中级有机化学 (11).pdf

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1、1 第九章 自由基反应 1 自由基反应 第一个自由基反应 2 自由基结构自由基结构 自由基: 带有孤电子的原子或原子团称为自由基。 碳自由基: 含有7个电子碳的体系称为碳自由基。反应时总要 寻找另外的电子来达到八隅体结构，所以是亲电的。 一级碳自由基 CH3CH2CH3CHCH3 CH3CCH3 CH3 三级碳自由基 二级碳自由基 自由基的结构特点：有三种可能的结构；（1）刚性角锥体，（2）迅速 翻转的角锥体，（3）平面型。如下图： C CC 3 自由基反应自由基反应 共 性 （1）反应机理一般包括链引发、链增长、链终止三个阶段。 （2）反应必须在光、热或自由基引发剂的作用下发生。 （3）溶剂

2、的极性、酸或碱催化剂对反应无影响。 （4）氧气是自由基反应的抑制剂。 （5）含有单电子碱金属，双电子碱土金属，某些金属离子 参与的反应 由化学键均裂或单电子转移引起的反应称为自由基反应。 双自由基单自由基 单自由基比双自由基稳定 4 自由基反应 形成自由基的条件: 1) 弱非极性共价键或者弱极性共价键 2) 气相的高温加热或者光照(均裂) 3) 液相自由基引发剂引发(自由基取代/加成) 4) 金属单电子转移反应(碱金属/碱土金属/金属离子等) 5 自由基反应 常见的自由基引发剂 6 BPO azodiisobutyronitrile 2018/11/9 2 生成自由基的反应生成自由基的反应 弱

3、非极性共价键或者弱极性共价键高温或者光照均裂 热均裂 光辐射均裂 单电子转移的氧化还原反应产生 7 生成自由基的反应生成自由基的反应 8 9 自由基的稳定性自由基的稳定性 自由基的稳定性 . 形成时解离能小的自由基比较稳定(通常有共轭效应或者超共轭效应)10 共价键均裂时所需的能量称为键解离能。 键解离能越小，形成的自由基越稳定。 自由基的稳定性自由基的稳定性 常见碳自由基的稳定性顺序及其原因 11 缺电子自由基的稳定性缺电子自由基的稳定性 缺电子自由基的稳定性 亲核性自由基有利于对亲电性烯烃加成. 缺电子自由基为亲电性自由基，有利于与富电子底物反应12 2018/11/9 3 富富电子自由基

4、的稳定性电子自由基的稳定性 富电子自由基的稳定性 (虽然n轨道电子对能量降低，SOMO轨道单电子能量升高，但总体能量降低了) 富电子自由基为亲核性自由基，有利于与缺电子底物反应13 常见稳定自由基 常见非常稳定的自由基(位阻大的自由基比较稳定) 其与氢结合的化合物就是阻聚剂 14 15 烷烃的自由基取代反应烷烃的自由基取代反应 16 1. 氟化反应难以控制。 2. 碘化反应一般不用。碘 自由基是不活泼的自由基。 3. 氯化和溴化反应常用， 氯化比溴化反应快5万倍。 烷烃自由基氯烷烃自由基氯化反应的选择性化反应的选择性 17 烷烃自由基溴化烷烃自由基溴化反应的反应的选择性选择性 氯化反应和溴化反

5、应都有选择性，但溴化反应的选择性 比氯化反应高得多。 18 2018/11/9 4 取代芳烃侧链自由基取代反应 19 烯烃烯烃 - -位位的自由基取代反应的自由基取代反应 烯丙位的自由基取代反应 自由基取代 亲电加成(低温无法生成自由基X.) Cl2 2Cl . 为什么不加成? p-共轭作用大于-p超共轭作用, 烯丙基自由基稳定，因此有利于生 成.CH2CH=CH2自由基. 另外, 气相中Cl2的浓度低, 对加成也不利. 20 烯烃烯烃 - -位位的自由基取代反应的自由基取代反应 烯丙位的自由基取代反应 链引发: 链增长: 链终止: (略) NBS中总含有微量的Br2, 这些就可以引发反应发生

6、,而反应生成的HBr又可以与 NBS反应生成Br2, 这样, 反应就可以持续进行下去. 由于Br2是由NBS缓慢提 供的, 这样可以保持反应体系中较低的Br2浓度, 从而可以避免发生加成反 应, 而有利于取代反应. 21 NBr O O + (PhCO2)2 CCl4 BrNH O O + NBS (PhCO2)22PhCO2. 2Ph . + CO2 Ph . + Br2 PhBr + Br . + Br .+ HBr + Br2+ Br .Br NBr O O + HBrNH O O + Br2 烯烃烯烃 - -位位的自由基取代反应的自由基取代反应 烯丙位的自由基取代反应 为什么Br2发生

7、自由基取代, 而HBr发生自由基加成? 自由基取代 自由基加成 加成反应不可逆, 取代反应可逆. 加HBr时, 体系中有大量HBr存在, 所以HBr只发生加成反应, 不发生取代反应; 另外,加HBr时,HBr浓度大, 有利于取代反应的逆反应, 因此加HBr时有利于加成. 而加Br2时, Br2碰到.CH2CH=CH2自由基即反应, 有利于取代反应. 22 烯烃烯烃 - -位位的自由基取代反应的自由基取代反应 非丙烯可以发生自由基重排 23 饱和碳原子上的自由基饱和碳原子上的自由基取代反应取代反应 Bu3SnH对溴代和碘代化合物的氢取代反应(还原反应) 产物比原料的化学键稳定是反应可以进行的驱动

8、力. 相当于自由基还原反应，还原条件比较温和，羰基不受影响. 24 2018/11/9 5 饱和碳原子上的自由基饱和碳原子上的自由基取代反应取代反应 Bu3SnH对溴代和碘代化合物的氢取代反应(还原反应) 2526 芳香自由基芳香自由基取代反应取代反应 Sandmeyer反应和Gattermann反应 (制备ArCl和ArBr) Sandmeyer反应 由于有络合作用, CuX催化剂需等摩尔. 在中性条件下, 用CuCN和KCN可以制备苯甲腈(PhCN). 27 芳香自由基芳香自由基取代反应取代反应 Gattermann反应 将Sandmeyer反应中的CuX该用Cu+HX (X=Cl, Br

9、)来代替. 特点: 可以用催化量 的Cu, 温度低, 操作简单. Sandmeyer反应和Gattermann反应的副产物为联苯和偶氮苯类化合物. N2+ Cl- Cu, HCl Cl + N2 N2+ Br- Cu, HBr Br + N2 N2+ Cl- + NaNO2 Cu NO2 + N2+ NaCl N2+ Cl- + Na2SO3 Cu SO3-Na+ + N2+ NaCl N2+ Cl- + KSCN Cu SCN + N2+ KCl other reactions 28 芳香自由基取代反应 Gomberg-Bachmann反应(制备联苯类化合物) 有取代基时主要在邻对位反应.

10、该反应也可以在中性条件下进行 29 芳香自由基取代反应 Pschorr反应(分子内的Gomberg-Bachmann反应) (制备稠环芳烃类化合物) 反应通常在碱性条件下进行; 但也可以在稀酸中进行, 但产率均不高, 若在稀酸中加Cu催化, 产率可达90%以上. ZZ N2+ Base Z = CH2, CH=CH, CH2CH2, NH, CO etc. N2+ CO2H Cu -N2 CO2H CO2HCO2H H -H . Cu provides an electron 30 2018/11/9 6 31 HBr对烯烃的自由基加成 HBr烯烃的自由基加成 1.H-Cl键能大,不易均裂;

11、碘自由基易结合生成碘分子, 并且与烯烃反应的活化能高, 因此 HCl和HI一般不与烯烃发生自由基加成. 2. 自由基反应一般不发生重排. 3. 多卤代 烷CCl3-Br, CCl4, CF3-I(键能小的键断裂)也能发生类似的反应。 32 HBr对烯烃的自由基加成 HBr烯烃的自由基加成 加成的区域选择性与直接加HBr相反. 33 HBr对炔的自由基加成 HBr对炔烃的自由基加成(制备邻二卤代烷) 34 自由基自由基加成加成反应反应 四卤甲烷对烯烃的自由基加成反应 3536 2018/11/9 7 自由基加成反应自由基加成反应 Bu3SnH+RI对缺电子烯烃的自由基加成反应 亲核性自由基对亲电

12、烯烃的加成反应.37 自由基加成反应自由基加成反应 Bu3SnH+RX对烯烃自由基加成反应的选择性 亲核性自由基有利于对亲电性烯烃加成. 亲电性自由基有利于对亲核性烯烃加成38 自由基加成反应自由基加成反应 自由基加成反应的选择性 亲核性自由基有利于对亲电性烯烃加成. 亲电性自由基有利于对亲核性烯烃加成39 自由基加成反应自由基加成反应 Bu3SnH+RX对烯烃自由基加成反应 40 自由基加成反应自由基加成反应 烯烃自由基加成反应的选择性 亲核性自由基有利于对亲电性烯烃加成. 亲电性自由基有利于对亲核性烯烃加成41 自由基加成反应自由基加成反应 Bu3SnH+RI对缺电子烯烃的自由基加成反应

13、可以用Bu3SnCl + NaBH4来控制反应体系中Bu3SnH保持较低的浓度，避免R.自由 基与Bu3SnH反应。R.自由基与丙烯酸酯和Bu3SnH反应的速率常数比较接近 42 2018/11/9 8 自由基加成反应自由基加成反应 Bu3SnH引发烯烃的自由基分子内加成反应 4344 活泼金属参与的自由基还原 炔烃的还原 45 活泼金属参与的自由基还原 芳烃的还原 Birch还原: Na-NH3(l)-EtOH还原芳烃. 后来扩大为Li, Na, K; NH3, EtNH2, PrNH2, H2NCH2CH2NH2 46 活泼金属参与的自由基还原 Birch还原的区域选择性 1.苯环上有给电

14、子取代基, 电子密度增高, 不利于反应, 反应 速度减慢.得到双键连在取代基上的产物. 2.苯环上有吸电子取代基, 电子密度降低, 有利于反应, 反 应速度加快.得到双键不连在取代基上的产物. 47 活泼金属参与的自由基还原 Birch还原的选择性 苯环上含有X, NO2, CHO, COR和-CH=CHR等基团均可被还原, 且优 先还原. 但非共轭的双键不被还原. 48 2018/11/9 9 49 活泼金属参与的自由基还原 50 RR OH RR O R OH R R OH R M M PhH HA Unimolecular reduction in protic solvent Bimo

15、lecular reduction in aprotic solvent Mechanism R R O R R O- Na R R O. - HA dimerize PhH R O- R R O- R RH O. R H2O RH OH R R OH R R OH R Na RH O- R HA 醛酮的单分子还原和双分子还原 单分子还原(在质子溶剂中), 双分子还原(在非质子溶剂中). 活泼金属参与的自由基还原 醛酮的还原 常用金属M: Na, Mg, Al, Mg-Hg, Al-Hg, Zn-Hg; HA为与M适合的质子溶剂. Na对单分子还原有利; Mg, Ti, Mg-Hg, Al-H

16、g, TiCl3/Zn-Hg对双分子还原 有利. 51 活泼金属参与的自由基还原 醛酮的还原 52 活泼金属参与的自由基还原 ,-不饱和醛酮的还原 53 O Na O NH3 O Na H O NH3H - OH Na H O NaH O- H O. H - NH3 O. H NH3 H O- HH OH HH O O Li, NH3 (l) -33oC HO 活泼金属参与的自由基还原 酯与碱金属的单分子还原和双分子还原 54 2018/11/9 10 活泼金属参与的自由基还原 55 可以合成环状邻羟基酮和索酮 56 活泼金属参与的自由基还原 羧酸脱羧制卤代烷 (1)Hunsdiecker反应

17、 链引发 链增长 链终止(略) 57 RCO2H AgNO3 or Ag2O RCO2Ag Br2 or I2 CCl4 refluxR OBr O + AgBr RBr + CO2 RO- O Mechanism: + Br - Br + Ag+ ROBr O + AgBr ROBr O RO. O + Br. RO. O R. + CO2 R. + RCO2BrRBr + RCO2. MeO2C(CH2)4CO2Ag Br2, CCl4 reflux, dark MeO2C(CH2)4Br 68% 产率: 1oRX2oRX3oRX 卤素: 溴最好 由二酸可制备末端卤代酸 金属参与的自由基还

18、原 羧酸脱羧制卤代烷 Cristol改进法 产率: 1oRX 2oRX 3oRX Kochi反应 产率: 1oRX, 2oRX, 3oRX均好. Barton反应 58 RCO2H + Br2 + 1/2HgO CCl4 reflux, dark RBr + 1/2HgBr2 + H2O + CO2 2RCO2H + HgO(RCO2)2Hg 2Br2 2RCO2Br -HgBr2 2RBr + 2CO2 RCO2H + Pb(OAc)4 + CaCl2 LiCl KCl PhH reflux RCl + CO2 + Pb(OAc)2 + HOAc + Ca(OH)2 LiOH KOH RCO2H + Pb(OAc)4 + I2 CCl4 hv RI + HOAc + Pb(OAc)3I + CO2 59