第五章-自由基反应.docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上第五章 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

2、、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键所稳定正如它们稳定碳正离子时那样且稳定性顺序为321。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

3、由基而言，相邻的孤对、键或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、键或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

4、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：IBrClF。*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键（例如CC键）所稳定，也可以被缺电子键（例如CO键）所稳定。

5、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，富电子键对自由基的稳定效果强于缺电子键。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Nitroxyls have two major resonance structures, one N-centered and one Ocentered;有两个主要的共振式，一个以N为中心，一个以O为中心；the lone ele

6、ctron may also be considered to be in the _ * orbital of孤电子也可被认为是处在NO键的*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NN键、NO键或OO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。Other thermodynamically stable free radicals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OO）以及能导致哺乳动物平滑肌收缩的“信使分子”一氧化氮（NO）。均裂键能强度表（键离解能，BDEs）提供了a good guid

7、e to the relative energies of radicals.一个很好的判断自由基相对能量的方法。该表可in most organic chemistry textbooks.在大多数有机化学教材中找到。比较H3CH和Me3CH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H3CBr（70 kcal/mol）与Me3CBr（63 kcal/mol），也会看到类似的趋势。但应该注意，H3CH和Me3CH的BDE之差（13 kcal/mol）比H3CBr和Me3CBr的BDE

8、之差（7 kcal/mol）大。BDE的这种差异反映了H自由基有非常高的能量这一事实。One must use我们必须谨慎使用BDE！Free radicals can also be stabilized kinetically by steric shielding of the radical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(butylated hydroxy

9、toluene, 2,6-di- tert- butyl-4-methylphenol), an antioxidant that，一种用作食品防腐剂的抗氧化剂is used as a food preservative.。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：键均裂，键的光激发，单电子氧化/还原和环合芳构化（cycloaromatization）。1. 键均裂是产生自由基的常见方式。相关键通常是杂原子杂原子键，例如NO或BrBr，但即使是如CC或CN这

10、类强键，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轨道激发到*轨道，诱导键均裂，但如果键足够weak and the product radicals are sufficiently low in energy, heat may suffice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OO和和 和AIBN的CN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curved arrows.用鱼钩箭头表示。 The likelihood of bond homo

11、lysis is directly related to the BDE for that bond. 键均裂的可能性，直接与其BDE相关。HH键的BDE是104 kcal/mol，而BrBr键的BDEis 46 kcal/mol, so the likelihood of H H homolysis is much smaller than the likelihood是46 kcal/mol，所以HH键均裂的可能性比BrBr键小得多。特别容易均裂的键include N O and O O bonds, bonds between C and very heavy atoms like Pb

12、 and包括NO与OO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。Upon photolysis of a diazo compound, the C N bond cleaves in heterolytic 重氮化合物的光解时，CN键异裂，放出N2，产生卡宾 （通常是三线态）。三线态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. When light of the appropriate wavelength is allowed to shine on a

13、compound当用特定波长的光照射containing a _ bond, an electron from the _ orbital is promoted to the _ * orbital.含键的化合物时，一个电子从轨道跃迁到*轨道。该产物The product can be considered to be a 1,2-diradical, and it undergoes reactions可被看做1,2双自由基，可发生典型的自由基反应。CO、CS、CC键都可以被光以这种方式激发。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

14、性。1,2双自由基结构是一个更好的描述。 228 5.In photoexcited alkenes, there is no _ bond between the two radical centers,在光激发的烯烃中，两个自由基中心间的键不复存在，CC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reaction to detect light.反应来检测光。When light enters the eye, i

15、t is absorbed当光线进入眼中时，它被11顺视黄醛的亚胺所吸收by an imine of 11- cis- retinal, which isomerizes to the lower energy all- trans retinal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，all- trans- retinal is transported to the liver (!), where the enzyme retinal isomerase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

16、ATP将其转换回高能量的11- cis form.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a lone-pair-bearing compound such as an amine or phosphine, especially if it is photoexcited.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higher energy orbi

17、tal, whence it is more likely to participate in electron transfer.)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*轨道，最常见的是与芳香环或CO键相连的化合物，但也可能是一个*轨道。is accepted, the product is called a radical anion.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

18、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ortho or para atoms of the ring!！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The dark blue, sterically深蓝色、and electronically stabilized benzophenone ketyl is widely used in solvent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SRN1机理的第一步。In reactions that proceed by the S RN 1 mechanism, the

19、electron donor is usually the nucleophile.在通过SRN1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make it more prone to transfer.使其更容易转移。In this example, the radical anion is actually better described as the nitro analog of a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

20、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one-electron oxidizing agents.单电子氧化剂。Mn(OAc)3通常用于从羰基化合物的C上脱去H。Mn(III)与烯醇的H+作用，然后MnO键均裂产生generates Mn(II) and the enoxy radical.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. The cycloaromatization of certain highly unsatu

21、rated organic compounds can某些高度不饱和有机物的环合芳基化反应可以give diradicals.产生双自由基。These reactions can be thought of as six-electron electrocyclic ring这些反应可以被认为是作为6电子电环化关环反应closings (Chapter 4), but whether the p orbitals of C3 and C4 of the six-atom system（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Bergm

22、an（伯格曼）环化反应，例如3己烯1,5二炔反应生成to give a 1,4-phenylene diradical.得到的1,4亚苯基双自由基。 Allenylenynes (1,2,4-trien-6-ynes) undergo cycloaromatizations, 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academic interest, but it suddenly became a hot topic of research in the mid-，但在1980s w

23、hen certain naturally occurring antitumor antibiotics that used the20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） 1中，aryl and sugar groups bind to DNA, and the polyunsaturated “warhead” portion芳基和糖基与DNA结合，而分子的多不饱和“弹头”部分of the molecule (the left-hand portion in the following dra

24、wing) damages the（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SS键被还原而产生a thiolate, which adds to the enone in an intramolecular Michael reaction.硫醇盐，它通过一个Micheal反应加成到烯酮上。发生Micheal反应时，烯酮的碳由sp2重新杂化为sp3，导致烯二炔的两个末端足够接近，以发生Bergman cyclization.Bergman环化反应。由此得到的1,4 双自由基物质接着接着从附近的DNA上拿走一个H，从而造成损坏和最终的细胞死亡。其他的烯

25、二炔类抗肿瘤抗生素（neocarzinostatin，esperamycin，dynemicin）may have similar or different mechanisms of activation, but they all use cycloaromatization可以具有激活的相似或不同的机制，但它们都以环化芳基化反应作为产生DNA损伤物种的关键步骤。5.1.3 典型反应自由基能发生8种典型反应：对键的加成反应、碎裂、原子抽提（atom abstraction）（和键的反应）、自由基自由基结合、歧化、电子转移、亲核试剂加成和离去基团离去。前三个反应目前是最重要的。原子抽提反应和

26、加成反应是涉及自由基和闭壳层物种的反应；碎裂反应是一个自由基转变为另一个自由基和一个闭壳层物种的反应。加成和碎裂反应微观上是互逆的。一般而言，链式反应的链增长阶段只发生加成、碎裂和原子抽提反应*。自由基自由基结合、歧化和电子转移出现在链终止阶段以及非链式反应中。链式机理也可以通过电子转移来引发。亲核试剂加成和离去基团离去都是两电子反应。The free-radical chain mechanism was discussed in Chapter 1.自由基链式反应机理在第1章中讨论过。熟悉书写链式反应机理的规则是至关重要的！1. 自由基可以加到一个闭壳层物种的键上，生成一个新的自由基。自由

27、基（X）与YZ键加成，得到XYZ，新的XY键由自由基和之前键各提供一个电子而形成的。The Y Z _ bond may be polarized or nonpolarized.YZ键可能是极性的，也可能是非极性的。分子间自由基对键的加成通常以形成最低能量自由基的方式来进行，而分子内加成经常受制于立体效应和电子效应，可能生成能量较高的自由基。自由基对键的加成机理与碳正离子和键加成非常相似。在本书中，单箭头常常用来表示自由基反应的方向，而不是键的均裂。这种约定可以避免书写机理时混淆各种箭头。如果能让你更好地理解这个反应，你可以表示电子朝各个方向的运动。实际上，大多数化学家让箭头指向两个方向。自

28、由基与极性键加成的方式并不总与亲核试剂与之加成的方式相同，例如Bu3Sn加在CS键的硫原子上，而不是碳原子。自由基也能加到“卡宾”例如CO和异氰酸酯（RNC）上来稳定它。卡宾的碳在产物中成为了自由基中心。自由基对硝酮和亚硝基化合物的加成得到非常稳定的硝酰。实际上，硝酮在电子顺磁共振(EPR)的研究中经常用作自旋捕捉剂（spin trapping agent）。反应中的自由基中间体存在时间太短以至于无法直接被观测到，但是它们的硝酰衍生物存在时间很长，可被EPR研究。2. 碎裂反应是加成反应的逆过程。一个与自由基中心相邻的键发生均裂。该键的一个电子与之前的成单电子在之前的自由基中心结合成一个新的键

29、。自由基的碎裂机理和碳正离子碎裂的机理很相似。酰基自由基碎裂能得到CO。该情况下，断裂的键直接与自由基中心相连。Et3B和O2混合后常被用来引发自由基反应。该机理有两个非同寻常的自由基反应。O2加成到BEt3的空轨道上，在B和O之间得到一个单电子键，之后碎裂得到Et和Et2BOO。3. 在原子抽提反应中，一个X自由基进攻一根YZ 键，得到一个新的闭壳层物种XY和新的Z自由基。旧键的一个电子与X成键，另一个留在Z上。迁移的原子Y常是氢原子或卤素原子，但不总是。*常见错误警告：抽提氢原子H的反应活化能很低，不要与活化能很高的抽提H搞混。三丁基锡自由基(Bu3Sn)常被用来从CX键中抽提重原子X。X

30、通常是Br或I，但也可能是Se，甚至是S。SnBr键的强度足以使Bu3Sn能把Br从芳基溴中抽提出来得到能量很高的芳基自由基。Bu3Sn自身能通过Bu3SnH的氢原子抽提中得到。含二丁基羟基甲苯(BHT)的食物能抗氧化，因为O2能将BHT苯酚的氢原子抽提走，而不是从食物中。得到的苯氧基自由基稳定，并且由于空阻和稳定的共振式，反应活性很低。*常见错误警告：碳的抽提（例如：X + R3CY XCR3 + Y）不能在自由基反应中发生。抽提C(sp2)或C(sp)的反应能写出一个加成碎裂机理。抽提C(sp3)的机理几乎一定是错误的，甚至O的提取也很少见。BDE对原子抽提反应的可能性具有很好的指导价值。

31、BDE越小，键越弱，越容易断裂发生原子抽提反应。*常见错误警告：均裂键能和异裂键能很不相同。在极性机理中，断键的可能性通常与异裂键能相关；而在自由基反应中，断键的可能性通常与均裂键能相关。例如，碱性条件下ROH键极易异裂（通过脱质子的形式），而Me3CH键不容易。但是，ROH键比Me3CH键有更大的BDE，所以对于同样自由基来说，ROH键的氢原子提取不如Me3CH键的更容易进行。原子抽提反应的速率，X + YZ XY + Z不仅仅由XY键和YZ键强度而定，也由XZ键强度而定。XZ键越弱，抽提越快，这个现象解释了为什么O2对ArOH的氢原子的抽提很快。OO很弱，加快了反应的速率。自由基反应对溶剂

32、的选择（甲醇、水、苯）共同特征是这些溶剂XH键的BDE很大，所以难以参与反应，而在THF、乙醚、甲苯、氯仿、二氯甲烷中，由于对溶剂的原子抽提反应而使自由基反应复杂化。丙酮有时被用作自由基反应的溶剂，因为它能被光激发成为引发剂，但是它也能给另一个自由基H得到稳定的2氧代丙基（乙酰甲基）自由基，从而是自由基反应复杂化。不像加成反应和碎裂反应，原子抽提反应在碳正离子的化学中没有对应反应。4. 两个自由基之间能以两种方式反应：自由基自由基结合或歧化。自由基自由基结合是键均裂的逆过程。两个自由基中心提供它们的成单电子，形成一根新键。自由基自由基反应，也以homogenesis之名为人们所知（均裂的反义词

33、）。自由基自由基结合反应通常很快，自发性也很强。大多数自由基都非常不稳定，正因为它们的自由基自由基结合反应非常快。在歧化反应中，一个X自由基从另一个自由基HYZ处抽提一个H原子，得到两个足电子物种XH和YZ。抽提的原子几乎总是氢，且总是与自由基中心Z是位关系。两个自由基也许相同，也许不同。歧化和自由基自由基结合一样，也很快，自发性很强。这个反应叫做歧化反应是因为两个相同化学式的自由基变成两个不同化学式的产物。（在前面的例子中，C8H9 + C8H9 C8H8 + C8H10。）在链式机理中，自由基自由基结合反应和歧化反应只在机理的链终止部分发生。一个例外是O2和一个自由基的结合，是一个自氧化链

34、式反应中链增长的一步。但是，非链式反应经常涉及自由基自由基结合反应和歧化反应。硝酰基可以限制要发生自由基-自由基结合反应的烷基自由基，得到比自由基更容易研究的满电子物种。羰基化合物的光化学反应经常有自由基自由基结合反应和歧化反应。5. 一个自由基在有氧化剂或还原剂存在时能发生单电子转移反应（氧化或还原），得到偶电子物种。在非链式机理中，一个发生电子转移的自由基自身经常是由电子转移得到的。一个链式反应能被电子转移引发或终止。SRN1机理（第二章）的链引发和链增长的一步是电子转移。弯箭头不是用来表示电子转移。6. 一个负离子自由基可以失去一个带负电的离去基团得到中性的自由基。反过来，一个中性的自由

35、基可以结合一个带负电的亲核试剂得到一个新的负离子自由基。一个正离子自由基也可以和亲核试剂结合。类似步骤出现在SRN1机理中（第二章）、溶解金属还原和oxidative deprotections中。这些两电子反应在碳正离子化学中都能找到对应的反应。自由基和碳正离子之间的类比已经进行多次，但碳正离子的一个典型反应，协同的1,2迁移没有出现在自由基中。协同的1,2自由基迁移只有当其中一个反应物能发生异面反应时才是允许的。1,2氢原子迁移从空间上讲是不可能的，1,2烷基自由基迁移的空间要求太苛刻，以至于观测不到反应。尽管如此，不饱和基团可以通过一个两步的加成碎裂机理，经过一个独立的环丙烷自由基中间体

36、发生迁移。苯基尤其善于发生自由基1,2迁移反应；酰基、烯基、炔基和氰基的1,2迁移反应也曾观察到。注意：尽管反应所能获得能量最低的自由基可通过1,2甲基迁移得到，但这并不符合实际情况，因为自由基无法发生1,2甲基迁移。Problem 5.1. 为下面的自由基重排反应书写一个机理。像Br和Se这样的重原子可以通过加成碎裂机理发生1,2迁移。反应过程中出现一种重原子带九电子的中间体。第二周期的元素不能像重原子一样容纳九个电子，所以加成碎裂机理对它们不适用。5.1.4 链式机理 vs. 非链式机理一个自由基反应可能按链式机理或非链式机理进行。确定一个反应是否是链式或非链式机理有很多种实验方法，但是这

37、些方法并不适用于本书纸上谈兵讨论的这些问题。幸运地是，反应试剂和反应条件经常表明了这是什么类型的机理。1. 涉及化学计量的单电子还原剂或氧化剂的反应，例如Li、Na、SmI2或Mn(OAc)3，通常按非链式机理反应，因为反应过程中出现的自由电子可以猝灭自由基中间体。同时生成两个相互靠近的自由基的反应，例如环合芳构化和许多光化学反应，经常是非链式机理。2. 所有的链式反应都需要引发剂，并且常用的引发剂很少（O2、过氧化物、AIBN、光照），所以这些引发剂的存在是链式反应的很好标志。但是小心，（表面上）没有引发剂并不代表不可能是链式反应。例如，大气中的O2可作为引发剂，许多3烷基碘的CI键可以在轻

38、微加热的条件下自发地均裂，引发链式反应。如果一个自由基反应有锡的化合物（例如Bu3SnH），它会发生链式反应。尽管如此，并不是所有涉及Bu3SnH的反应都是自由基反应。因为一些过渡金属催化反应也用Bu3SnH。你也许已经发现了，光照既能表明是非链式反应机理，也能表明是链式反应机理。一个区别光引发的非链式反应和链式反应很好的经验法则是单分子的重排或消除经常是非链式机理，加成和取代（尤其是分子间的）几乎总是链式机理。尽管如此，这个规则有几个例外（光化学频哪醇反应、Barton（巴顿）反应）。当然，许多周环反应也需要光照（第四章）！5.2 自由基链式反应5.2.1 取代反应烷烃被Br2或NBS卤代可

39、能是最有名的自由基反应。这个链式反应是由光致的Br2均裂而引发的。链增长部分由两个原子抽提反应组成。自由基链式机理机理的链终止经常是相同的：两个在链增长阶段产生的自由基相互反应，发生自由基自由基结合或歧化反应。本书通常不画出链终止反应。自由基卤代反应经常用于制备烯丙基型或者苄基型卤代物，因为反应中生成的烯丙型或苄基型自由基能量低。当然，在烯丙型卤代反应中，双键很容易移位。当用NBS作为溴代试剂时，通常认为Br2是真正的溴代试剂。Br2是由HBr（卤代反应的副产物）与NBS反应所产生的。该极性反应在链增长的H抽提和Br抽提反应之间发生。氯也可以用于自由基卤代反应。但是反应不易控制，因为Cl比Br

40、要活泼得多，所以反应选择性更差。tBuOCl和SO2Cl2可作为选择性的氯化试剂。F实在是太活泼了，以至于FF + CH HF + CF剧烈放热，自由基型的氟化反应极为猛烈，发生完全不可控的剧烈放热（爆炸）。作为另一个极端，烃的自由基碘代反应完全无法进行，因为H抽提步骤吸热太多。自由基脱卤化（dehalogenations）反应也很常见。在这些反应中，一个CX键被一个CH键取代。还原剂通常是Bu3SnH，尽管(Me3Si)3SiH或者催化量的Bu3SnCl与化学计量的NaBH4的结合也用来作为替代品，因为它们的环境相容性更佳。催化量的AIBN或(BzO)2经常作为自由基的引发剂。链引发阶段包括

41、引发剂产生的自由基从Bu3SnH抽提H。在链增长阶段，Bu3Sn从CX抽提X生成Bu3SnX和烷基自由基，然后烷基自由基从Bu3SnH抽提H生成烷烃并重新产生Bu3Sn。醇类在BartonMcCombie（巴顿麦克康比）反应中脱氧。醇类首先转化为磺酸酯（ROCS2CH3）或其他的硫代羰基化合物（thiocarbonyl compound），然后整个官能团被Bu3SnH移去，并替换为H。在机理的链增长阶段，Bu3Sn加成到SC键的S上，发生自由基碎裂生成烷基自由基和羰基化合物。烷基自由基接着从Bu3SnH上抽提H重新生成Bu3Sn。生成稳定的CO键提供了CO键碎裂所需的驱动力。用OOH取代烷基上

42、的氢叫做自氧化（autoxidation，“自氧化”是一个错误的命名，因为并不是底物自己氧化自己，而是O2来氧化它的！）自氧化通过自由基链式反应机理进行。注意：氧化反应机理的链增长部分中包括一个非常罕见的自由基自由基结合步骤（而通常的链式机理链增长部分不出现自由基自由基结合反应），它并不会使反应停止，因为O2是一个1,2双自由基。醚最容易发生自氧化反应，因为O可以稳定一个相邻的烷基自由基，但醛也很容易发生自氧化反应。在下面的例子中，直接产物过氧酸会与反应物醛反应，通过BaeyerVilliger（拜耳维利格）反应生成羧酸。自氧化是由苯和丙烯合成苯酚和丙酮的关键步骤。在合成的第二步中，枯烯（cu

43、mene，异丙苯）发生自氧化生成,二甲基苄基过氧化氢（枯基过氧化氢）。Problem 5.2. 画出苯酚合成反应的三步机理。自氧化是最重要的非生物降解有机物的方法之一。乙醚、THF等常见醚类溶剂发生自氧化反应，生成过氧化物，对热和振动非常敏感，容易爆炸。二异丙基醚非常容易发生自动氧化反应，以至于在打开瓶子后很快就反应了。生物体的自氧化可能是衰老的原因之一。车库里沾有油的抹布自动氧化会释放热量，加速自动氧化的过程，使得更多的热量释放，最终引发火灾。在HofmanLoefflerFreytag（霍夫曼洛夫勒弗莱塔克）反应中，一个N氯代铵离子通过自由基取代反应生成4氯代烷基铵离子，然后发生分子内的S

44、N2反应生成吡咯烷。在自由基取代机理中，抽提以分子内反应的方式进行。熵和立体电子因素使得C4上的H具有很高的区域选择性。5.2.2 加成和碎裂反应5.2.2.1 生成碳杂原子键的反应HBr对烯烃的反马尔科夫尼科夫加成可能是第一个被发现的自由基加成反应。该反应大约是在20世纪初被无意发现的。化学家在研究HBr与烯烃加成的区域选择性时，发现马氏产物和反马产物的相对比例在不同实验中差别很大。最终，人们发现像O2和过氧化物这样的杂质显著增加了反马产物的比例。这一结果后来被自由基加成机理所解释。反马产物的区域选择性是因为Br加成到取代较少的烷基碳原子上（空间效应），生成能量更低、取代更多的自由基（电子效

45、应）。在极性反应中，溴会加到取代更多的碳原子上。与HBr相反，即使在O2或过氧化物的存在下，HCl和HI也不能与烯烃发生自由基加成反应。从HCl抽提H吸热过多，而I加成到烯烃上吸热过多。但是，硫醇（RSH）与烯烃的加成与HBr的加成十分相似，是通过自由基机理进行的。引发剂通常是AIBN或(BzO)2。烯烃可能是富电子或缺电子的。注意硫醇与缺电子烯烃发生共轭加成既可以通过自由基机理，也可以通过极性亲核机理。Problem 5.3. 书写下列反应的自由基机理。三丁基锡氢化物（tributyltin hydride）通过自由基机理与CC双键发生加成反应。Bu3SnH对烯烃的加成反应是生成烯基锡（al

46、kenyltin）最好的办法之一，后者是有机合成中重要的试剂。该反应的机理与HBr对烯烃加成反应的机理完全相同。中间体烯基自由基通过能量相对较高的CSn键的超共轭效应所稳定。Problem 5.4. 请画出下面反应的自由基机理。5.2.2.2 形成和断裂CC键的反应工业中引入的最重要的自由基链式反应是乙烯自由基聚合成聚乙烯的反应。在工业合成过程中经常用(t-BuO)2作为引发剂。t-BuO加成到乙烯上，得到聚合链的开端。链增长阶段只有一步：一个烷基自由基加成到聚乙烯链的末端，得到一个更长的末端自由基链。链终止步骤是通常的自由基自由基组合和歧化反应。聚乙烯的应用很广泛，从三明治的包装到苏打水的瓶

47、子，再到公园长椅。坐在公园长椅上与把臀部包在三明治包装纸里的感觉不同，显然聚乙烯的物理性质可以显著地改变。一个特定批次的聚乙烯的物理性质部分取决于聚合链的支链数目和种类。聚乙烯可以有长短不一的支链。短的支链是由位于增长中的聚合链的末端的自由基从同一条链上第4或者第5个碳上抽提H而得到的。生成的自由基继续聚合，得到一个4碳或5碳的支链。相反的，长的支链是由位于增长中的聚合链的末端的自由基从另一条链的中部抽提H而得到的。生成的自由基继续聚合得到聚合支链。改变聚合时的反应条件（乙烯密度、聚合物密度、温度、引发剂浓度、压力），可以得到更多或更少的长支链或短支链。其他因素像平均分子质量和多分散性（样品中链长度的多样性程度）同样影响产物的性质。在实验室中，自由基加成反应经常使用Bu3Sn自由基作为关键的链载体。这类反应的引发阶段通常包含一个自由基引发剂（常常来自AIBN）从HSnBu3上抽提H生成Bu3Sn的步骤。链增长阶段通常包括下列步骤：(1)用Bu3Sn抽提Br、I或RSe生成烷基自由基；(2)烷基自由基加成到键上；(3)烷基自由基从HS