自由基与有机金属化学

自由基链式机理

想象一排多米诺骨牌,每一块倒下时都立起一块新的、随后也会倒下的牌。开头轻轻一推,整排就一直倒下去。自由基链式机理正是如此:一个仅生成一次的自由基,会触发一个自我更新的循环,把大量起始原料转化掉,而每转一圈都会再生出一个自由基。

这个机理有三个阶段。引发产生第一个自由基,通常是在热或光的作用下由弱键均裂而来(例如 Cl2 裂成两个氯自由基)。增长是发动机:一个自由基与一个稳定分子反应,生成一个产物外加一个新自由基,而这个新自由基又重复同样的事。关键在于,每一步增长消耗一个自由基、又生成一个自由基,所以自由基的数目保持不变,循环得以自我维持,只需少数几步增长就能重复成千上万次。终止则在两个自由基恰好相遇、把各自孤单的电子配成一根正常的键时结束链反应,把自由基从体系中移除。由于自由基本就稀少,终止是例外而非常态。

这种三段式格局(引发、增长、终止)是自由基卤化、自氧化、燃烧和自由基聚合的主干。它解释了为什么极少量的引发剂、或一颗火花,就能转化整瓶物料或点燃一场火:真正干活的不是引发剂,而是它点燃的那条链。它也解释了抑制剂(抗氧化剂)的作用原理,即悄悄地把携带链的自由基清除掉,使增长停下来。

在甲烷氯化中:引发 Cl2 在光照下生成 2 个 Cl·;增长第一步 Cl· + CH4 生成 HCl + CH3·,增长第二步 CH3· + Cl2 生成 CH3Cl + Cl·;终止 2 个 Cl· 生成 Cl2。这两步增长不断循环往复。

每一圈增长用掉一个自由基、又造出另一个,因此这条链能自我喂养。

常见的失误是把增长步骤写成只消耗自由基却不生成新自由基;若不再生出自由基,链就断了。在正确的增长步骤中自由基数目必须保持不变:进一个,出一个。

又称
radical chain reactionchain reaction自由基链反应链式反应