全氟烷基自由基要在合成中有所应用，它们首先必须在生成时并不受反应体系中存在的其他官能团的影响。由于这些自由基本质上的亲电性，与它们反应的底物或是易极化的(即‘软的’)σ电子体系(如硫酚盐、硒化物或膦化物)，或是富电子的π-体系(如烯烃或一些芳香化合物)。

全氟烷基自由基最方便的来源是全氟卤代烷，通过光化学或电化学过程可产生相应的自由基。虽然电化学活化可通过对全氟碘代烷的氧化或还原来实现，但最普通的方法还是还原方法(图式3.3)。还原法产生自由基也能在一些辅助自由基源(如硅烷，锡烷)存在下用光化学方法引发。

图式3.3  全氟碘代烷的自由基链式反应的活化机理

其他一些产生全氟烷基自由基的方法包括全氟酚基过氧化物的热裂解或光化学的裂解及全氟烷磺酰溴的光化学裂解反应。由全氟酰氯与硫代吡啶酮-N-氧化物现场反应生成的Barton酯也已被用做全氟烷基自由基的方便来源(图式3.4)。

图式3.4  其他一些产生全氟烷基自由基的常用方法。全氟双酰基过氧化物裂解的活化能约为24kcal·mol^-1，室温下其半衰期约5h

早在20世纪40年代，Emeleus和Haszeldine就已发现全氟碘代烷不仅能在光照条件下产生全氟烷基自由基，而且还易与各种烯烃反应生成1:1的加成产物和调聚产物。此类自由基链式反应也可以通过加热引发(图式3-5)。全氟碘代烷和烯烃的加成反应是合成部分氟化的烷烃、聚合物、调聚物及它们的衍生物的一个非常重要的方法。通过这种方法还可以合成一些全氟烷基取代的芳香化合物。

图式3.5  光或热引发的全氟碘代烷或溴代烷与烯烃或芳烃的自由基加成反应

受Kharash的CCl₄对烯烃的自由基加成研究工作的启发，同样的方法也应用于全氟卤代烷。研究发现，在较低的温度以及自由基引发剂存在下，全氟卤代烷能够高度选择性地与烯烃发生加成反应(图式3.6)。

图式3.6  全氟碘代烷与各种不同烯烃的自由基加成反应

全氟碘代烷在还原条件下对烯烃的自由基加成是一个全氟烷基化的好方法，具有很多优点，特别适合于实验室合成工作(图式3.7)。许多还原剂都可被用于引发此反应，包括一些金属参与的非均相的反应和一些低价金属盐或连二亚硫酸盐引发的均相反应。采用特殊的还原剂，缺电子烯烃与全氟碘代烷反应可高产率地得到对双键的氢化全氟烷基化加成产物。

图式3.7  还原引发的全氟碘代烷与烯烃的加成反应

通过还原和氧化方法产生全氟烷基自由基的反应也被成功用于芳香化合物的全氟烷基化(图式3.8)。对于还原剂引发的反应，形成自由基阴离子的单电子转移(SET)，既可以由还原剂(如HOCH₂SO₂Na)也可由富电子芳香底物本身所引发。由氧化剂引发的反应则可以使许多缺电子的芳香化合物如喹啉等发生全氟烷基化。

图式3.8  各种不同芳(杂)环化合物用还原和氧化方法引发的自由基全氟烷基化反应

图式3.9  全氟碘代烷与烯胺的全氟烷基化反应

共振稳定的碳阴离子如烯胺是通过单电子转移引发的自由基全氟烷基化反应的理想底物(图式3.9)。

对于非共振稳定的烯醇负离子，此类自由基反应不能自发地进行，但它可用三乙基硼来有效地引发。如果在烯醇离子上带有手性辅基，可得到非对映选择性相当好的全氟烷基化产物(图式3.10)。

在2011年，MacMillan小组和Baran小组开发了一个非专一性的“后期”自由基三氟甲基化的新方法，作用合成工具特别适用于组合化学中新药物筛选(图式3.11和图式3.12)。使用含金属钌的光催化剂的光化学方法或采用三氟甲基亚磺酸钠(Langlois试剂)和过氧叔丁醇组合，可以在非常温和的条件下产生亲电的三氟甲基自由基。

图式3.10  全氟卤代烷和带有手性辅基的底物进行对映选择性的全氟烷基化反应

图式3.11  Ru(phen)32+催化的自由基三氟甲基化反应的光催化循环(phen=邻二氮杂菲配体)

图式3.12  后期三氟甲基化用于快速合成和筛选各种含三氟甲基的立普妥(Lipitor)类似物(SFC意为超临界流体色谱)