高等有机化学-课件-自由基反应

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。Cl2+Ag2Dimer1900年M.GombergH1989年K.Okamoto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。RCRRCRR1090RCRRR平面型三角锥型浅三角锥型三角锥型自由基的立体翻转CRRRCRRR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。CCR'RHHHCFFF吸电子取代基有利于形成四面体结构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。CCRRRCCRRR弯曲型直线型O8.1.1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：1）连锁地进行反应NNCH3CH3CNCH3H3CCNhvCH3H3CCN2+N2链引发(n-C4H9)3SnH33(n-C4H9)3Sn4(n-C4H9)3Sn+X+(n-C4H9)3SnX56+(n-C4H9)3SnH(n-C4H9)3Sn+H链增长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。CXROCROCRO5）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。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。苯环有共轭效应和立体屏蔽效应NABCKoelschRadical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。NHOx.NNN22NNNO2O2NNO2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。DPPH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。OHK3Fe(CN)6OOHOOOHOHOOOORNRONOR=Ph,t-Bu3.自由基反应a.分子内反应开裂（脱离）反应XCRR+XX=O,b-开裂反应烷氧自由基开裂的相对速度RCH3CH2ClC2H5CH(CH3)2CH2C6H5C(CH3)3相对速度1610036001190014000AOAOA=O或CH2环扩大应用转位反应一般来说，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。CH2HH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。(CH2)nAH(CH2)nAH(CH2)nAHA=O,-NH,Cn=1~2Hofmann-Loffler-FreytagReactionHNClHHhvHNHHH-提取NHHHAANHHHClB+BCl-提取连锁反应BartonReaction非连锁反应HORhvHOH-提取OHOHX+X+XR=X,N=O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。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。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。RR+RR=H,CH350:1RRR'R'RR'R=R'=HR=CNR'=CO2MeR=CNR'=CO2MeSOMOLUMOHOMOSOMOLUMOHOMOH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：kcyTMIOkcoTMIO=NONONO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kcy和偶联反应速度kco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kco。kcokcy=[H-T]/[C-T][TMIO]初始浓度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：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。NN光或热-N2+ABb.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：RH+X2RX+HXX22X典型反应:烷烃的卤代反应R+X2XH+RX+RHRX+X2RR-RR+XRX2XX2链引发链增长链终止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。OHOCOCH3OC6H5IClhvCl-ONOOHOCOCH3OONOCl-HClOOCOCH3OONOC6H5IClOClOCOCH3OONO+C6H5ICl这个反应叫做远位官能团导入反应(remotefunctionalization)。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+CCCCX(a)X-Y-XCCYX(A)CC(b)CCCXC(B)Br+CH2=CHCH2BrBrCH2CHCH2BrHBrBrCH2CH2CH2BrHClG﹡=21kJmol(a);25~4242kJ/mol(b)HBrG﹡=-42kJmol(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。烷基自由基的情况：RCCCCR+CCHRCCXRCCRHDXDMn+RAlkylHDH-donorXDX-DonorMMetal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：CH3CH3CBrCH3+CNCH3CH3CCH3CN(n-C4H9)3SnHAIBN,hvorHeat杂原子自由基也可以加成到双键。+CCl4(C6H5COO)2CCl3HClHNSOOn-C15H31+COOCH3hvNSCO2CH3n-C15H31NSCH3CH3CH3IKNH2NH3CH3CH3CH3H2NCH2ClNO2+(CH3)2CNO2Na+CH2NO2CH3CH3NO2ArX+Nu-电子移动ArX+NuArXAr+X-ArArNuArNu+ArX电子移动ArNu+ArX自由基取代反应（SRN1)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。R1+R2R1-R2自由基偶合，自由基二聚RCH2CH2+RCH2CH2RCH=CH2+RCH2CH3自由基岐化反应c.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）2X(CH2)nCOO--e2X(CH2)nCOO-CO22X(CH2)nX(CH2)2nXX=CH3,CO2R,COR,OAc,F,n=4~16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。RH(CH3)CcdRcdRcdRcdc=吸电子基d=给电子基R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。O(CH3)3COOCH2=C(CN)S(CH3)3OCNSC(CH3)3OONCSC(CH3)3CN(H3C)3CS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。OR1R2+eH+OHR1R2二聚化R2R2R1OHR1HOORRTiCl3Zn-CuO-RR二聚化RRRO-R-ORRRRMcMurrayreaction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。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(chemicallyinduceddynamicpolarization)。EPR和NMR的原理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孤对电子处于具有磁矩的核上，由于核的相互作用孤对电子的能级再次分裂，结果ESR的信号峰也随之在分裂。通过分裂信号峰可以了解自由基的结构和孤对电子的鲤鱼状况。ESR可以检出10-8M稀浓度的自由基。CIDNP原理CIDNP是一对自由基相互偶合产物的NMR测定来观察自由基的方法。一对自由基偶合生成的产物的NMR谱图中刚生成的化学键的两个原子上的氢核常常伴随发光或出现信号的增大，但这个现象迅速恢复原样。通过这种谱图的解析可以得到非常短寿命的自由基的情报。