Ключевые принципы
- Влияние природы галогена на радикал: по реакционной способности и селективности обычно соблюдаются неравенства
$\mathrm{Cl}\cdot >\mathrm{Br}\cdot >\mathrm{I}\cdot$ (реактивность)
и
$\mathrm{I}\cdot >\mathrm{Br}\cdot >\mathrm{Cl}\cdot$ (термодинамическая селективность/обратимость). То есть хлоррадикал очень быстро реагирует, но с низкой селективностью; бромрадикал — умеренно реактивен и наиболее полезен для селективных процессов; йодрадикал часто даёт обратимые добавления и высокую селективность, но медленно.
- Связь прочности и легкости разрыва: прочность связи C–X и способность к переносу атома подчиняются
$\mathrm{BDE}(R-I)<\mathrm{BDE}(R-Br)<\mathrm{BDE}(R-Cl)$.
Это определяет скорость образования/разрушения R· и равновесие реакций атомного переноса (ATRA/Kharasch).
Механистические следствия (на примере цепной аддиции X· к алкену и последующего захвата):
$$\mathrm{X}\cdot +\text{алкен}\to \text{алкильный радикал}$$ $$\text{алкильный радикал}+\text{донор (например H–X или R–X)}\to \text{продукт}+\mathrm{X}\cdot$$ - Если добавление радикала обратимо (типично для I· и иногда Br·), равновесие смещается в пользу стабилизированного продукта и реакция более селективна по образованию более стабильного радикала.
- Если добавление необратимо и быстро (Cl·), контролирует кинетика, селективность падает — наблюдаются смеси по положению атаки и побочные реакции (протонные абстракции, бета-расщепления).
Полярные и стереоэлектронные эффекты
- Радикалы проявляют полярность: «электрофильные» радикалы быстрее добавляются к электронно-богатым алкенам, «нуклеофильные» — к электронно-бедным. Бромрадикал чаще ведёт себя как слегка электрофильный, поэтому чувствителен к донорным заместителям на алкене.
- Полярные добавки, растворитель, присутствие Lewis-кислот/оснований и фото/термическая инициация способны менять относительную скорость и направление (например, усиливая селективность через стабилизацию переходного состояния).
Практические выводы для синтетического дизайна
- Для управляемой, селективной радикальной аддиции выбирают бромсодержащие реагенты (или формируют Br·) — хорошее соотношение скорости и селективности; типично используют NBS, R–Br в ATRA, пероксиды для анти-Марковникового присоединения HBr.
- Для быстрых, но менее селективных процессов — хлорсодержащие условия (Cl· или Cl–перенос), но нужно ожидать побочных реакций.
- Для обратимых/термодинамически управляемых трансформаций или для получения подвижного функционального центра, который потом легко трансформировать (замены, кросс‑сочетания) — используют йодпроизводные (R–I); ATRA с йодами часто смещается в сторону образования R–I.
- При выборе галогена учитывайте также последующие шаги: C–I и C–Br легче участвуют в кросс‑куклинговых реакциях и замещениях; C–Cl более стабильны, но труднее трансформируются.
- Учитывайте BDE и равновесия атомного переноса: для эффективного цепного ATRA нужен такой R–X, при котором перенос X между радикалами и субстратом кинетически выгоден и/или термодинамически допустим.
Примеры (кратко)
- Анти‑Марковниково присоединение HBr в присутствии перекисей: инициируется образованием Br·; селективность обеспечена тем, что Br· добавляется к алкену с образованием более стабилизированного радикала, затем тот абстрагирует H из HBr.
- ATRA (Kharasch): R–X (чаще I или Br) реагирует с алкеном через перенос галогена; выбор R–X и условий контролирует скорость и обратимость.
Краткая шпаргалка при планировании
- Нужна высокая селективность → подумать о Br или I, контролировать полярность переходного состояния.
- Нужна скорость и «грубая» функционализация → Cl возможно, но с риском побочных реакций.
- Нужен последующий кросс‑куклинг → оформить продукт как R–I или R–Br.
- Оценивать BDE и равновесие атомного переноса и подбирать условия (инициатор, свет, растворитель, добавки) в соответствии с желаемым кинетическим/термодинамическим режимом.