第五章 自由基反应.docx

1、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

2、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. 对碳自由基而言

3、，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二聚体是

4、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。羰基提供

5、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 electro

6、n 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 guide to

7、 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之差（7

8、 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 hydroxytolu

9、ene, 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这类强键，

10、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 homolysi

11、s 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 and

12、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 comp

13、ound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性。1,

14、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, it is

15、 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ATP将

16、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 orbital,

17、 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共振式。

18、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 elec

19、tron 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，氧化反应不

20、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 unsaturate

21、d 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Bergman（伯

22、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 when

23、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 drawing

24、) 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。其他的烯二炔类抗

25、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。原子抽提反应和加成反应

26、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。自由基（X）

27、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。自由基与极

28、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。自由基

29、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通常是B

30、r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。BDE越

31、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