自由基

  中文名称:自由基   英文名称:free radical   定义1:具有不成对电子原子分子。   所属学科: 免疫学(一级学科) ;概论(二级学科) ;固有免疫(三级学科)   定义2:含有基数电子或不配对电子的原子、原子团和分子。具有很强的反应性。   所属学科: 生物化学与分子生物学(一级学科) ;新陈代谢(二级学科)   自由基,又称游离基。凡是具有不成对电子的原子或基团,称为自由基或游离基。在书写时,一般在原子符号或者原子团符号旁边加上一个“·”表示没有成对的电子。自由基极易发生反应(二聚反应,夺氢反应,氧化反应,歧化反应等)。
  有机自由基一般是作为活性中间体短暂存在的,可通过加热或光照,使分子中共价键的一对电子发生均裂反应而产生。  

发现

   1900年M.冈伯格发现碳中心自由基,他将三苯基氯甲烷和锌粉在苯溶液中一起加热,试图合成六苯基乙烷,却得到了三苯甲基自由基的黄色溶液,该自由基在隔绝空气的条件下发生二聚,形成“六苯基乙烷”。    
近年来经光谱和核磁共振谱证实,所谓“六苯基乙烷”具有如下结构:          
  简单的有机自由基,如甲基自由基、乙基自由基,是在20年代通过气相反应证实的。有机自由基作为活泼中间体,是在30年代由D.H.海伊、W.A.沃特斯和M.S.卡拉施等的研究发现的。  

分类  

  自由基可根据它们的相对稳定性划分为活泼自由基和稳定自由基两类。    1.活泼自由基 大多数自由基表现很活泼,在反应过程中仅能瞬时存在。许多自由基反应是按照自由基链反应机理,由一个活泼自由基周而复始地引起许多其他分子连续发生反应,如溴化氢在过氧化物作用下与丙烯的加成:    链引发: RO·+HBr→ROH+Br·    链增长: Br·+CH2=CHCH3→BrCH2凗HCH3            BrCH2凗HCH3+HBr→BrCH2CH2CH3+Br·当两个自由基碰在一起发生结合,或者自由基与器壁碰撞失去活性时,链就终止。活泼自由基可以诱发多种反应,如加成反应、取代反应、氧化还原反应等。    2.稳定自由基 有些自由基由于分子结构的特点表现很稳定。如三苯甲基自由基就可在溶液中存在。1,1-二苯基-2-s-三硝基苯肼基自由基的稳定性极高,固态能长期稳定保存。
  在这些自由基分子中相连的芳香族基团上的π电子与自由基的不成对电子产生共轭效应,使不成对电子离域,降低了分子能量,这是自由基稳定化的主要原因。体积较大的相连基团的立体效应也能阻止自由基的相互结合。稳定氮-氧自由基,如2,2,6,6-四甲基-4-氧哌啶-1-氧基(结构式如左),就是通过2,6位四个甲基的空间阻碍而得到稳定的典型。稳定自由基的特性被广泛用来研究自由基的结构和反应机理,还可用作抗氧剂、防老剂、阻聚剂等。              
  自由基也可根据电子结构的特点划分为中性自由基和带电荷的离子基两类。如果一个分子中同时存在两个或多个不成对电子,而且它们彼此间不发生相互作用,就形成双自由基或多自由基,卡宾的三线态也可看作是双自由基。  

结构

     自由基分子 R3C·的三个相连基团通常是在同一平面内, 其未成对电子处于垂直于该平面的 p轨道。若R基团体积过大,则这一平面构型就可能发生畸变。

自由基的形成

  有机化合物(Organic compounds)发生化学反应时,总是伴随着一部分共价键(covalent bond)的断裂和新的共价键的生成。共价键的断裂可以有两种方式:均裂(homolytic bond cleavage)和异裂(heterolytic cleavage)。键的断裂方式是两个成键电子在两个参与原子或碎片间平均分配的过程称为键的均裂(homolytic bond cleavage)。两个成键电子的分离可以表示为从键出发的两个单箭头。所形成的碎片有一个未成对电子,如H·,CH·,Cl·等。若是由一个以上的原子组成时,称为自由基(radical)。因为它有未成对电子,自由基和自由原子非常的活泼,通常无法分离得到。不过在许多反应中,自由基和自由原子以中间体的形式存在,尽管浓度很低,存留时间很短。这样的反应称为自由基反应(radical reactions)。     由于原子形成分子时,化学键中电子必须成对出现,因此自由基就到处夺取其他物质的一个电子,使自己形成稳定的物质。在化学中,这种现象称为“氧化”。我们生物体系主要遇到的是氧自由基,例如超氧阴离子自由基、羟自由基、脂氧自由基、二氧化氮和一氧化氮自由基。加上过氧化氢、单线态氧和臭氧,通称活性氧。体内活性氧自由基具有一定的功能,如免疫和信号传导过程。但过多的活性氧自由基就会有破坏行为,导致人体正常细胞和组织的损坏,从而引起多种疾病。如心脏病、老年痴呆症、帕金森病和肿瘤。此外,外界环境中的阳光辐射、空气污染、吸烟、农药等都会使人体产生更多活性氧自由基,使核酸突变,这是人类衰老和患病的根源。

自由基的存在空间

  这种缺少了一个电子,而又非常活跃的原子或分子的自由基,存在空间相当广泛。     科学家在二十世纪初从烟囱和汽车尾气中发现了这种十分活跃的物质。随后的研究表明,自由基的生成过程复杂多样,比如,加热、燃烧、光照,一种物质与另一种物质的接触或任何一种化学反应都会产生自由基。在日常生活中与您最亲密接触的渠道便是您烹制美味的菜肴时或您点燃一只烟醉心于吞云吐雾时,您精心使用化妆品打扮时,自由基就悄悄地蔓延开来了。     自由基的种类非常多,自由基的存在的空间也是无处不在。它们以不同的结构特征,在与其他元素结合时,发挥着不同的作用。     人体里也有自由基,他们既可以帮助传递维持生命活力的能量,也可以被用来杀灭细菌和寄生虫,还能参与排除毒素。受控的自由基对人体是有益的。但当人体中的自由基超过一定的量,并失去控制时,这种自由基就会给我们的生命带来伤害。     生命体内的自由基是与生俱来的,既然生命能力历经35亿年沧桑而延续至今,就说明生命本身具有平衡自由基或者说清除多余自由基的能力。然而,随着人类文明的飞速发展,特别是最近一百年来,在科学技术给人类创造了巨大生产力的同时也带来了大量的副产品,其中就有与日俱增的自由基。化学制剂的大量使用、汽车尾气和工业生产废气的增加、还有核爆炸……,人类文明活动还在不断破坏着生态环境,制造着更多的自由基。骤然增加的自由基,早已超过了人以及生命所能正常保持平衡的标准,早已让人类应接不暇,人类健康面临着前所未有的严峻挑战。

自由基对人体的危害

  1996年起中科院物理研究所、北京军事科学院等有关科研单位与北京卷烟合作开始对自由基进行系统研究发现,过去人们一直认为,在地球上,细菌和病毒是人类生命的夙敌,于是,跟他们做了千百年的斗争并取得了显著的成绩。直到二十世纪六十年代,生物学家从烟囱清扫工人肺癌发病率高这一现象中发现了自由基对人体的危害,人类才认识到我们还有比细菌和病毒更为凶险,也更隐蔽的敌人。自由基过量产生或人体自身清除自由基能力下降会导致多种疾病的产生与恶化。     自由基对人体的损害主要有三个方面:一、使细胞膜被破坏;二、使血清抗蛋白酶失去活性;三、损伤基因导致细胞变异的出现和蓄积。     自由基对人体的攻击首先是细胞膜开始的。细胞膜极富弹性和柔韧性,这是由它松散的化学结构决定的 ,正因为如此,它的电子很容易丢失,因此细胞膜极易遭受自由基的攻击。一旦被自由基夺走电子,细胞膜就会失去弹性并丧失一切功能,从而导致心血系统疾病。更为严重的是自由基对基因的攻击,可以使基因的分子结构被破坏,导致基因突变,从而引起整个生命发生系统性的混乱。     大量资料已经证明,炎症,肿瘤、衰老、血液病、以及心、肝、肺、皮肤等各方面疑难疾病的发生机理与体内自由基产生过多或清除自由基能力下降有着密切的关系。炎症和药物中毒与自由基产生过多有关;克山病——硒缺乏和范可尼贫血等疾病与清除自由基能力下降有关;而动脉粥样硬化和心肌缺血再灌注损伤与自由基产生过多和清除自由基能力下降两者都有关系。自由基是人类健康最隐避、最具攻击力的敌人。

研究现状

  比起细菌学、病毒学等很多学术领域来说,自由基还是一门比较年轻的学科。人类对自由基的研究开始于二十一世纪初,最初的研究主要是自由基的化学反应过程,随后自由基知识渗透到生物学领域。虽然在二十世纪六十年代人们已经认识到自由基与疾病的密切关系,但由于受到技术方法的限制,研究进展缓慢。近年来,研究短寿命自由基的技术有了新的突破,推动了生物学的迅速发展,形成了一个以化学、物理学和生物医学相结合的蓬勃发展的新领域即自由基生物学、医学领域。这是一个跨学科的边缘学。     人类对自然界的认识总是随着科技手段的发展而逐渐深入的。80年代人类认识焦油对人体的攻击与危害后运用了大量的科技手段进行阻断进入二十一世纪。对自由基的认识也毫不例外的需要依靠先进的技术手段。由于含有一个不成对电子的自由基很活跃,大多数自由基的寿命都非常短,常以毫秒或微秒记,因此,对数自由基研究的难度可想而知。借助与电子自旋共振技术和自旋捕集剂国内、外的科学家们已经捕捉到了一部分自由基。但在成千上万种自由基中,被直接捕捉到的自由基还有限。     自从发现自由基对人类健康的危害后,如何能更接近生命现象进一步研究自由基的反应机理和损伤的分子机理就成为这个领域国际上期待解决的前沿课题。从国内外的大量报纸看,很多自由基的反应规律和损伤机理中的一些关键问题至今尚在研究中。     随着对自由基研究的逐步深入,科学家们越来越清楚的认识到,清除多余自由基的措施有益于某些疾病的预防和治疗,而自由基清除剂的研究对人体健康的意义便显的更为重大。因此,开发和利用高效无毒的天然抗氧化剂——自由基清除剂,已成为当今科学发展的趋势。