对电子定域在共轭体系的两个原子上的共振式。

这三个电子可以分布在任意两个邻位或对位的原子上！由酮衍生的自由基阴离子被称为羰基自由基（ketyl）。

二苯甲酮羰基自由基是一种深蓝色、空间和电子都被稳定的试剂，被广泛用做溶剂和脱氧剂。

电子转移也是S RN1机理的第一步。

在通过S RN1机理进行的反应中，电子给体通常是亲核试剂。

亲核试剂可以被光激发给予其电子更多的能量并使其更容易转移。

在上面的例子中，用羰基自由基的硝基类似物来描述负离子自由基更佳，但两中心三电子键更能具体描述化合物的反应性。

有机底物的单电子氧化反应会产生正离子自由基。

在合成中，氧化反应不如还原反应常见。

某些金属盐，例如Pb(OAc)4、Mn(OAc)3和(NH4)2Ce(NO3)6（CAN）都是单电子氧化剂。

Mn(OAc)3通常用于从羰基化合物的α−C上脱去H·。

Mn(III)与烯醇的H+作用，然后Mn−O键均裂产生Mn(II)和烯酰氧基自由基。

醌类，例如DDQ（2,3−二氯−5,6−二氰基−1,4−苯醌）和四氯苯醌，也可以被用于从底物中移去一个电子。

4.某些高度不饱和有机物的环合芳基化反应可以产生双自由基。

这些反应可以被认为是作为6电子电环化关环反应（第4章），但是六原子体系C3和C4的p轨道是否参与反应目前还不清楚。

最知名的环合芳基化反应是烯二炔的Bergman（伯格曼）环化反应，例如3−己烯−1,5−二炔反应生成得到的1,4−亚苯基双自由基。

Allenylenynes（1,2,4−三烯−6−炔）同样能发生环合芳基化反应。

Bergman环化反应在于20世纪60年代末发现，人们基于学术兴趣去研究它，但在20世纪80年代中期确定天然存在的抗肿瘤抗生素通过伯格曼环化攻击DNA后，它突然成为了研究热点。

在刺孢霉素（calicheamycin）γ1中，芳基和糖基与DNA结合，而分子的多不饱和“弹头”部分（如下图的左侧部分）破坏DNA。

弹头的工作原理如下：通过内源性物质的细胞核，弹头的一根S–S键被还原而产生硫醇盐，它通过一个Micheal反应加成到烯酮上。