1、第6章 活性中間體的研究（續(xù)）,6.5有機(jī)自由基,自由基是指有一個(gè)未成對(duì)電子的原子或分子,自由基是缺電子的中間體，但不帶電荷，其性質(zhì)與正碳離子和卡賓等缺電子的中間體差別較大,6.5.1 自由基的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性,烷基自由基具有7電子結(jié)構(gòu)，因而是缺電子的,烷基自由基的中心碳原子雜化態(tài)處于sp2與sp3之間，近似于sp2雜化，具有扁平的角錐型結(jié)構(gòu),自由基的扁平角錐結(jié)構(gòu)很容易翻轉(zhuǎn),自由基翻轉(zhuǎn)的能壘很低，只有2.5kJ/mol,自由基的快速翻轉(zhuǎn)使得一些具有光學(xué)活性的 反應(yīng)物經(jīng)自由基機(jī)理反應(yīng)后得到的是外消旋產(chǎn)物,例如光學(xué)活性的1-氯-2-甲基丁烷的氯化反應(yīng)， 得到的產(chǎn)物是外消旋體,自由基的穩(wěn)定性,自由基與碳

2、正離子一樣，是缺電子的，任何穩(wěn)定 碳正離子的因素也能穩(wěn)定自由基,相鄰原子上的未共用電子對(duì)，鍵，鍵都能穩(wěn)定 自由基，穩(wěn)定性順序：,叔碳自由基 仲碳自由基 伯碳自由基,自由基與碳正離子穩(wěn)定性的差別,自由基中心碳原子價(jià)殼層電子數(shù)為7，缺電子性不如碳正離子嚴(yán)重，較相應(yīng)碳正離子穩(wěn)定,例如，伯碳正離子很難形成，而伯碳自由基則通常可作為反應(yīng)中間體,自由基與碳正離子穩(wěn)定性的差別（續(xù)）,相鄰原子上的未共用電子對(duì)，鍵和鍵對(duì)自由基的穩(wěn)定化作用不如對(duì)碳正離子的穩(wěn)定化作用強(qiáng),這是因?yàn)樽杂苫倪@些共軛作用是占有軌道與占有軌道間的作用，有一個(gè)電子進(jìn)入反鍵軌道,而碳正離子的這些共軛作用是占有軌道與空軌道間 的作用，電子都進(jìn)入

3、成鍵軌道,三-(五氯苯基)甲基自由基在溶液中可保存數(shù)天， 固態(tài)時(shí)可穩(wěn)定存在，并能耐熱至300,這是由于與自由基中心碳原子相連的芳基可以通過 共軛作用很好地穩(wěn)定自由基,同時(shí)，體積較大的芳基自由基通過位阻作用使得 自由基之間較難反應(yīng)，進(jìn)一步穩(wěn)定了自由基,對(duì)于雜原子自由基，由于自由基是缺電子的，自由電子所在原子電負(fù)性越大，相應(yīng)自由基越不穩(wěn)定,穩(wěn)定性：,HO和H極不穩(wěn)定，通常不能作為反應(yīng)中間體存在,氮氧自由基是非常穩(wěn)定的自由基，例如TEMPO,6.5.2 自由基的產(chǎn)生,鍵的均裂,鍵的激發(fā),單電子還原或氧化,有機(jī)過氧化物和偶氮化合物分子中的氧氧鍵和 碳氮鍵的鍵能很低，很容易均裂為自由基， 常用來作為自由

4、基反應(yīng)的引發(fā)劑,通過鍵離解能可以判斷化學(xué)鍵均裂的難易,不難看出，BrBr鍵易斷裂，HH鍵不易斷裂,一些鍵在光照下可使電子激發(fā)到*軌道上，形成雙自由基,雙自由基可以發(fā)生自由基的各種反應(yīng),某些順式烯烴的雙鍵在光照下異構(gòu)成反式，可能經(jīng)過雙自由基機(jī)理,動(dòng)物的視網(wǎng)膜中存在具有順式雙鍵的亞胺11-cis-retinal（視黃醛）imine，當(dāng)光線照到眼睛時(shí)，異構(gòu)成反式，產(chǎn)生電脈沖，通過視神經(jīng)傳遞給大腦,反式亞胺被轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟，在酶和ATP(腺苷三磷酸)的作用下轉(zhuǎn)變成順式再送回視網(wǎng)膜,氧化還原反應(yīng)也是產(chǎn)生自由基的簡(jiǎn)便方法,單電子轉(zhuǎn)移過程先生成陽離子自由基(氧化)或陰離子自由基(還原)，再分解成自由基和離子，例

5、如：,人名反應(yīng)？,酮在金屬的作用下生成負(fù)離子自由基，稱作羰游基(ketyl)。,深藍(lán)色的二苯甲酮羰游基在用鈉干燥溶劑時(shí)用作脫氧劑,6.5.3 自由基的反應(yīng),有關(guān)自由基的反應(yīng)包括,與鍵的加成，裂解，奪取氫，復(fù)合，重排等,與鍵的加成,例如溴自由基對(duì)雙鍵的加成和自由基環(huán)化,硝酮(nitrone)與自由基加成生成穩(wěn)定的氮氧自由基，常用作自由基捕集劑,奪取氫,奪取氫也是自由基的基本反應(yīng)，例如,奪取鹵素,自由基也可奪取反應(yīng)物分子中的鹵素，與奪取氫是同一類反應(yīng),自由基通常不能奪取反應(yīng)物分子中的烷基，氰基等基團(tuán)，例如,注意：自由基奪取氫的難易與離子型反應(yīng)中脫質(zhì)子的難易是完全不同的,例如，堿性條件下ROH很容易

6、異裂成RO和H+，但Me3CH鍵很難斷裂,自由基奪取氫的反應(yīng)則相反， Me3CH的氫容易被自由基奪取， ROH的氫則難以被自由基奪取，因?yàn)镽OH鍵的BDE高于Me3CH鍵的BDE,由于上述原因，自由基反應(yīng)常選擇甲醇，水和苯作溶劑,如果用乙醚，THF，CH2Cl2，丙酮或氯仿作溶劑，常會(huì)發(fā)生自由基奪取溶劑分子中的氫的副反應(yīng),自由基的復(fù)合和歧化,兩分子自由基利用各自的自由電子所在軌道形成新的鍵的反應(yīng)稱為自由基復(fù)合,自由基奪取另一自由基分子中的氫，形成兩分子八隅體結(jié)構(gòu)產(chǎn)物的反應(yīng)稱作自由基歧化，例如,自由基重排,與碳正離子不同，自由基的同面協(xié)同的1,2-遷移重排是對(duì)稱性不允許的反應(yīng)，但某些自由基可以通

7、過加成-裂解的途徑發(fā)生1,2-遷移重排，例如,解釋以下自由基重排的機(jī)理,鏈反應(yīng)和非鏈反應(yīng),自由基引發(fā)劑作用下的反應(yīng)通常為鏈反應(yīng),使用化學(xué)計(jì)算量的氧化劑或還原劑所進(jìn)行的反應(yīng)不是鏈反應(yīng),光化學(xué)反應(yīng)中，單分子重排或消除通常不是鏈反應(yīng)，而加成，取代反應(yīng)通常為鏈反應(yīng),6.5.4 自由基反應(yīng)實(shí)例,Hofmann-Loffler-Freytag反應(yīng)（遠(yuǎn)程官能化反應(yīng)）,The formation of cyclic amines from N-halogenated amines via an intramolecular 1,5-hydrogen atom transfer to a nitrogen ra

8、dical is known as the Hofmann-Loffler-Freytag reaction (HLF reaction),自由基鏈反應(yīng),總反應(yīng),產(chǎn)物的生成,Barton 亞硝酸酯反應(yīng),The Barton nitrite ester reaction (Barton reaction) is a method for achieving remote functionalization on an unreactive aliphatic site of a nitrite ester under thermal or photolytic conditions via ox

9、ygen-centered radicals,Barton反應(yīng)的機(jī)理,Birch還原：非鏈反應(yīng),液氨中用堿金屬鋰、鈉、鉀還原芳烴為非共軛環(huán)己 二烯的反應(yīng)稱為Birch還原,Birch還原的特點(diǎn),苯乙烯等底物的共軛雙鍵可被還原，底物中不與芳環(huán)共軛的孤立雙鍵不被還原,吡啶等芳雜環(huán)也可被還原，但吡咯等富電子的芳雜環(huán)只有環(huán)上存在吸電基時(shí)才起反應(yīng),Birch還原的機(jī)理,單取代苯還原的區(qū)域選擇性,芳環(huán)上有供電基：生成1-取代-1,4-環(huán)己二烯,芳環(huán)上有吸電基：生成1-取代- 2,5-環(huán)己二烯,Birch還原選擇性的解釋,根據(jù)分子軌道理論和Birch還原的反應(yīng)機(jī)理，可以 解釋Birch還原的選擇性,根據(jù)Hu

10、ckl分子軌道法，苯的分子軌道可表示如下,還原時(shí)，電子應(yīng)當(dāng)加到最低空軌道A 或 S上,取代基為供電基時(shí)，電子占據(jù)A軌道形成的負(fù)離子 自由基能量較低，導(dǎo)致生成1,4-己二烯,取代基為吸電基時(shí)，電子占據(jù)S軌道形成的負(fù)離子 自由基能量較低，導(dǎo)致生成2,5-己二烯,供電基導(dǎo)致電子占據(jù)A軌道，得1,4-環(huán)己二烯,吸電基導(dǎo)致電子占據(jù)S軌道，得2,5-環(huán)己二烯,6.5.5 自由基中間體的檢測(cè)和捕獲,電子自旋共振或電子順磁共振法 (ESR或EPR),ESR的實(shí)驗(yàn)原理與NMR相似，只不過ESR檢測(cè)的是 電子的自旋譜，而NMR檢測(cè)的是核的自旋譜,ESR可用來檢測(cè)有機(jī)自由基、三線態(tài)卡賓等中間體,電子的自旋：,電子有

11、兩種不同方向的自旋， 即順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向,電子因自旋而具有自旋角動(dòng)量，因而具有自旋磁矩,電子自旋的重要性,磁致電阻的發(fā)現(xiàn)：1857年英國(guó)科學(xué)家威廉姆 湯姆森 測(cè)量鐵和鎳在磁場(chǎng)中的電阻變化,1956年IBM科學(xué)家根據(jù)磁致電阻原理開發(fā)出世界上 第一個(gè)計(jì)算機(jī)硬盤，由50片直徑24英寸涂著磁粉的 圓盤組成，容量5M,磁致電阻現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是電子自旋,實(shí)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)：1988年法國(guó)科學(xué)家費(fèi)爾和德國(guó)科學(xué)家格林貝格爾，鉻、鐵多層膜，2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致硬盤性能和容量在隨后 十幾年中大幅提升,法國(guó)Paris - Sud 大學(xué)的Albert Fert 以及德國(guó)尤利希研究中

12、心的Peter Grnberg獲 2007 年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),以表彰他們?cè)?988 年發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng),電子自旋是量子化的，自旋量子數(shù)只能取1/2和1/2,當(dāng)分子中電子配對(duì)時(shí)，處在同一軌道上的兩個(gè)電子 自旋方向相反(自旋量子數(shù)分別為1/2和1/2)， 所以不會(huì)產(chǎn)生凈磁矩，不給出ESR信號(hào),具有未成對(duì)電子的物質(zhì)(如有機(jī)自由基)，在無外加 磁場(chǎng)存在的情況下，磁矩的取向是隨機(jī)的，所以 宏觀上表現(xiàn)不出磁性,有外加磁場(chǎng)存在時(shí)，兩個(gè)自旋狀態(tài)會(huì)發(fā)生能級(jí)分裂,兩能級(jí)的能量差E可用下式計(jì)算,式中H0為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度,g為磁旋比，是磁矩對(duì)電子角動(dòng)量的比值，相當(dāng)于 NMR中的化學(xué)位移，因其變化小，提供的信息較少,

13、e為玻爾磁子，其值為9.27321021爾格/高斯,自由電子的g值為2.002319，有機(jī)自由基的未成對(duì)電子的g值相對(duì)自由電子變化不大,共振頻率的計(jì)算,geH0/h =(2.00239.27321021/6.6251027)H0 =2.80106H0 Hz,在磁場(chǎng)強(qiáng)度H0為3400高斯的場(chǎng)中, 2.801063400=9520MHz,與NMR共振條件的比較：,NMR共振條件,式中h為普朗克常數(shù),=2.67515255108/sT為磁旋比，它是核的特征 常數(shù)，因?yàn)椋? Tesla = 104 Gauss 對(duì)1H 為26751/sG,B0為外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度,在磁場(chǎng)強(qiáng)度B0為3400高斯的場(chǎng)中，振動(dòng)頻

14、率為,比較ESR與NMR的靈敏度,在相同外加磁場(chǎng)強(qiáng)度下，ESR共振頻率遠(yuǎn)高于NMR， 這說明ESR的能級(jí)差遠(yuǎn)高于NMR的能級(jí)差,根據(jù)Boltzmann分布定律，粒子在兩個(gè)能級(jí)間的分布 與能級(jí)差有關(guān)，能級(jí)差越大，處于低能級(jí)的粒子數(shù) 就越多，發(fā)生共振時(shí)，躍遷至高能級(jí)而產(chǎn)生的信號(hào) 就越強(qiáng)。因此， ESR的靈敏度較NMR高得多,ESR譜的解析,ESR譜與NMR譜不同，不同自由基相當(dāng)于化學(xué)位移 的g值變化很小，不能提供有用的結(jié)構(gòu)信息,ESR譜主要由超精細(xì)裂分及超精細(xì)裂分常數(shù)提供 結(jié)構(gòu)信息,超精細(xì)裂分,電子自旋與附近磁核自旋的相互作用所產(chǎn)生的ESR信號(hào)的偶合裂分稱為超精細(xì)裂分，可以提供有關(guān)自由基結(jié)構(gòu)的有用

15、信息，成為ESR譜的重要參數(shù)。,兩類重要的超精細(xì)裂分,一類是處于碳上的氫質(zhì)子與未成對(duì)電子之間的 電子-質(zhì)子偶合作用,另一類是處于碳上的氫質(zhì)子與未成對(duì)電子之間的 電子-質(zhì)子偶合作用,碳原子或更遠(yuǎn)碳原子上的氫質(zhì)子與未成對(duì)電子的 偶合常數(shù)很小，通常小于1G,若參與偶合的自旋為I的核有n個(gè)，則譜線數(shù)為2nI+1,例如，甲基自由基的孤電子可與三個(gè)質(zhì)子偶合， 譜線數(shù)為231/2+1=4，譜圖如下,又如，乙基自由基的譜線數(shù)為 (231/2+1)(221/2+1)=12，譜圖如下,超精細(xì)裂分常數(shù)的意義,裂分常數(shù)的大小與未配對(duì)電子的自旋密度成正比,式中： 分別表示與H和H的偶合常數(shù),為未配對(duì)電子在碳和碳上的自旋

16、密度,為常數(shù),對(duì)脂肪族自由基，由于超共軛效應(yīng)，常有：,例如，乙基自由基的 分別為22.38G和26.89G,思考題,將氧化劑Ti/H2O2與乙醚混合，用ESR檢測(cè)到自由 基的存在，譜圖如下，推測(cè)自由基的結(jié)構(gòu),芳基自由基的超精細(xì)裂分,-自由基由于未成對(duì)電子在體系中可以離域， 使得體系中每一個(gè)碳原子上都帶有部分未成對(duì) 電子的電荷密度，因此未成對(duì)電子與體系中所有 質(zhì)子都發(fā)生偶合,當(dāng)這些質(zhì)子為全同質(zhì)子時(shí)，得到的ESR譜較為簡(jiǎn)單， 例如，苯負(fù)離子自由基的ESR譜由7條線組成,對(duì)于取代苯負(fù)離子自由基，裂分的情況比較復(fù)雜， 例如，叔丁基苯負(fù)離子自由基的ESR譜如下,試給出合理的解釋,分析,譜圖有十重峰，分為

17、五組，說明是由五重峰裂分 而來的，裂分常數(shù)的大小為4.7G，而每一重峰又 裂分成二重峰，裂分常數(shù)為1.7G,從分子軌道入手，可以解釋譜圖的裂分。,還原時(shí)，電子應(yīng)當(dāng)加到最低空軌道上，即 或 上,對(duì)于苯，這兩個(gè)軌道是簡(jiǎn)并的，電子處于這兩個(gè) 軌道的幾率是一樣的，因此六個(gè)碳上未配對(duì)電子 的自旋密度相同,對(duì)于叔丁基苯，由于烷基的供電性，兩個(gè)軌道不再 是簡(jiǎn)并的， 的能量將比 低,未配對(duì)電子占據(jù) 時(shí)，在叔丁基對(duì)位碳上的自旋 密度為零，未配對(duì)電子分布在四個(gè)碳上，每個(gè)碳上 的自旋密度為1/4,因此： 譜線數(shù)=(241/21)=5,實(shí)測(cè)：,峰的再裂分是因?yàn)?有一定的影響，也即未配對(duì)電子在對(duì)位上的自旋密度不為零，因而每一個(gè)峰再裂分為二重峰,由此可以預(yù)測(cè)，若苯環(huán)上連有吸電子取代基，則生成負(fù)離子自由基時(shí)，未配對(duì)電子占據(jù) 軌道比較有利,裂分情況如何？,ESR在機(jī)理研究中的應(yīng)用實(shí)例,硝基鹵代苯與-氰基乙酸乙酯在強(qiáng)堿性介質(zhì)中發(fā)生 親核取代反應(yīng),反應(yīng)在60，70，80，90和100進(jìn)行時(shí)， 都可測(cè)得反應(yīng)中間體的ES