第二節(jié)　烯烴的自由基型加成反應(yīng)

烯烴除了可以發(fā)生親電加成外，還可以發(fā)生自由基型加成反應(yīng)。自由基具有親電性，烯烴能與很多化合物進(jìn)行自由基加成反應(yīng)，如鹵素（Cl₂、Br₂）、鹵化氫（HBr）、多鹵代甲烷（CCl₄、CBr₄、BrCCl₃、BrCHCl₂、CHBr₃、CHCl₃，CHI₃等）、烴、醇、醛、羧酸、酯、硫醇等。此外，烯烴通過自由基加成聚合反應(yīng)可以得到許多高分子化合物。

一、烯烴與鹵素的自由基型加成反應(yīng)

烯烴可以與鹵素發(fā)生自由基型加成反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理如下：

常用的溶劑是四氯化碳等惰性溶劑，若反應(yīng)物為液體，也可不使用其他溶劑。

雙鍵上具有吸電子基團(tuán)的烯烴，容易發(fā)生自由基型加成反應(yīng)。

又如樟腦代用品全氯乙烷的合成。

全氯乙烷（Perchloroethane），C₂Cl₆，236.80。無色結(jié)晶性粉末，具有樟腦氣味，易揮發(fā)。mp 183～187℃（封管）。溶于乙醇、乙醚、苯、氯仿和油類。不溶于水。

制法　張大國.精細(xì)有機(jī)單元反應(yīng)合成技術(shù)——鹵化反應(yīng)及其實例.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：4.

將脫水的四氯乙烯（2）加入反應(yīng)瓶中，用強(qiáng)光照射，慢慢通入氯氣，反應(yīng)溫度逐漸升高，最后保持在90～100℃，繼續(xù)通入氯氣。當(dāng)反應(yīng)液由渾濁變淸，并且通氯導(dǎo)管中出現(xiàn)結(jié)晶時，氯化達(dá)到終點。停止通入氯氣，提高溫度至120℃，排出反應(yīng)瓶中多余的氯氣。將反應(yīng)物倒入沸水中，加入1％的碳酸鈉溶液和5％的尿素溶液，充分?jǐn)嚢枰猿ヂ取Ｓ盟浞窒礈旌罄鋮s結(jié)晶，抽濾，水洗，于40℃干燥，得化合物（1），收率72％以上。

苯在光照條件下與氯氣反應(yīng)，生成六氯環(huán)己烷，其有九種異構(gòu)體，γ-異構(gòu)體具有殺蟲作用（六六六），曾作為農(nóng)藥使用，由于殘留嚴(yán)重已經(jīng)禁止使用。

菲在光照條件下與溴反應(yīng)，可生成9，10-二溴化物。

硫酰氯也是常用的氯化劑，在自由基引發(fā)劑、光照或加熱時可進(jìn)行自由基型反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理如下：

炔烴與碘或氯的加成，光催化發(fā)生自由基型反應(yīng)，主要得到反式二鹵代烯烴。炔烴與碘也可在催化劑作用下發(fā)生加成反應(yīng)。例如：

硝酸鈰銨（CAN）-溴化鉀體系可以使雙鍵生成鄰二溴化物。該反應(yīng)可能的機(jī)理是自由基型反應(yīng)。有機(jī)合成中間體1，2-二溴乙苯（10）的合成如下（Nair V，Panicker S B，Augustine A，et al.Tetrahedron，2001：57，7417）。

反應(yīng)機(jī)理如下：

二、與溴化氫的自由基加成反應(yīng)

1933年，Kharasch M S等在研究不對稱烯烴與溴化氫的加成反應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)的產(chǎn)物取決于反應(yīng)條件。在暗處無氧時，產(chǎn)物符合馬氏規(guī)則，而在光照或有過氧化物存在時，是一個反馬氏規(guī)則的加成反應(yīng)。并指出，在暗處無氧時的反應(yīng)屬于親電加成，而在光照或過氧化物存在下的反應(yīng)屬于自由基型反應(yīng)。過氧化物的存在使試劑生成自由基，后來稱為過氧化物效應(yīng)（peroxide effect），又稱Kharasch效應(yīng)。

在四種鹵化氫（HF、HCl、HBr、HI）中，只有溴化氫在過氧化物影響下與烯烴按自由基型機(jī)理進(jìn)行加成反應(yīng)，不對稱烯烴生成反馬氏規(guī)則的加成產(chǎn)物。例如：

反應(yīng)機(jī)理如下。

反應(yīng)的區(qū)域選擇性取決于生成的自由基的穩(wěn)定性。溴自由基進(jìn)攻丙烯雙鍵的不同碳原子時，可能生成兩種自由基[1]和[2]，[1]是仲碳自由基，而[2]是伯碳自由基，顯然，[1]比[2]穩(wěn)定，更容易生成。所以，上述反應(yīng)主要是通過仲碳自由基中間體進(jìn)行的。在自由基加成反應(yīng)中，自由基進(jìn)攻的是能夠形成最穩(wěn)定的加成自由基的雙鍵碳原子。

值得指出的是，過氧化物效應(yīng)只限于溴化氫。氯化氫和碘化氫都不能進(jìn)行上述自由基型加成反應(yīng)。氯化氫中氫氯鍵比氫溴鍵強(qiáng)得多，需較高的活化能才能使氯化氫均裂成自由基，這就阻礙了鏈引發(fā)，結(jié)果使反應(yīng)不能進(jìn)行，碘化氫是因為碘原子與雙鍵加成要求較高的活化能，使鏈增長難以進(jìn)行，所以也不能進(jìn)行自由基加成反應(yīng)。

利用烯烴與溴化氫的親電加成和自由基型加成，可以得到不同的溴代物。

例如醫(yī)藥氯丙嗪、三氟拉嗪、奮乃靜、氯丙咪嗪、炎痛靜、鹽酸多塞平、泰爾登等的中間體1-溴-3-氯丙烷的合成。

1-溴-3-氯丙烷（1-Bromo-3-chloropropane），C₃H₆BrCl，157.44。無色液體。mp 142～143℃。，n_D1.4851。溶于乙醇、乙醚、氯仿，不溶于水。

制法　Traynham J G，et al.J Org Chem，1957，21：702.

于反應(yīng)瓶中加入新分餾過的3-氯丙烯（2）38 g（0.5 mol），冰水浴冷卻，用低壓紫外燈照射，慢慢通入相當(dāng)于3-氯丙烯投料量1.1～1.2倍的溴化氫氣體，約2～8 h通完。反應(yīng)液用水、3％的碳酸氫鈉各洗滌三次，水洗至中性。無水氯化鈣干燥過夜，減壓分餾，先蒸出低沸物，再收集68～69℃/7.9 kPa的餾分，得1-溴-3-氯丙烷（1）61.5 g，收率78％。

工業(yè)上可以采用過氧化苯甲酰進(jìn)行引發(fā)合成1-溴-3-氯丙烷。大致過程如下：于1500 L搪瓷反應(yīng)釜中加入烯丙基氯400 kg，過氧化苯甲酰5 kg，攪拌下冷卻，保持反應(yīng)液10℃左右。于另一1000 L搪瓷反應(yīng)釜中加入氫溴酸450 kg，溴化鈉160 kg，夾套通入蒸汽，使內(nèi)溫達(dá)到60℃。緩慢滴加濃硫酸，內(nèi)溫逐漸達(dá)到85℃，保持溫度在85～90℃。將生成的溴化氫氣體通入前一反應(yīng)釜的底部，控制溴化氫的流量約20 L/h，反應(yīng)液溫度在20℃。用氣相色譜跟蹤反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，用400 kg水洗滌，再用2.0％的氫氧化鈉溶液250 kg洗滌，最后用300 kg水洗滌。用無水氯化鈣50 kg干燥24 h。過濾，精餾（塔高7 m，直徑400 mm），先加熱至150℃，將130℃以前的餾分蒸出，而后減壓蒸餾，收集70℃以上/0.07 MPa的餾分，得產(chǎn)物。

有機(jī)合成中間體11-溴-11烷酸的合成如下：

其他端基溴化物也可以采用類似的方法來合成。

又如經(jīng)典的Sternbach生物素合成法中所需的側(cè)鏈1-溴-3-乙氧基丙烷的合成。

1-溴-3-乙氧基丙烷（1-Bromo-3-ethoxypropane），C₅H₁₁BrO，167.04。無色油狀液體。bp 149～151℃。

制法　王燕，陳建輝，葉偉東.中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2004，35（4）：203.

3-乙氧基丙烯（3）：在攪拌器、滴液漏斗、回流冷凝器的500 mL三口燒瓶中，加入無水乙醇200 mL，分次加入金屬鈉25.3g（1.1 mol），攪拌回流至鈉消失。回流滴加烯丙基氯（2）76.5g（1.0 mol），約1h加完。加完后繼續(xù)回流3h，GC監(jiān)測反應(yīng)。冷卻，濾除氯化鈉。濾液常壓蒸餾，收集63～67℃餾分，得無色油狀物（3）85.6g，收率99.3％。

1-溴-3-乙氧基丙烷（1）：于安有攪拌器、溫度計、通氣導(dǎo)管的反應(yīng)瓶中，加入3-乙氧基丙烯（3）86 g，石油醚200 mL，過氧化苯甲酰2.42 g，冰鹽浴冷卻。于-5～0℃慢慢通入溴化氫氣體（經(jīng)過1，2，3，4-四氫萘洗滌瓶以除去其中少量的溴），尾氣用5％的氫氧化鈉溶液吸收。用GC跟蹤反應(yīng)，4 h后反應(yīng)結(jié)束。用10％的亞硫酸氫鈉洗滌2次，水洗至中性，無水硫酸鈉干燥。過濾，蒸餾，收集147～151℃的餾分，得化合物（1）149.7 g，收率89.6％。

實驗結(jié)果也證明，烯烴與溴化氫的自由基加成反應(yīng)如果在低溫下進(jìn)行，反式加成占優(yōu)勢。

為了解釋反式加成的立體選擇性，認(rèn)為加成是通過一個“橋”自由基（環(huán)狀溴自由基）進(jìn)行的，很像溴對烯烴的離子型加成中涉及到的環(huán)狀溴離子：

炔烴也能與溴化氫發(fā)生過氧化物效應(yīng)。利用烯烴或炔烴與溴化氫的親電加成和自由基型加成，可以得到不同的溴化物。

三、烯烴與多鹵代甲烷的自由基型加成反應(yīng)

許多多鹵代甲烷都能與烯烴發(fā)生自由基加成反應(yīng)，多鹵甲烷有氯仿、四氯化碳、一溴三氯甲烷、溴仿、一碘三氟甲烷等。這些多鹵代甲烷衍生物的活性順序是：碘代烷>溴代烷>氯代烷。其中最常用的是BrCCl₃。該類反應(yīng)稱為Khara sch反應(yīng)。四鹵甲烷的活性大小次序為：CCl₃I、CCl₃Br、CCl₄。若用CF₃I，則C—I鍵斷裂。當(dāng)BrCCl₃進(jìn)行加成反應(yīng)時，是C—Br鍵而不是C-Cl鍵斷裂，因為C—Br鍵比C—Cl鍵弱。反應(yīng)機(jī)理如下：

利用此反應(yīng)可以制備1:1的加成物，分子中都含有—CCl₃基團(tuán)，它可轉(zhuǎn)變成羧基，故此反應(yīng)是制備羧酸及其衍生物的一種方法。

丙烯與四氯化碳在過氧化苯甲酰存在下反應(yīng)，生成1，1，1-三氯-3-氯丁烷，水解生成β-氯代丁酸。

該類反應(yīng)可以被光、自由基引發(fā)劑、無機(jī)鹽、釕配合物、其他過渡金屬配合物等引發(fā)。

在釕絡(luò)合物引發(fā)下，烯烴也可以與磺酰氯發(fā)生自由基型反應(yīng)，例如：

上述反應(yīng)大多數(shù)情況下均能得到1:1加成物，但調(diào)聚反應(yīng)是主要的副反應(yīng)。若加入過量多鹵代甲烷或加入氯化銅、三氯化鐵及安息香，均可減少副反應(yīng)。

在氯化銅存在下，單烯烴與四氯化碳反應(yīng)，可以得到90％收率的1:1加成產(chǎn)物。例如：

氯仿在三氯化鐵和苯偶姻存在下可以與烯烴發(fā)生自由基型加成反應(yīng)。例如（Vifsi D，Asscher M.Org Synth，1973，Coll Vol 5：1076）：

決定自由基加成方向的因素較多，影響因素十分復(fù)雜，但基本規(guī)律是第一步與自由基結(jié)合后，生成的新自由基越穩(wěn)定，則越容易生成，從而決定了自由基加成的方向。張自義曾對該問題進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)[張自義.大學(xué)化學(xué)，1997，12（5）：28]。

四、烯烴與鹵代卡賓的反應(yīng)

重氮甲烷或乙烯酮經(jīng)光解或熱解生成卡賓（又叫碳烯）：

卡賓的碳原子只有6個價電子，其中兩個電子為未成鍵電子。這兩個電子可以在一個軌道中（單線態(tài)），也可以分散在兩個軌道中（三線態(tài)），因此卡賓有兩種存在形式。

單線態(tài)卡賓能量較高，較不穩(wěn)定。其碳原子為sp²雜化，兩個未成鍵電子占據(jù)一個sp²雜化軌道，其余兩個sp²軌道分別與兩個氫原子的1s軌道生成兩個C—H鍵，未參與雜化的p軌道中無電子。三線態(tài)卡賓能量較低，是較穩(wěn)定的形態(tài)。其碳原子為sp雜化，兩個sp軌道分別與兩個氫原子成鍵，未參與雜化的兩個p軌道中分別占據(jù)一個電子，且其自旋方向相同。

卡賓是一種活性中間體，存在的時間極短，一般在反應(yīng)過程中產(chǎn)生，并立即參加反應(yīng)。能與不飽和鍵發(fā)生加成反應(yīng)，與C—H、O—H、C—Cl鍵發(fā)生插入反應(yīng)等。

卡賓與烯烴或炔烴反應(yīng)，生成環(huán)丙烷的衍生物，例如：

單線態(tài)卡賓與烯烴的加成是一步完成的協(xié)同反應(yīng)，總是順式加成，為立體專一性反應(yīng)。順式烯烴與卡賓反應(yīng)得到順式環(huán)丙烷衍生物，而反式烯烴則得到反式環(huán)丙烷衍生物。例如：

三線態(tài)卡賓是一個雙自由基，與烯烴加成按自由基型機(jī)理，分兩步進(jìn)行。

由于生成的中間體有足夠的時間沿著碳碳單鍵旋轉(zhuǎn)，所以得到順、反兩種異構(gòu)體。

卡賓也能與苯反應(yīng)，生成環(huán)庚三烯或其衍生物。

在如下反應(yīng)中，重氮化合物與丙烯腈反應(yīng)，生成環(huán)氧丙烷衍生物2，2-二苯基環(huán)丙烷-1-甲腈，是心臟病治療藥琥珀酸西苯唑啉的中間體。

2，2-二苯基環(huán)丙烷-1-甲腈（2，2-Diphenylcyclopanecarbonitrile），C₁₆H₁₃N，219.29。固體。

制法　陳芬兒.有機(jī)藥物合成法：第一卷.北京：中國醫(yī)藥科技出版社，1999：279.

于反應(yīng)瓶中加入二苯基重氮甲烷（2）97g（0.5 mol），氯仿300 mL，于40℃攪拌下滴加丙烯腈29.2 g（0.55 mol），控制滴加溫度不超過40℃。加完后繼續(xù)攪拌反應(yīng)5 h，呈無色液體。減壓回收溶劑，剩余物中加入戊烷400 mL，攪拌溶解后，再減壓濃縮，冷卻，得化合物（1）93.1 g，收率85％。

氯仿在強(qiáng)堿（例如醇鈉、50％的氫氧化鈉水溶液等）作用下，可生成二氯卡賓，其與烯鍵加成生成二氯三元環(huán)化合物。

抗炎藥舒洛芬（Suprofen）、環(huán)氧洛芬鈉（Loxoprofen Sodium）等的中間體阿托醛的合成如下。

阿托醛，α-亞甲基-苯乙醛（Atropaldehyde，α-Methylenebenzeneacetalde-hyde），C₉H₈O，132.16。無色結(jié)晶。mp 38～40℃。

制法　①林原斌，劉展鵬，陳紅飚.有機(jī)中間體的制備與合成.北京：科學(xué)出版社，2006：270 .②Crossland I.Org Synth，1990，Coll Vol 7：12.

1，1-二氯-2-苯基環(huán)丙烷（3）：于安有攪拌器、溫度計、回流冷凝器的反應(yīng)瓶中，加入苯乙烯（2）57 mL（0.5 mol），氯仿50 mL，芐基三乙基氯化銨2 g，二氯甲烷25 mL和50％的氫氧化鈉溶液154 g，于40～45℃劇烈攪拌反應(yīng)1 h（反應(yīng)放熱）。而后于55～60℃攪拌反應(yīng)1 h。加入250 mL水。冷卻后分出有機(jī)層，水層用石油醚提取。合并有機(jī)層，無水硫酸鈉干燥，過濾。濾液減壓濃縮，而后減壓分餾，收集118～120℃/2.13 kPa的餾分，得1，1-二氯-2-苯基環(huán)丙烷（3）80～82g，收率86％～88％。

阿托醛縮二乙醇（4）：于安有攪拌器。回流冷凝器的反應(yīng)瓶中，加入上述化合物（3）18.7 g（0.1 mol），氫氧化鈉16 g（0.4 mol），160 mL乙醇，攪拌下加熱回流24 h。加入200 mL水，用石油醚提取3次，每次50 mL。合并有機(jī)層，無水硫酸鈉干燥，減壓濃縮至干。減壓分餾，收集70～100℃/66.5 Pa的餾分，得阿托醛縮二乙醇（4）14～15 g，收率68％～73％。

阿托醛（1）：于安有攪拌器、溫度計的反應(yīng)瓶中，加入化合物（4）15 g，冰鹽浴冷至4℃，攪拌下加入甲酸15 mL與水4 mL的混合液，降溫至-4℃，攪拌1 min后加入石油醚15 mL和25 mL水。分出有機(jī)層，水層用石油醚提取2次。合并有機(jī)層，無水硫酸鎂干燥，減壓旋轉(zhuǎn)濃縮至干。加入10 mL石油醚和10 mL乙醚，于-50℃冷凍30 min。過濾，冷石油醚洗滌，干燥，得阿托醛（1）5.8～6.8 g，收率60％～70％。

又如藥物合成中間體3-氯-4-甲基喹啉的合成（Kwon S，NishimuraY，Ikeda M，Tamura Y.Synthesis，1976：249）。

四溴甲烷在堿性條件下可以生成二溴卡賓，后者與烯鍵反應(yīng)生成二溴三元環(huán)化合物，發(fā)生消除、重排后生成累積二烯類化合物（13）。

很多鹵代烷烴在堿性條件下可以生成鹵代卡賓。其難易順序如下：CHI₃、CHBr₃、CHBr₂Cl、CHBrCl₂～CHCl₂I、CHBr₂F、CHCl₃、CHBrClF、CHCl₂F等。總的趨勢是：碘化物、溴化物、氯化物、氟化物。

碳烯與烯烴、炔烴的加成反應(yīng)是制備環(huán)丙烷及其衍生物的重要方法。合成中常使用Simmons-Smith試劑。該試劑是由二碘甲烷與鋅-銅齊制得的有機(jī)鋅試劑，它雖然不是自由的卡賓，但可以進(jìn)行像卡賓一樣的反應(yīng)，一般稱為類卡賓。該方法不僅操作簡便，而且產(chǎn)率較高。分子中的鹵素、羥基、羰基、酯基、氨基等反應(yīng)中均不受影響。

例如：

疊氮化合物在加熱或光照下失去氮而生成氮烯。氮烯也有三線態(tài)和單線態(tài)之分，單線態(tài)氮烯與烯烴反應(yīng)按協(xié)同機(jī)理進(jìn)行，具有高度的立體定向性，而三線態(tài)氮烯則按分步機(jī)理進(jìn)行，不具有立體定向性。氮烯與烯烴反應(yīng)是制備環(huán)丙胺衍生物的方法之一。例如：

超聲波可以用于二氯卡賓與烯烴的反應(yīng)。

2，2，6，6-四甲基哌啶鋰是一種無親核性的強(qiáng)胺基堿，可以選擇性地奪取碳-氫鍵的氫，可以將芐基氯轉(zhuǎn)變?yōu)楸交ㄙe，而其他的強(qiáng)堿往往容易發(fā)生取代反應(yīng)。例如：

二氟卡賓可以由苯基三氟甲基汞與碘化鈉一起加熱生成，也可以由二氟二鹵甲烷與三苯基膦反應(yīng)來得到。

一氯卡賓可以由二氯甲烷與甲基鋰在乙醚中反應(yīng)產(chǎn)生，當(dāng)反應(yīng)體系中有烯烴時會發(fā)生加成反應(yīng)。例如：

一溴卡賓不容易得到，常用二溴環(huán)丙烷的半還原來制備一溴環(huán)丙烷。利用乙基鋅與溴仿在氧存在下反應(yīng)，可以比較方便地得到一溴類卡賓，其與烯烴反應(yīng)可以生成一溴環(huán)丙烷。

一氟一溴卡賓可以由一氟二溴甲烷在堿性條件下發(fā)生消除來生成。抗菌藥西他沙星中間體2-氟環(huán)丙烷甲酸乙酯（14）可以由丁二烯經(jīng)四步反應(yīng)來制備。其中第一步是生成在一氟一溴卡賓與雙鍵在反應(yīng)。

一碘卡賓可以由碘仿的二氯甲烷溶液與氫氧化鈉水溶液光照下進(jìn)行雙相反應(yīng)來得到。若有烯烴存在，則會發(fā)生加成反應(yīng)。例如農(nóng)藥擬除蟲菊酯甲氰菊酯（Fenpropathrin）等的中間體2，2，3，3-四甲基碘代環(huán)丙烷的合成。

2，2，3，3-四甲基碘代環(huán)丙烷（2，2，3，3-Tetramethyliodocyclopropane），C₇H₁₃I，224.08。澄清液體。bp 45～48℃/0.67 kPa，。

制法　Marolewski T A，Yang N C.Org Synth，1972，52：132.

于安有磁力攪拌器的三個250 mL反應(yīng)瓶中，分別加入2，3-二甲基-2-丁烯（2）8，4 g（0.1 mol），二氯甲烷175 mL，50 mL 5 mol/L的氫氧化鈉水溶液。冰水浴冷卻，用450 W的中壓汞燈照射反應(yīng)瓶（距離1 cm）。每個反應(yīng)瓶加入2 g碘，劇烈攪拌，直至碘的黃色消失。繼續(xù)分批加入碘，直至加入39.4 g（0.1 mol）的碘。反應(yīng)結(jié)束后，三瓶中的反應(yīng)物合并，分出有機(jī)層，水洗，無水硫酸鈉干燥。過濾，旋轉(zhuǎn)濃縮。剩余物中加入1 g甲醇鈉，減壓分餾，接收器用冰浴冷卻，收集45～48℃/0.67 kPa的餾分，得化合物（1）14～15g，收率63％～67％。。

烯烴與溴仿在叔丁醇鉀存在下反應(yīng)，可以生成1，1-二溴環(huán)丙烷衍生物，后者用活潑金屬如鈉、鎂處理，可以生成丙二烯衍生物。該反應(yīng)稱為DoeringLaFlamme丙二烯合成法。