第二节 烯烃的自由基型加成反应
烯烃除了可以发生亲电加成外，还可以发生自由基型加成反应。自由基具有亲电性，烯烃能与很多化合物进行自由基加成反应，如卤素（Cl2、Br2）、卤化氢（HBr）、多卤代甲烷（CCl4、CBr4、BrCCl3、BrCHCl2、CHBr3、CHCl3，CHI3等）、烃、醇、醛、羧酸、酯、硫醇等。此外，烯烃通过自由基加成聚合反应可以得到许多高分子化合物。
一、烯烃与卤素的自由基型加成反应
烯烃可以与卤素发生自由基型加成反应，反应机理如下：
常用的溶剂是四氯化碳等惰性溶剂，若反应物为液体，也可不使用其他溶剂。
双键上具有吸电子基团的烯烃，容易发生自由基型加成反应。
又如樟脑代用品全氯乙烷的合成。
全氯乙烷（Perchloroethane），C2Cl6，236.80。无色结晶性粉末，具有樟脑气味，易挥发。mp 183～187℃（封管）。溶于乙醇、乙醚、苯、氯仿和油类。不溶于水。
制法 张大国.精细有机单元反应合成技术——卤化反应及其实例.北京：化学工业出版社，2009：4.
将脱水的四氯乙烯（2）加入反应瓶中，用强光照射，慢慢通入氯气，反应温度逐渐升高，最后保持在90～100℃，继续通入氯气。当反应液由浑浊变淸，并且通氯导管中出现结晶时，氯化达到终点。停止通入氯气，提高温度至120℃，排出反应瓶中多余的氯气。将反应物倒入沸水中，加入1％的碳酸钠溶液和5％的尿素溶液，充分搅拌以除去氯。用水充分洗涤后冷却结晶，抽滤，水洗，于40℃干燥，得化合物（1），收率72％以上。
苯在光照条件下与氯气反应，生成六氯环己烷，其有九种异构体，γ-异构体具有杀虫作用（六六六），曾作为农药使用，由于残留严重已经禁止使用。
菲在光照条件下与溴反应，可生成9，10-二溴化物。
硫酰氯也是常用的氯化剂，在自由基引发剂、光照或加热时可进行自由基型反应，反应机理如下：
炔烃与碘或氯的加成，光催化发生自由基型反应，主要得到反式二卤代烯烃。炔烃与碘也可在催化剂作用下发生加成反应。例如：
硝酸铈铵（CAN）-溴化钾体系可以使双键生成邻二溴化物。该反应可能的机理是自由基型反应。有机合成中间体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）。
反应机理如下：
二、与溴化氢的自由基加成反应
1933年，Kharasch M S等在研究不对称烯烃与溴化氢的加成反应时发现，反应的产物取决于反应条件。在暗处无氧时，产物符合马氏规则，而在光照或有过氧化物存在时，是一个反马氏规则的加成反应。并指出，在暗处无氧时的反应属于亲电加成，而在光照或过氧化物存在下的反应属于自由基型反应。过氧化物的存在使试剂生成自由基，后来称为过氧化物效应（peroxide effect），又称Kharasch效应。
在四种卤化氢（HF、HCl、HBr、HI）中，只有溴化氢在过氧化物影响下与烯烃按自由基型机理进行加成反应，不对称烯烃生成反马氏规则的加成产物。例如：
反应机理如下。
反应的区域选择性取决于生成的自由基的稳定性。溴自由基进攻丙烯双键的不同碳原子时，可能生成两种自由基[1]和[2]，[1]是仲碳自由基，而[2]是伯碳自由基，显然，[1]比[2]稳定，更容易生成。所以，上述反应主要是通过仲碳自由基中间体进行的。在自由基加成反应中，自由基进攻的是能够形成最稳定的加成自由基的双键碳原子。
值得指出的是，过氧化物效应只限于溴化氢。氯化氢和碘化氢都不能进行上述自由基型加成反应。氯化氢中氢氯键比氢溴键强得多，需较高的活化能才能使氯化氢均裂成自由基，这就阻碍了链引发，结果使反应不能进行，碘化氢是因为碘原子与双键加成要求较高的活化能，使链增长难以进行，所以也不能进行自由基加成反应。
利用烯烃与溴化氢的亲电加成和自由基型加成，可以得到不同的溴代物。
例如医药氯丙嗪、三氟拉嗪、奋乃静、氯丙咪嗪、炎痛静、盐酸多塞平、泰尔登等的中间体1-溴-3-氯丙烷的合成。
1-溴-3-氯丙烷（1-Bromo-3-chloropropane），C3H6BrCl，157.44。无色液体。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.
于反应瓶中加入新分馏过的3-氯丙烯（2）38 g（0.5 mol），冰水浴冷却，用低压紫外灯照射，慢慢通入相当于3-氯丙烯投料量1.1～1.2倍的溴化氢气体，约2～8 h通完。反应液用水、3％的碳酸氢钠各洗涤三次，水洗至中性。无水氯化钙干燥过夜，减压分馏，先蒸出低沸物，再收集68～69℃/7.9 kPa的馏分，得1-溴-3-氯丙烷（1）61.5 g，收率78％。
工业上可以采用过氧化苯甲酰进行引发合成1-溴-3-氯丙烷。大致过程如下：于1500 L搪瓷反应釜中加入烯丙基氯400 kg，过氧化苯甲酰5 kg，搅拌下冷却，保持反应液10℃左右。于另一1000 L搪瓷反应釜中加入氢溴酸450 kg，溴化钠160 kg，夹套通入蒸汽，使内温达到60℃。缓慢滴加浓硫酸，内温逐渐达到85℃，保持温度在85～90℃。将生成的溴化氢气体通入前一反应釜的底部，控制溴化氢的流量约20 L/h，反应液温度在20℃。用气相色谱跟踪反应。反应结束后，用400 kg水洗涤，再用2.0％的氢氧化钠溶液250 kg洗涤，最后用300 kg水洗涤。用无水氯化钙50 kg干燥24 h。过滤，精馏（塔高7 m，直径400 mm），先加热至150℃，将130℃以前的馏分蒸出，而后减压蒸馏，收集70℃以上/0.07 MPa的馏分，得产物。
有机合成中间体11-溴-11烷酸的合成如下：
其他端基溴化物也可以采用类似的方法来合成。
又如经典的Sternbach生物素合成法中所需的侧链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。无色油状液体。bp 149～151℃。
制法 王燕，陈建辉，叶伟东.中国医药工业杂志，2004，35（4）：203.
3-乙氧基丙烯（3）：在搅拌器、滴液漏斗、回流冷凝器的500 mL三口烧瓶中，加入无水乙醇200 mL，分次加入金属钠25.3g（1.1 mol），搅拌回流至钠消失。回流滴加烯丙基氯（2）76.5g（1.0 mol），约1h加完。加完后继续回流3h，GC监测反应。冷却，滤除氯化钠。滤液常压蒸馏，收集63～67℃馏分，得无色油状物（3）85.6g，收率99.3％。
1-溴-3-乙氧基丙烷（1）：于安有搅拌器、温度计、通气导管的反应瓶中，加入3-乙氧基丙烯（3）86 g，石油醚200 mL，过氧化苯甲酰2.42 g，冰盐浴冷却。于-5～0℃慢慢通入溴化氢气体（经过1，2，3，4-四氢萘洗涤瓶以除去其中少量的溴），尾气用5％的氢氧化钠溶液吸收。用GC跟踪反应，4 h后反应结束。用10％的亚硫酸氢钠洗涤2次，水洗至中性，无水硫酸钠干燥。过滤，蒸馏，收集147～151℃的馏分，得化合物（1）149.7 g，收率89.6％。
实验结果也证明，烯烃与溴化氢的自由基加成反应如果在低温下进行，反式加成占优势。
为了解释反式加成的立体选择性，认为加成是通过一个“桥”自由基（环状溴自由基）进行的，很像溴对烯烃的离子型加成中涉及到的环状溴
离子：
炔烃也能与溴化氢发生过氧化物效应。利用烯烃或炔烃与溴化氢的亲电加成和自由基型加成，可以得到不同的溴化物。
三、烯烃与多卤代甲烷的自由基型加成反应
许多多卤代甲烷都能与烯烃发生自由基加成反应，多卤甲烷有氯仿、四氯化碳、一溴三氯甲烷、溴仿、一碘三氟甲烷等。这些多卤代甲烷衍生物的活性顺序是：碘代烷>溴代烷>氯代烷。其中最常用的是BrCCl3。该类反应称为Khara sch反应。四卤甲烷的活性大小次序为：CCl3I、CCl3Br、CCl4。若用CF3I，则C—I键断裂。当BrCCl3进行加成反应时，是C—Br键而不是C-Cl键断裂，因为C—Br键比C—Cl键弱。反应机理如下：
利用此反应可以制备1:1的加成物，分子中都含有—CCl3基团，它可转变成羧基，故此反应是制备羧酸及其衍生物的一种方法。
丙烯与四氯化碳在过氧化苯甲酰存在下反应，生成1，1，1-三氯-3-氯丁烷，水解生成β-氯代丁酸。
该类反应可以被光、自由基引发剂、无机盐、钌配合物、其他过渡金属配合物等引发。
在钌络合物引发下，烯烃也可以与磺酰氯发生自由基型反应，例如：
上述反应大多数情况下均能得到1:1加成物，但调聚反应是主要的副反应。若加入过量多卤代甲烷或加入氯化铜、三氯化铁及安息香，均可减少副反应。
在氯化铜存在下，单烯烃与四氯化碳反应，可以得到90％收率的1:1加成产物。例如：
氯仿在三氯化铁和苯偶姻存在下可以与烯烃发生自由基型加成反应。例如（Vifsi D，Asscher M.Org Synth，1973，Coll Vol 5：1076）：
决定自由基加成方向的因素较多，影响因素十分复杂，但基本规律是第一步与自由基结合后，生成的新自由基越稳定，则越容易生成，从而决定了自由基加成的方向。张自义曾对该问题进行了详细的总结[张自义.大学化学，1997，12（5）：28]。
四、烯烃与卤代卡宾的反应
重氮甲烷或乙烯酮经光解或热解生成卡宾（又叫碳烯）：
卡宾的碳原子只有6个价电子，其中两个电子为未成键电子。这两个电子可以在一个轨道中（单线态），也可以分散在两个轨道中（三线态），因此卡宾有两种存在形式。
单线态卡宾能量较高，较不稳定。其碳原子为sp2杂化，两个未成键电子占据一个sp2杂化轨道，其余两个sp2轨道分别与两个氢原子的1s轨道生成两个C—H键，未参与杂化的p轨道中无电子。三线态卡宾能量较低，是较稳定的形态。其碳原子为sp杂化，两个sp轨道分别与两个氢原子成键，未参与杂化的两个p轨道中分别占据一个电子，且其自旋方向相同。
卡宾是一种活性中间体，存在的时间极短，一般在反应过程中产生，并立即参加反应。能与不饱和键发生加成反应，与C—H、O—H、C—Cl键发生插入反应等。
卡宾与烯烃或炔烃反应，生成环丙烷的衍生物，例如：
单线态卡宾与烯烃的加成是一步完成的协同反应，总是顺式加成，为立体专一性反应。顺式烯烃与卡宾反应得到顺式环丙烷衍生物，而反式烯烃则得到反式环丙烷衍生物。例如：
三线态卡宾是一个双自由基，与烯烃加成按自由基型机理，分两步进行。
由于生成的中间体有足够的时间沿着碳碳单键旋转，所以得到顺、反两种异构体。
卡宾也能与苯反应，生成环庚三烯或其衍生物。
在如下反应中，重氮化合物与丙烯腈反应，生成环氧丙烷衍生物2，2-二苯基环丙烷-1-甲腈，是心脏病治疗药琥珀酸西苯唑啉的中间体。
2，2-二苯基环丙烷-1-甲腈（2，2-Diphenylcyclopanecarbonitrile），C16H13N，219.29。固体。
制法 陈芬儿.有机药物合成法：第一卷.北京：中国医药科技出版社，1999：279.
于反应瓶中加入二苯基重氮甲烷（2）97g（0.5 mol），氯仿300 mL，于40℃搅拌下滴加丙烯腈29.2 g（0.55 mol），控制滴加温度不超过40℃。加完后继续搅拌反应5 h，呈无色液体。减压回收溶剂，剩余物中加入戊烷400 mL，搅拌溶解后，再减压浓缩，冷却，得化合物（1）93.1 g，收率85％。
氯仿在强碱（例如醇钠、50％的氢氧化钠水溶液等）作用下，可生成二氯卡宾，其与烯键加成生成二氯三元环化合物。
抗炎药舒洛芬（Suprofen）、环氧洛芬钠（Loxoprofen Sodium）等的中间体阿托醛的合成如下。
阿托醛，α-亚甲基-苯乙醛（Atropaldehyde，α-Methylenebenzeneacetalde-hyde），C9H8O，132.16。无色结晶。mp 38～40℃。
制法 ①林原斌，刘展鹏，陈红飚.有机中间体的制备与合成.北京：科学出版社，2006：270 .②Crossland I.Org Synth，1990，Coll Vol 7：12.
1，1-二氯-2-苯基环丙烷（3）：于安有搅拌器、温度计、回流冷凝器的反应瓶中，加入苯乙烯（2）57 mL（0.5 mol），氯仿50 mL，苄基三乙基氯化铵2 g，二氯甲烷25 mL和50％的氢氧化钠溶液154 g，于40～45℃剧烈搅拌反应1 h（反应放热）。而后于55～60℃搅拌反应1 h。加入250 mL水。冷却后分出有机层，水层用石油醚提取。合并有机层，无水硫酸钠干燥，过滤。滤液减压浓缩，而后减压分馏，收集118～120℃/2.13 kPa的馏分，得1，1-二氯-2-苯基环丙烷（3）80～82g，收率86％～88％。
阿托醛缩二乙醇（4）：于安有搅拌器。回流冷凝器的反应瓶中，加入上述化合物（3）18.7 g（0.1 mol），氢氧化钠16 g（0.4 mol），160 mL乙醇，搅拌下加热回流24 h。加入200 mL水，用石油醚提取3次，每次50 mL。合并有机层，无水硫酸钠干燥，减压浓缩至干。减压分馏，收集70～100℃/66.5 Pa的馏分，得阿托醛缩二乙醇（4）14～15 g，收率68％～73％。
阿托醛（1）：于安有搅拌器、温度计的反应瓶中，加入化合物（4）15 g，冰盐浴冷至4℃，搅拌下加入甲酸15 mL与水4 mL的混合液，降温至-4℃，搅拌1 min后加入石油醚15 mL和25 mL水。分出有机层，水层用石油醚提取2次。合并有机层，无水硫酸镁干燥，减压旋转浓缩至干。加入10 mL石油醚和10 mL乙醚，于-50℃冷冻30 min。过滤，冷石油醚洗涤，干燥，得阿托醛（1）5.8～6.8 g，收率60％～70％。
又如药物合成中间体3-氯-4-甲基喹啉的合成（Kwon S，NishimuraY，Ikeda M，Tamura Y.Synthesis，1976：249）。
四溴甲烷在碱性条件下可以生成二溴卡宾，后者与烯键反应生成二溴三元环化合物，发生消除、重排后生成累积二烯类化合物（13）。
很多卤代烷烃在碱性条件下可以生成卤代卡宾。其难易顺序如下：CHI3、CHBr3、CHBr2Cl、CHBrCl2～CHCl2I、CHBr2F、CHCl3、CHBrClF、CHCl2F等。总的趋势是：碘化物、溴化物、氯化物、氟化物。
碳烯与烯烃、炔烃的加成反应是制备环丙烷及其衍生物的重要方法。合成中常使用Simmons-Smith试剂。该试剂是由二碘甲烷与锌-铜齐制得的有机锌试剂，它虽然不是自由的卡宾，但可以进行像卡宾一样的反应，一般称为类卡宾。该方法不仅操作简便，而且产率较高。分子中的卤素、羟基、羰基、酯基、氨基等反应中均不受影响。
例如：
叠氮化合物在加热或光照下失去氮而生成氮烯。氮烯也有三线态和单线态之分，单线态氮烯与烯烃反应按协同机理进行，具有高度的立体定向性，而三线态氮烯则按分步机理进行，不具有立体定向性。氮烯与烯烃反应是制备环丙胺衍生物的方法之一。例如：
超声波可以用于二氯卡宾与烯烃的反应。
2，2，6，6-四甲基哌啶锂是一种无亲核性的强胺基碱，可以选择性地夺取碳-氢键的氢，可以将苄基氯转变为苯基卡宾，而其他的强碱往往容易发生取代反应。例如：
二氟卡宾可以由苯基三氟甲基汞与碘化钠一起加热生成，也可以由二氟二卤甲烷与三苯基膦反应来得到。
一氯卡宾可以由二氯甲烷与甲基锂在乙醚中反应产生，当反应体系中有烯烃时会发生加成反应。例如：
一溴卡宾不容易得到，常用二溴环丙烷的半还原来制备一溴环丙烷。利用乙基锌与溴仿在氧存在下反应，可以比较方便地得到一溴类卡宾，其与烯烃反应可以生成一溴环丙烷。
一氟一溴卡宾可以由一氟二溴甲烷在碱性条件下发生消除来生成。抗菌药西他沙星中间体2-氟环丙烷甲酸乙酯（14）可以由丁二烯经四步反应来制备。其中第一步是生成在一氟一溴卡宾与双键在反应。
一碘卡宾可以由碘仿的二氯甲烷溶液与氢氧化钠水溶液光照下进行双相反应来得到。若有烯烃存在，则会发生加成反应。例如农药拟除虫菊酯甲氰菊酯（Fenpropathrin）等的中间体2，2，3，3-四甲基碘代环丙烷的合成。
2，2，3，3-四甲基碘代环丙烷（2，2，3，3-Tetramethyliodocyclopropane），C7H13I，224.08。澄清液体。bp 45～48℃/0.67 kPa，
。
制法 Marolewski T A，Yang N C.Org Synth，1972，52：132.
于安有磁力搅拌器的三个250 mL反应瓶中，分别加入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的氢氧化钠水溶液。冰水浴冷却，用450 W的中压汞灯照射反应瓶（距离1 cm）。每个反应瓶加入2 g碘，剧烈搅拌，直至碘的黄色消失。继续分批加入碘，直至加入39.4 g（0.1 mol）的碘。反应结束后，三瓶中的反应物合并，分出有机层，水洗，无水硫酸钠干燥。过滤，旋转浓缩。剩余物中加入1 g甲醇钠，减压分馏，接收器用冰浴冷却，收集45～48℃/0.67 kPa的馏分，得化合物（1）14～15g，收率63％～67％。
。
烯烃与溴仿在叔丁醇钾存在下反应，可以生成1，1-二溴环丙烷衍生物，后者用活泼金属如钠、镁处理，可以生成丙二烯衍生物。该反应称为DoeringLaFlamme丙二烯合成法。
