第二節(jié) 烯烴的自由基型加成反應
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。自由基具有親電性，烯烴能與很多化合物進行自由基加成反應，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
烯烴可以與鹵素發(fā)生自由基型加成反應，反應機理如下：
常用的溶劑是四氯化碳等惰性溶劑，若反應物為液體，也可不使用其他溶劑。
雙鍵上具有吸電子基團的烯烴，容易發(fā)生自由基型加成反應。
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.精細有機單元反應合成技術——鹵化反應及其實例.北京：化學工業(yè)出版社，2009：4.
將脫水的四氯乙烯（2）加入反應瓶中，用強光照射，慢慢通入氯氣，反應溫度逐漸升高，最后保持在90～100℃，繼續(xù)通入氯氣。當反應液由渾濁變淸，并且通氯導管中出現(xiàn)結晶時，氯化達到終點。停止通入氯氣，提高溫度至120℃，排出反應瓶中多余的氯氣。將反應物倒入沸水中，加入1％的碳酸鈉溶液和5％的尿素溶液，充分攪拌以除去氯。用水充分洗滌后冷卻結晶，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，生成六氯環(huán)己烷，其有九種異構體，γ-異構體具有殺蟲作用（六六六），曾作為農(nóng)藥使用，由于殘留嚴重已經(jīng)禁止使用。
菲在光照條件下與溴反應，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、光照或加熱時可進行自由基型反應，反應機理如下：
炔烴與碘或氯的加成，光催化發(fā)生自由基型反應，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。例如：
硝酸鈰銨（CAN）-溴化鉀體系可以使雙鍵生成鄰二溴化物。該反應可能的機理是自由基型反應。有機合成中間體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）。
反應機理如下：
二、與溴化氫的自由基加成反應
1933年，Kharasch M S等在研究不對稱烯烴與溴化氫的加成反應時發(fā)現(xiàn)，反應的產(chǎn)物取決于反應條件。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。并指出，在暗處無氧時的反應屬于親電加成，而在光照或過氧化物存在下的反應屬于自由基型反應。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（peroxide effect），又稱Kharasch效應。
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理進行加成反應，不對稱烯烴生成反馬氏規(guī)則的加成產(chǎn)物。例如：
反應機理如下。
反應的區(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，上述反應主要是通過仲碳自由基中間體進行的。在自由基加成反應中，自由基進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，過氧化物效應只限于溴化氫。氯化氫和碘化氫都不能進行上述自由基型加成反應。氯化氫中氫氯鍵比氫溴鍵強得多，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)，結果使反應不能進行，碘化氫是因為碘原子與雙鍵加成要求較高的活化能，使鏈增長難以進行，所以也不能進行自由基加成反應。
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℃。
，nD1.4851。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，保持反應液10℃左右。于另一1000 L搪瓷反應釜中加入氫溴酸450 kg，溴化鈉160 kg，夾套通入蒸汽，使內溫達到60℃。緩慢滴加濃硫酸，內溫逐漸達到85℃，保持溫度在85～90℃。將生成的溴化氫氣體通入前一反應釜的底部，控制溴化氫的流量約20 L/h，反應液溫度在20℃。用氣相色譜跟蹤反應。反應結束后，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。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、通氣導管的反應瓶中，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，4 h后反應結束。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％。
實驗結果也證明，烯烴與溴化氫的自由基加成反應如果在低溫下進行，反式加成占優(yōu)勢。
為了解釋反式加成的立體選擇性，認為加成是通過一個“橋”自由基（環(huán)狀溴自由基）進行的，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。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
許多多鹵代甲烷都能與烯烴發(fā)生自由基加成反應，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。該類反應稱為Khara sch反應。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BrCCl3進行加成反應時，是C—Br鍵而不是C-Cl鍵斷裂，因為C—Br鍵比C—Cl鍵弱。反應機理如下：
利用此反應可以制備1:1的加成物，分子中都含有—CCl3基團，它可轉變成羧基，故此反應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，生成1，1，1-三氯-3-氯丁烷，水解生成β-氯代丁酸。
該類反應可以被光、自由基引發(fā)劑、無機鹽、釕配合物、其他過渡金屬配合物等引發(fā)。
在釕絡合物引發(fā)下，烯烴也可以與磺酰氯發(fā)生自由基型反應，例如：
上述反應大多數(shù)情況下均能得到1:1加成物，但調聚反應是主要的副反應。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。
在氯化銅存在下，單烯烴與四氯化碳反應，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。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，影響因素十分復雜，但基本規(guī)律是第一步與自由基結合后，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行了詳細的總結[張自義.大學化學，1997，12（5）：28]。
四、烯烴與鹵代卡賓的反應
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，一般在反應過程中產(chǎn)生，并立即參加反應。能與不飽和鍵發(fā)生加成反應，與C—H、O—H、C—Cl鍵發(fā)生插入反應等。
卡賓與烯烴或炔烴反應，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，總是順式加成，為立體專一性反應。順式烯烴與卡賓反應得到順式環(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理，分兩步進行。
由于生成的中間體有足夠的時間沿著碳碳單鍵旋轉，所以得到順、反兩種異構體。
卡賓也能與苯反應，生成環(huán)庚三烯或其衍生物。
在如下反應中，重氮化合物與丙烯腈反應，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。無色結晶。mp 38～40℃。
制法 ①林原斌，劉展鵬，陳紅飚.有機中間體的制備與合成.北京：科學出版社，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1 h（反應放熱）。而后于55～60℃攪拌反應1 h。加入250 mL水。冷卻后分出有機層，水層用石油醚提取。合并有機層，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。分出有機層，水層用石油醚提取2次。合并有機層，無水硫酸鎂干燥，減壓旋轉濃縮至干。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-銅齊制得的有機鋅試劑，它雖然不是自由的卡賓，但可以進行像卡賓一樣的反應，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)氮烯與烯烴反應按協(xié)同機理進行，具有高度的立體定向性，而三線態(tài)氮烯則按分步機理進行，不具有立體定向性。氮烯與烯烴反應是制備環(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。
2，2，6，6-四甲基哌啶鋰是一種無親核性的強胺基堿，可以選擇性地奪取碳-氫鍵的氫，可以將芐基氯轉變?yōu)楸交ㄙe，而其他的強堿往往容易發(fā)生取代反應。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來得到。
一氯卡賓可以由二氯甲烷與甲基鋰在乙醚中反應產(chǎn)生，當反應體系中有烯烴時會發(fā)生加成反應。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，可以比較方便地得到一溴類卡賓，其與烯烴反應可以生成一溴環(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)四步反應來制備。其中第一步是生成在一氟一溴卡賓與雙鍵在反應。
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行雙相反應來得到。若有烯烴存在，則會發(fā)生加成反應。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瓶（距離1 cm）。每個反應瓶加入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。反應結束后，三瓶中的反應物合并，分出有機層，水洗，無水硫酸鈉干燥。過濾，旋轉濃縮。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，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。該反應稱為DoeringLaFlamme丙二烯合成法。
