Xi第三章自由基

自由基(freeradical)又称游离基。为具有不成对电子的化学物种，它可以是原子，分子或者基团。有机自由基一般是作为活性中间体短暂存在的，可通过加热或光照，使分子中共价键的一对电子发生均裂反应而产生。1自由基的定义和发现三自由基1900年M．冈伯格发现碳中心自由基，他将三苯基氯甲烷和锌粉在苯溶液中一起加热，试图合成六苯基乙烷，却得到了三苯甲基自由基的黄色溶液，该自由基在隔绝空气的条件下发生二聚，形成“六苯基乙烷”。近年来经光谱和核磁共振谱证实，所谓“六苯基乙烷”具有如下结构：其后，基于高度拥挤的基团和高度共轭的芳香基团，对许多新的、比较稳定的自由基进行了制备和研究。并且到1968年H．Laukamp和W．H．Nauta重新研究了三苯甲基和一系列烷基取代二苯基甲基自由基的单体—二聚体的平衡，揭示了反应的本来面貌。常规的nmr研究表明二聚体具有醌式结构，可逆反应是如下列所示进行的：另外，在1978年M．slein和W．Winlert报导三-(2,6-二叔丁基-4-联苯基)甲基二聚形成六-(2,6-二叔丁基-4-联苯基)乙烷。产品的结构是通过X-射线，ir，nmr和质谱。三-(2,6-二叔丁基-4-联苯基)甲基在排除了空气的苯溶液中是稳定的。这是第一个由相应的三芳基甲基形成的没有桥联的六芳基乙烷。三苯甲基类自由基是中性的和顺磁性的物质，它们都是具有颜色的化合物，表中例举三苯甲基类自由基的颜色。三苯甲基类自由基的颜色2自由基的轨道CH4Hf=-8.777KCAL/MOLCH3Hf=31.244KCAL/MOL3自由基的立体结构甲基自由基的真空uv表明它是平面的或接近平面的，但是平面构型的和角锥形的自由甲基之间能量差别不大。esr研究表明甲基和其他烷基都是平面构型的。在这样的构型里，键的杂化是sp2，未成对电子在p轨道里。补充电子自旋共振，是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术,是研究化合物或矿物中不成对电子状态的重要工具,亦称电子自旋共振(ESR).其原理为电子是具有一定质量和带负电荷的一种基本粒子,它能进行两种运动:一是在围绕原子核的轨道上运动,二是通过本身中心轴所做的自旋.由于电子运动产生力矩,在运动中产生电流和磁矩,.在外加磁场中,简并的电子自旋能级将产生分裂.若在垂直外磁场方向加上合适频率的电磁波,能使处于低自旋能级的电子吸收电磁波能量而跃迁到高能级,从而产生电子的顺磁共振吸收现象.补充顺磁性：是一种弱磁性。当分子轨道或原子轨道上有落单的原子或电子时，就会产生顺磁性。顺磁(性)物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子(或分子)磁矩之间并无强的相互作用(一般为交换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规(混乱)排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。但是当受到外加磁场作用时，这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列，因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。近年来，通过对许多稠环和笼状体系化合物的化学研究，从其刚性结构，得到了许多具有明确的角锥形构象的自由基，并且把它们和以平面结构存在，或者能够以平面结构存在的自由基进行了比较。1-金刚基和双环辛基的角锥形结构经过esr谱的证明。（1）烷基自由基除叔烷基自由基外，一般都是平面构型；（2）CF3·,CCl3·和(CH3)3C·均为三角锥体构型；（3）自由基中心碳与π体系相连时，中心碳采取平面构型以组成p-π共轭体系。例如：CH2=CHCH2·,C6H5CH2·均为平面；但(C6H5)3C·为螺旋浆型，三个苯基并不共面。（4）环状自由基：①环丙基自由基：三角锥体，②环已基，环戊基和环丁基自由基：平面构型。（5）桥头碳自由基一般烷基取代的自由基属于那种构型？通常认为一个光学活性的化合物，通过产生自由基，而后反应结果产生外消旋产物，就认为所生成的自由基是平面构型，实际并不然。注意：如果自由基不是平面构型，但具有一定寿命的话，角锥型也可以迅速转化而达到平衡，同样也可以得到外消旋产物。实际上，叔碳烷基自由基，如叔丁基自由基是角锥型构型，但由于不同构型之间相互转化的能垒很低，分离不出异构体。双环桥头碳正离子与叔丁基正离子比较，由于碳正离子一般是平面构型，桥头碳因几何形状限制，不可能为平面构型，因而不稳定。但双环桥头碳自由基与叔丁基自由基比较，其稳定性并无明显不利倾向。处于共轭体系的自由基，由于电子离域的要求，中心碳原子为sp2杂化，为平面结构，如烯丙基自由基和苄基自由基等。三苯甲基自由基螺旋桨形构型（黄色，稳定存在）。乙烯自由基的未成对电子只能处于sp2杂化轨道。4自由基的分类常见中性自由基（1）按是否带电荷分常见离子自由基负离子自由基正离子自由基(2)按自由基相对稳定性分类a.活泼自由基大多数自由基表现很活泼，在反应过程中仅能瞬时存在。许多自由基反应是按照自由基链反应机理，由一个活泼自由基周而复始地引起许多其他分子连续发生反应，如溴化氢在过氧化物作用下与丙烯的加成：当两个自由基碰在一起发生结合，或者自由基与器壁碰撞失去活性时，链就终止。活泼自由基可以诱发多种反应，如加成反应，取代反应，氧化还原反应等。b.稳定自由基有些自由基由于分子结构的特点表现很稳定。如三苯甲基自由基就可在溶液中存在。1,1-二苯基-2-三硝基苯肼基自由基的稳定性极高，固态能长期稳定保存。在这些自由基分子中相连的芳香族基团上的电子与自由基的不成对电子产生共轭效应，使不成对电子离域，降低了分子能量，这是自由基稳定化的主要原因。稳定氮-氧自由基，如2,2,6,6-四甲基-4-氧哌啶-1-氧基，就是通过2,6位四个甲基的空间阻碍而得到稳定的典型。稳定自由基的特性被广泛用来研究自由基的结构和反应机理，还可用作抗氧剂、防老剂，阻聚剂等。体积较大的相连基团的立体效应也能阻止自由基的相互结合。(3)按自由基结构分类（3.1）烷基自由基在许多有机反应里，都形成自由烷基。常用的有：（A）烷基过氧化物，（B）酰基过氧化物，（C）偶氮化合物，（D）过酸酯的热分解；（E）次氯酸叔丁酯的光分解。(这些成为广泛使用的自由基引发剂)以及（F）Kolbe电解羧酸盐，（G）溴和羧酸银反应过程和（H）光化学反应。（3.2）杂原子自由基含氮的自由基用高锰酸钾在冷的丙酮溶液里氧化二芳基胺，形成四芳基肼。二芳基胺基用缓和的氧化剂如过氧化铅在低温(-60C)氧化三芳基胼，得六苯基四氮烷，在反应过程里先形成中间产品三芳基肼基，后者二聚为六苯基四氮烷。三芳基肼基含氧的自由基在碱性介质中还原醌时，中间产物半醌以自由基的形式存在(磁性测定)。在分子里，未成对电子显然以同等程度分属于两个氧原子。半醌式自由基在烷烃光溴代过程中，在顺式和反式-4-溴-1-叔丁基环己烷(图A和B)中，(A)只给予反式邻二溴代物(图C)；而(B)反应得比较慢，选择性没有那么高。这表明（图D）所示的非经典自由基在起作用。非经典自由基含溴的自由基5.自由基的稳定性自由基的稳定性主要取决于：共价键均裂的相对难易程度；自由基的结构因素。（1）共价键的均裂所需的离解能越高，生成的自由基能量越高，生成的自由基越不稳定。例如：简单烷烃C—H键均裂时的离解能为(CH3)3C-H(CH3)2CH-HCH3CH2-HCH3-H∆H/kJ•mol-1372385402423(CH3)3C•>(CH3)2CH•>CH3CH2•>CH3•稳定性:例如：叔碳的烷氧基自由基在进一步分解时，主要生成一个比较稳定的自由基和一分子酮。（2）自由基中心碳原子如与键共轭，同样可以分散独电子，而使自由基稳定。（3）当苯环上有取代基时，不论取代基的本性如何(不论是吸电子基还是给电子基)，常常增加自由基的稳定性，例如：（4）芳基自由基，烯基自由基和炔基自由基，由于未成对电子不可能与键共轭，所以不稳定，是很活泼的自由基。6.自由基的生成由分子产生自由基的方法很多，比较重要的有以下三种。（1）热解在加热的情况下，共价键可以发生均裂而产生自由基。一些键的离解能(kJ·mol-1)H-H430N-N150C-H410F-F155C-C325~335H-I295Cl-Cl240H-S335H-Br365Br-Br190C-Cl325H-Cl430I–I150C-Br272H-F565-O-O-140C-I240H-O-460键的裂解能低于165kJ·mol-1，该键不但在气相中，也能在惰性溶剂中进行裂解而生成自由基。过氧化物和偶氮化物。过氧化叔丁基裂解能154.9kJ·mol-1自由基反应通常以过氧化物或偶氮化合物作为引发剂，主要是由于分子中含有较弱的键，容易均裂产生自由基，同时又是相同元素的同核键，一般不易异裂产生正/负离子。自由基引发剂常用的自由基引发剂：过氧化苯甲酰(BPO)，偶氮二异丁腈(AIBN)等。偶氮异丁睛裂解能129.8kJ·mol-1（2）光照在可见和紫外光波段，对辐射具有吸收能力的分子，利用光照射可以使之分解而产生自由基。另一个有用的光解反应是丙酮气相光照分解反应。其它容易发生光解的反应的如次氯酸酯和亚硝酸酯，可以产生烷氧基自由基。光照产生自由基具有明显优点。光解可以分解在通常合理温度下不容易分解或很难分解的强共价键，如偶氮烷类化合物。热分解反应比较困难！由于一定的官能团具有特定的吸收带，是特定能量的转移，所以光解比热解具有更大的选择性，副反应比较少。（3）氧化还原反应一个电子自旋成对的分子失去或得到一个电子都可导致产生自由基，实际上就是氧化还原过程，因此通过氧化还原反应也可以产生自由基。某些金属离子，如Fe2+/Fe3+，Cu+/Cu2+，Ti2+/Ti3+等是常用的产生自由基的氧化还原剂。Cu+离子可以大大加速酰基过氧化物的分解，产生酰氧基自由基。例如:Ti2+是一个很强电子还原剂，可用于还原过氧化氢生成羟基自由基。生成的羟基自由基是有效的催化剂，不但可以用于生成其它自由基，也可以用于有机合成。Co3++ArCH3→ArCH2·+Co2++H+Fe2++H2O2→Fe3++HO·+HO-7.影响自由基稳定性的因素（1）电子效应叔＞仲＞伯超共轭效应的影响，烷基自由基的稳定性次序为：与共轭体系如烯键、苯基、硝基、氰基等相连都可使孤电子离域而得到稳定。取代基对自由稳定化能力的大小一般有如下次序。苯基、烯基＞羰基~腈基＞酯基＞烷基许多酚类化合物在冷的干醚中氧化，可以生成不稳定的酚氧自由基，2,4,6-三叔丁基苯酚自由基因单电子与苯环离域，且较大的邻位阻效应而表现出是一个非常稳定的自由基，它可以被离析出来，IR上显示出1660cm-1的羰基吸收峰。这一自由基能够与不稳定的自由基结合生成稳定的分子，因此可用于自由基淬灭剂或阻聚剂。N,N-二苯基-N-苦味基自由基是一个紫色晶体，由于存在有庞大的空间位阻，再加上三个硝基的诱导影响，使它可以以固体状态存在并保存数年不变。2,2,6,6-四甲基六氢吡啶-4-酮氧化氮自由基甚至可以在分子中的其它部位发生格氏反应而不影响自由基结构。放在药物中,可以降低毒性也可以用于治疗脱发电子云更偏向于氧原子书写时将自由基标于O上或放在N-O键上(Nitroxyl)（2）空间因素叔碳原子自由基的稳定性较大，除了超共轭电子效应外，空间因素也有一定作用。自由基中心碳原子所连的基团较大时可使自由基中心的张力得到一定消除。此外，较大的空间位阻因素也不利于自由基发生反应。双叔丁基甲基自由基在低温（-30℃）无氧的稀溶液中是足够稳定的。（3）溶剂效应溶剂效应对自由基的影响不如对离子那么大，溶剂若能与自由基络合不但会增加它们的稳定性而且会改变它们的某些反应性质。在CS2中反应：106:1在苯中反应49:16自由基的检定(1)自由基的自旋捕集在一个指定介质中，产生自由基，如果同时有一个适当的亚硝基化合物如2-亚硝基-2-甲基丙烷(存在时，则将发生加成反应，形成一个长寿命的氮氧化物，于是就可以通过偶合常数(N和H)鉴定这个自由基。在许多情况下，这个氮氧化物是已知的，只需要做一些比较。但是，在另一些情况下，则需要更多的经验来确认它们。现在已知的N：烷基，10~15高斯；烷氧基，接近30高斯；酰基，只有6~9高斯。例:如果把2-亚硝基-2-甲基丙烷，加入到正在分解的乙酰基过氧化物溶液中，则esr估号：N=15.2高斯，H=11.3高斯表明甲基被捕集，形成N-甲基-N-叔丁基氮氧化物游离基。(2)自由基的捕捉使用自由基捕捉物。这样，使反应在一个含有容易被提取的氢原子的物质存在的情况下进行，以便产生一个比较稳定得多的自由基，或者使用一个本身就是自由基的物质，以捕集那些比较活泼的游离基。利用这种方法只能得到游离基参加反应的讯息。紫色无色(3)ESR和CIDNP检定根据顺磁共振信号和发射或吸收的NMR来检定。8自由基的反应取代反应、加成反应、分解反应、异构化、复合反应卡宾又称碳烯：卡宾中心碳原子为中性两价碳原子，包含6个价电子，4个价电子参与形成两个σ键，其余两个价电子是游离的。卡宾是一类非常活泼的活性中间体,已知的卡宾有如下几类。四、卡宾(Carbenes)（1）:CH2、:CHR、:CRR′（R为烷基,芳基,烯基或炔基）；（2）:CHX、:CRX、:CXX′(X为F,Cl,Br,I)（3）:CHY、:CRY、CYY′(Y为其它原子团如:-OR,-SR,-CN,-COOR,COR……)（4）CR2=C:、CR2=C=C:卡宾的命名，一般以:CH2为母体，:CH2称为卡宾。Cl2C:二氯卡宾CH3COCH:乙酰基卡宾CH3CH：甲基卡宾(C6H5)2C︰二苯基卡宾。卡宾碳原子只用两个分子轨道成键，还剩下两个分子轨道容纳两个未成键电子。电子在两个轨道中的填充有两种可能。1.卡宾的结构三线态卡宾比单线态的能量低，因两个单电子分布在两个轨道上，符合洪特规则，故稳定性T>S。（1）三重态碳烯(tripletstate，T)线性结构sp杂化，两个sp杂化轨道分别与氢原子成键，两个p轨道各容纳1个电子，可以看着是双自由基形式，这是降低电子之间相互排斥的最有效填充方式。（2）单重态卡宾(singletstate，S)sp2杂化，其中两个sp2杂化轨道分别与氢原子成键，另一个sp2杂化轨道容纳2个未成键电子，而p轨道是空的。单线态同时显示C+空轨道和C-离子的孤对电子，这是降低电子对之间相互排斥的最有效形式。（1）光或热分解反应（PhotodessociationorThermodessociation）2.卡宾的生成（2）α－消除反应五、乃春(氮烯Nitrene）乃春又称亚氮是卡宾的N类似物，非常活泼，在普通条件下难以离析。1.乃春的生成（1）热解或光解叠氮化合物的分解异氰酸酯的光解NH3orH2NNH2的光解六、苯炔（Benzyne）苯炔是苯环上发生亲核取代的活性中间体，苯炔的发现，使芳类亲核取代反应中的许多过去难以解释的现象得到了解决。苯炔的确证芳基卤化物在氨基钠存在下加热，氨解成芳胺，存在一些异常现象。根据反应结果表明，反应不是简单的亲核取代反应、不是加成——消去历程，而是按消去——加成历程进行的，生成中间体——苯炔。（1）示踪方法证明。（2）卤原子邻位有取代基时，不发生反应。（3）活性中间体捕捉(Trappingofintermediate)邻氨基苯甲酸重氮盐用闪光光解后，在极短的时间内，经质谱分析，证明有质量相当于76的峰出现。（4）近代物理方法证明苯炔还可以与某些化合物生成稳定的固体配合物而被离析出来。苯炔的存在已是不可争议的事实，但苯炔的叁键结构如何？2.苯炔的结构首先设想与乙炔相似，两个叁键C原子为sp杂化。环张力大，不稳定，难形成！若考虑叁键C原子仍为sp2杂化，叁键的形成基本不影响－体系的离域，即苯环骨架的稳定性保持不变，而新的“－键”是由两个sp2杂化轨道在环平面内，侧面交盖而形成很弱的键，因此很活泼，不稳定。苯环骨架稳定，炔键高度活泼！3.苯炔的生成（邻位消去）从相邻两个C原子上消去一个电正性基团和一个电负性基团。（1）芳卤化物脱HX对于不同的卤代苯，活性顺序为：Ph-F＞Ph-Cl＞Ph-Br＞Ph-I因为F的电负性大，使邻位C原子上的H酸性增强，有利于其作为质子离去，虽然F不是好的离去基团，但其离去不是在决速步骤。（2）由邻卤代有机金属化合物制备（3）脱中性基团（4）光解或热解七、叶立德（Ylid）连在C和杂原子上的取代基可以是各种各样的原子和原子团。叶立德、内鎓盐、鎓内盐，邻位两性离子。在分子内含有碳负离子和邻位杂原子正离子。1.Ylid的结构三苯基膦叶立德。这类化合物能以高熔点的黄色固体离析，在反应中作为活性中间体存在。x-光衍射晶体结构研究表明，C为sp2杂化，P为sp3杂化。普通C-P键长1.87Å，说明有双键的性质。2.Ylid的形成（1）由相应的膦盐脱去质子Ylid的形成难易决定于碳负离子的稳定性，对于α-卤代酸酯或α-卤代腈所生成的膦盐，只需要弱碱就可以形成Ylid。（2）卡宾和瞵的加成此方法适用于卤素或烷氧基取代的膦盐（3）碳负离子与乙烯基鏻离子的加成（4）通过对苯炔的加成形成