FREE RADICAL CHEMISTRY 自由基化学讲义
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π键所稳定——正如它们稳定碳正离子时那样——且稳定性顺序为3°＞2°＞1°。
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，相邻的孤对、π键或σ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、π键或σ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。
free radical chemistry(2)
C2H5O2CH2C C C R + BrCH2CO2C2H5 H2 H
C2H5O2CH2C C C R H2 H + CH2CO2C2H5
Addition of thiol to olefin
R + HSR'
H2C CHR''
RH
+
SR'
SR' +
R'SH2C CHR'' R'SH2C CH2R'' +
+ NO
H OH
O
H
H R R OH
OH
H R
NO
NO R
N OH
(4) Rearrangements of Radicals
1,5-Hydrogen migration: an intramolecular SH2 reaction. R + CCl4 RCl
H
+
CCl3
+
CCl3
H
CCl3 H
Hydrogen Atom Transfer
O R1 I R OR R
2 1
"H"
O OR
Chiral LA
R1 R2
O OR
Chiral LA
R2
"H"
OBn N I CH2OR O O N
MgI2 BnO Bu3SnH, CH2Cl2 -78 oC
O
H CH2OR O
R = Et, 84% yield, 65% ee
Cl H
H
CX4 addition to olefin: Kharasch reaction ROOR RO + CCl4 + RO ROCl CCl3 + CCl3
physical organic chemistry Chap.7 Free radical
O
O
O-O 偶合
一般来说，o-p, p-p, o-o偶合要比O-p, O-o偶合稍普遍，O-O偶合更少。从 ESR已测得这个环的SOMO的电子分布在邻位和对位有较高的布局数，故 邻，对位偶合较常见。
带电两可自由基包括：自由基正离子，自由基负离子。 2－甲基萘用Mn3＋处理时，生成自由基正离子：
α ＋ Mn3+ α α α
R· Kx(CN)/Kx(OMe)
Me· 46
n-Pr· 164
n-Bu· 203
s-Bu· 1.3*104
t-Bu· 3.5*105
SOMO/(ev)
-9.8
-8.1
-8.0
-7.4
-6.9
X = CN的LUMO比X = OMe的低，故反应速度都是前者快。 选择性最大的是t-Bu. ，因其有能量最高的SOMO。 选择性最小的是Me. ，因其有能量最低的SOMO。
CO2Me OAc
CO2Me .
OAc ......
CO2Me
CO2Me
.
CO2Me
相当于
Z .
具有低能量的SOMO，由于自由基紧接着部分空P轨道，两 个P轨道相互作用，相当于π键的形成，故使能量降低。对于 低能量的SOMO，烯烃的主要前线轨道是它的HOMO。
OAc
相当于
X
具有高能量的HOMO,故反应易发生。 上述新生自由基位于氧原子的旁边，相当于
2+ ＋ Mn
AcO AcO-e
H -H+
OAc
孤电子对位于萘的HOMO上（亦即自由基的SOMO） 它的最大系数在C1上，与另一个α－位相比，甲基 作为一个给电子取代基使这个位置的系数进一步增大。
化学综述：自由基
自由基与肿瘤的关系肿瘤是严重危害人类健康的常见疾病，而且近年来发病率呈逐渐上升趋势。
目前肿瘤的临床治疗主要是采用手术、化疗、放疗等疗法，但是这些方法除了能够对肿瘤肿瘤组织起到根除抑制作用外，还会造成人体正常细胞、乃至机体免疫功能的损伤。
肿瘤的发生机制非常复杂，很多因素尚未明了。
除了和基因、遗传、环境、感染等因素相关外，某些自由基的生成是肿瘤发生的重要机制之一。
自由基是在机器体缺血缺氧等因素作用下产生超氧阴离子，如过氧化氢H2O2等。
一、自由基的基本介绍1.自由基概念：自由基（free radicals），化学上又称游离基（radicals），特征是原子团或基团的外层轨道具有不成对的电子，这导致其性质活泼，极易与其他物质发生反应。
2.自由基性质与反应：自由基反应中最重要的是连锁反应，一般分为引发（iniation）、增殖（propagation）、终止（termination）3个阶段。
反应起始时引发阶段占主要地位，体系中新生自由基成为链式反应的开端；进行到一定阶段后反应物浓度降低，自由基头碰头几率增大，进入终止阶段。
因此在其中加入自由基清除剂，即可使反应受到抑制或者减慢速率，即为利用清除剂治疗自由基类疾病的理论基础。
3.生物体内的自由基：体内多种物质均能够产生自由基,因此自由基的种类很多。
其中作用最为广泛、受人研究最多的是活性氧ROS，其无论在人体的正常生理代谢还是在病理变化中均极为重要。
它们包括：超氧阴离子自由基、羟自由基、过氧化氢、氢过氧基、烷氧基、烷过氧基、氢过氧化物和单线态氧等。
二、自由基与肿瘤1.化学致癌物亲电子理论1)化学致癌物本身大部分无毒，只有代谢后才会成为具有致癌化学活性的产物。
2)具有致癌化学活性的中间产物是亲电子物。
3)亲电子的活性代谢产物与细胞大分子的负电荷亲核部位仅应启动致癌过程。
2.自由基诱发肿瘤与癌变的机理随着科学的进步，1929年Boveri提出的肿瘤细胞由体细胞突变的假说早已得到证实。
自由基生物学课堂PPT
19
脂类过氧化作用对于理解自由基对细胞的损伤也是 重要的。
38
Cu+ + H2O2
Cu 2+ + OH· + OH-
Fe2+ + H2O2
Fe3+ + OH． + OH-
当H2O2与紫外线结合使用时，对细菌和病毒的 杀伤能力比单独使用时强。这是由于紫外线可使 H2O2发生均裂而生成OH·的原因：
H2O2
紫外线
即R·可从不饱和脂肪酸分子上夺走氢，使其变成自 由基，……不饱和脂肪酸自由基再吸收氧而形成败酸。 败酸再和组织蛋白质结合形成脂褐质，俗称老年斑， 即动物和人的神经细胞、心脏、肝及皮肤在老年时出 现的点状或弥散状色素沉着。其反应通式如图1-1：
20
（-CH=CH-CH2-）+ R· RH +（-CH=CH-HC·-） O2
很多化合物，特别是含有弱键的有机化合物可以 发生热均裂反应，生成活泼的自由基。典型的例子 是热锅炒菜时，脂肪、蛋白质和糖类等有机营养物 发生的热均裂反应；抽烟时，烟草的不完全燃烧也 产生大量的自由基。
6
(2)光解
电磁辐射（可见光、紫外线、X射线）或粒子轰 击（如高能电子）都可提供使共价键裂解的能量而 形成自由基。如紫外线照射可使水发生均裂而生成 羟自由基（OH．）:
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加成反应：
OH·可与DNA中嘌呤或嘧啶的-C=C-发生加 成反应，生成嘌呤或嘧啶自由基，这些自由基 再发生一系列的反应，最终引起DNA链的断 裂，严重损伤DNA，以至于不能修复，使细 胞死亡。即使活着也会发生突变（或癌变）。
高等有机化学教案自由基radical
高等有机化学教案之自由基（Radical）第一章：自由基概述1.1 自由基的定义与特性1.2 自由基的产生与检测1.3 自由基的重要反应及应用第二章：自由基的产生与衰变2.1 热引发的自由基反应2.2 光引发的自由基反应2.3 自由基的衰变过程第三章：自由基的加成反应3.1 自由基加成反应的机理3.2 自由基加成反应的类型及特点3.3 自由基加成反应在有机合成中的应用第四章：自由基的消除反应4.1 自由基消除反应的机理4.2 自由基消除反应的类型及特点4.3 自由基消除反应在有机合成中的应用第五章：自由基的聚合反应5.1 自由基聚合反应的机理5.2 自由基聚合反应的类型及特点5.3 自由基聚合反应在材料科学中的应用第六章：自由基反应的调控与应用6.1 自由基反应的调控策略6.2 自由基反应在有机合成中的应用6.3 自由基反应在材料科学中的应用第七章：自由基反应的机理研究7.1 自由基反应的实验研究方法7.2 自由基反应的计算化学研究方法7.3 自由基反应机理的案例分析第八章：自由基反应的动力学8.1 自由基反应的动力学方程8.2 自由基反应速率常数的测定8.3 自由基反应动力学在有机合成中的应用第九章：自由基反应的生物化学应用9.1 自由基在生物体内的与清除9.2 自由基在生物体内的作用及机制9.3 自由基反应在药物设计与生物制药中的应用第十章：自由基反应的环境影响与应用10.1 自由基反应在大气化学中的应用10.2 自由基反应在水处理中的应用10.3 自由基反应在其他环境领域中的应用重点和难点解析重点一：自由基的定义与特性自由基是化学反应中非常重要的一类中间体，具有未成对的电子，具有高度的反应活性。
在有机化学反应中，自由基的、反应及终止过程是理解和掌握有机化学反应机理的关键。
重点二：自由基的产生与检测自由基的产生途径有热引发、光引发等，检测方法包括电子自旋共振（ESR）光谱、气相色谱（GC）等。
自由基概论——精选推荐
前言§1.1 自由基概论自由基学说是英国学者Harman[1-4]于1956年最早提出的，该学说认为自由基攻击生物大分子造成组织损伤，是引起机体衰老的主要原因，也是诱发肿瘤等恶性疾病的重要原因。
自由基（free radical）具有高度的化学反应活性，是人体生命活动中多种生化反应的中间代谢产物。
在正常情况下，人体内自由基处于不断产生和消除的动态平衡中。
适量自由基的存在对机体正常代谢的维持是必不可少的，其主要作用如下：[5]1.增强白细胞的吞噬作用，提高杀菌效果;2.参与肝脏的解毒作用;3.参与多种物质的合成，如前列腺素，凝血酶原等;4.参与核糖核苷的还原。
但在自由基产生过多或消除过慢时就造成自由基在体内的积累，它通过攻击大分子物质及各种细胞器，从而造成机体在分子水平、细胞水平及组织器官水平的各种损伤，加速机体衰老进程并诱发各种疾病。
§1.1.1自由基的产生细胞在正常的代谢过程（如细胞内酶的催化活动、电子的传递过程、细胞成分的自动氧化以及杀死微生物的吞噬作用）中，或者受到高能辐射，以及由于高压氧、药物（抗癌药、抗菌素、杀虫剂和麻醉剂等）、香烟烟雾和光化学空气污染物等作用，都会刺激机体产生活性氧自由基，表1概括了机体内活性氧自由基的产生途径[5]。
表1 自由基产生途径物理因素 A. X-ray→水解裂→H·+OH→+O2→O2· -B. 光电离→R·→+O2→O2· - +H+→+O2→O2· -+RC光激发→+O2→O2·化学因素 A. 无机的：M+ +O2→M2++O2· -B. 有机的：RH +O2→R·+O2· - +H+→+O2· -+R生化因素 A. 酶催化(正铁血红蛋白Fe2+) +O2→(正铁血红蛋白Fe3+) +O2· -B. 酶催化（1）膜酶：线粒体，微粒体和脂膜（2）可溶酶：胞外酶（如血浆铜蓝蛋白酶）胞内酶（如黄嘌呤氧化酶、过氧化物酶等）机体内自由基的产生以酶催化反应最为重要。
自由基的基本知识PPT课件
LOO· + L·→ LOOL（过氧化脂质）
LOOL → LO· + ·OL（氧化脂质自由基）
↓
可以损伤蛋白质、核酸、糖类、生物膜
-
22
抑制
L· + O2 → LOO·
LOO·+ LH → LOOH（脂质氢过氧化物）
LOOH 歧化 酮 + 醇
反应终止
在反应体系中加入氧可判断是否为自由基反应
① 测速度
H+ +OH-
H2O - H·+ ·OH
12
2.自由基的特征：具有未配对的电子 自由基的表示方法： 在分子式右上角加一个黑点 ． 如H· ·OH
3.自由基的特点：极不稳定、寿命很短、 性质活泼
-
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二、 自由基的产生
1.共价键的热分解 如：过氧化二苯甲酰 △
2苯甲酰自由基
易进行热分解的共价键：
过氧化物 ROOR ROOH
是一门内容丰富的交叉学科，它涉及物理、化 学、生物、医学等多种学科领域．
-
3
一、自由基生物学的诞生
自由基（游离基）：具有未配对电子的原
子、原子团或分子。
如：H· 氢自由基
·OH 羟自由基
·CCI3 三氯甲烷自由基 L· 脂质自由基
LO· 氧化脂质自由基
LOO· 过氧化脂质自由基
-
4
1900年 三苯甲基自由基 确定了自由基的概念 1929年 寿命更短的甲基自由基和乙基自由基 1937年 认识到白由基作为化学实体参加化学反应
-
6
二、自由基的生物学意义
在正常的生命过程中自由基是维持生命所必需 的，但它对生物大分子具有损伤作用。故机体在 不断产生自由基的同时又在不断清除，维持动态 平衡。如果平衡失调就会导致细胞衰老活细胞损 伤，引起疾病。
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CIDNP (Chemically Induced Dynamic Nuclear Polarization) (化学诱导动态核极化）
化学诱导动态核极化的一般原理
1、正常情况下，中性分子处于磁场中，高能态的质子数目略低于低能态的质子数：NMR 波谱的强度取决于高、低能态质子的数目； 2、在自由基反应中，由于未配对电子和质子的相互作用，使自由基中的质子发生极化作 用，进而导致高、低能态质子的数目的分布发生变化； 3、即使是中间体自由基已经变成抗磁性的稳定产物，这种质子的极化现象仍可保持若干 分钟，这样，记录下来的被激化的质子的NMR图谱（CIDNP）表现出特殊的强度； 4、若低能态中极化质子数目多，将有强的NMR吸收波谱；若高能态中极化质子数目多， 在高频辐射影响下，处在高能态的极化质子将回到低能态，随之产生发射的NMR波谱（ 即负吸收）。
R
R'
R' R
１、两个自由基缔合成对时，则自由基上的两个电子相互作用 必将产生单线态和三线态； ２、如果是单线态，因为自旋配对，可以成键； ３、如果是三线态，则由于自旋不配对，不能成键。
基态的有机分子 加热 单线态
基态的有机分子 hv 单线态
自由基
可以笼内再结合
单线态（S) 自由基 三线态(T)
1. The concept of free radical
Gomberg认为：
2 (C6H5)3C
(C6H5)3C C(C6H5)3
1968年，NMR技术
H (C6H5)3C
C6H5 C6H5
benzene
2 (C6H5)3C
自由基：一类带有未配对电子的原子或分子： 甲基自由基，NO 中性自由基，带电荷的自由基
2 (C6H5)3CBr + 2 Ag
(C6H5)3C C(C6H5)3 +
白色固体 元素分析：证明白色固体并非六苯基乙烷
2 AgBr
黄色溶液 无氧
空气
2 (C6H5)3C + O2
白色固体 (C6H5)3COOC(C6H5)3 白色固体
2 (C6H5)3C + I2
2 (C6H5)3C I
Chapter 9. Free Radical Chemistry
O C6H5 C N C(CH3)3
H
+R
O2N R
NN
NO2
O2N
colourless
HO C6H5 C N C(CH3)3
R
stable radical
4. Characterization of Free Radicals
ESR (Electron Spin Resonace) (电子顺磁共振）
+133
2. Radical production
Photochemical Homolysis
Cl2
hv
2 Cl
Br2
hv 2 Br
ROCl
hv
RO + Cl
RSSR
hv
2 RS
O
hv
O
RR
+R R
RONO
hv
RO + NO
R + CO
RO N N OR
hv sensitizer
2 RO + N2
krel
1 0.3 1600 60
1 0.06 903 2500 7.7 x 106 106 very fast
/kJ mol-1
160 165 130 139
24Байду номын сангаас 245 180 190 156 155 125 372
S/J K-1 mol-1
+45 +45 +48 +12
+78 +59 +11 +76 +17 +17
C2H5
H3C H3C
C2H5 C2H5
C2H5 CH3 + CH3
C2H5
meso
CH3 C2H5 CH3
C2H5
dl
H3C CH3
hv or heating N N
H3C
CH3
H3CO2C + N2 H3CO2C
CH3 CO2CH3 H3C
CO2CH3
H3C CH3
CO2CH3 CO2CH3
3. The relative stability of the free radicals
(I) Me
heating 450 C
Me-Me
Me-Me + PbMe4
2. Radical production
Thermal Homolysis of Peroxy Compounds and Azoalkanes
C2H5O OC2H5
134-185 oC (gas phase)
2 C2H5O
(CH3)3COH + (C2H5)3Si R + (C2H5)3SiBr
2. Radical production
Oxidation and Reduction
HOOH +
Fe2+
HO + OH + Fe3+
(C6H5)3CCl + Ag
(C6H5)3C
+ AgCl
O
t-Bu
Bu-t
2
+ Hg
Br CH3
Cl
Cl
Cl
Cl Cl Cl
Cl Cl
Cl
Cl
Cl Cl
Cl
Cl
Cl
固态无限期稳定，<300oC
是热稳定的
可在溶液中长期保存
4. Characterization of Free Radicals
Chemical method
O2N
NN
R NO2
O2N 紫色 (DPPH)
For unstable free radical
Chapter 9. Free Radical Chemistry
1. The concept of free radical Lavoisier, 1889: “基”的概念，如甲基这样的基团； Oswald，1896: 自由基是不能分离的物质； Gomberg，1900：首次制备出稳定的所谓“三苯甲基”自由基；
2. Radical production
Thermal Homolysis of Peroxy Compounds and Azoalkanes
NC
CN
H3C C N N C CH3
H3C
CH3
AIBN
66-72 oC
NC
2 H3C C H3C
+ N2
H++ 31.2 kcal mol-1 S++ +12.2 cal mol-1K-1
电子顺磁共振的一般原理
NMR：观察具有磁矩的原子核的自旋谱
ESR：观察电子的自旋谱
1、运动的电子具有磁矩； 2、当分子中电子配对时，由于自旋相反，不产生净电子自旋和磁矩； 3、当分子中含有未配对的电子时，则有净电子自旋和相应的磁矩； 4、电子磁矩在外磁场中可产生电子自旋共振。
spin vector H0
intensity
magnetic field Ho
electron-proton coupling: coupling constant
a
H H
H
a = 2.3 x 10-3 T
H H
H
H H
H
1:1 1:2:1 1:3:3:1
ESR (Electron Spin Resonace) (电子顺磁共振）
Table. 一些C-H键的均裂能（k J mol-1）
分子
均裂能（k J mol-1）
分子
均裂能（k J mol-1）
H3C H
423
F3C H
444
H3CH2C H
402
HOH2C H
385
(H3C)2HC H
385
H3COCH2C H
385
C6H5H2C H
356
NC C H
360
H2
CH3 CH2 > H3C C
2. Radical production
Photochemical Homolysis
hv
O
O O C(CH3)3 O thermally stable at room temperature
(CH3)3CO
hv
(H3C)3C O O C(CH3)3
2 (CH3)3CO
(CH3)3CO + (C2H5)3SiBr (C2H5)3Si + RBr
微波部分
微波 发生器
S
试样 共振腔
N 电磁体
分光计
信号 放大器
示波器 或记录仪
ESR (Electron Spin Resonace) (电子顺磁共振）
电子自旋与核自旋的偶合：导致ESR谱的裂分
n个等同的核，可以谱线裂分为2n x I + 1个峰 不同的核，I值不同，1H、13C、19F为1/2
2H、14N为1
CH3
电子效应
共振效应
CH2
CH3
> HC
>
CH3
CH2
H HC >
H
CH2
F FC
F
CH2
The relative stability of the free radicals