第十一章自由基化学

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。
① N—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：
④其它卤代试剂：
⑴ NBS: 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：
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
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
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, ⑴ t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。
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·
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。
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，ESRR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。
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。
多卤代甲烷的活性次序为： CBr4>CBrCl3>CCl4>CH2Cl2>CH3Cl
例11-10：
CCl4 + H2C=CH(CH2)5CH3 + CCl4 (PhCO)2
hv + BrCCl3
(PhCO)2
Cl
Cl3CCH2CH(CH2)5CH3
75%
CCl3
+
CCl3
73%Cl
Cl
4%
Br
CCl3
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(or EPR)
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； ② 2—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：
11.7.1 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：
In + HBr
Br + In H
Br + RCH=CH2
RCHCH2Br
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。
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。
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：
例 11-12：
环烯加成为反式立体化学，选择性低于HBr
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。
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：
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。
⑴ g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·H μs 为常数(= 9.274 x 10-21 erg/G), H 为磁场强度。
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：
④ N—氧化吡啶—2—硫酮的酰化物，也可作为自由基的来源：
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）
Chemically induced dynamic nuclear polarization
RCHCH2Br+ HBr
RCH2CH2Br + Br
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：
② HCl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：
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：
R2
R1 C R3
R1
R2 R3
R3R2
R1
反应过程中一般不保持构型
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。
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。
⑶烯丙基自由基为平面形的，未成对电子可以离域
例11-3：
② SP2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：
R1
R1
R3
R2
R3
R2
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
[A] = 10-5 M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