自由基

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简介

化学物质，称为自由基，具有单占据轨道。它们在保持中性的同时，反应性非常强。除了少数例外，这些“悬挂”的键使自由基对其他物质甚至自身具有很强的化学反应活性；如果它们的分子接触，则会自发地二聚/聚合。大多数自由基仅在惰性介质或真空中的痕量浓度下才相对稳定。有多种方法可以产生自由基，包括使用极稀或稀薄试剂合成、在极低温度下反应或较大分子解离。

什么是自由基？

在化学中，具有不成对价电子或开放电子壳层的原子/离子/分子被称为自由基（更具体地说是自由基），但也有时被称为具有 1 个甚至多个“悬挂”共价键。

除了少数例外，这些“悬挂”的键使自由基对其他物质甚至自身具有很强的化学反应活性；如果它们相互作用，它们的分子通常会自发地二聚/聚合。大多数自由基仅在惰性介质或真空中的低浓度下才相对稳定。

羟基自由基 (𝐻𝑂 ∗)，它比水分子少 1 个氢，因此在 𝑂 上有 1 个键“悬挂”，是自由基的一个众所周知的例子。另外两个例子包括超氧化物阴离子 ( ∗𝑂2)，它是氧气带有一个额外的电子，以及卡宾分子，它有两个悬挂键。

乙基自由基

示例

• 超氧化物阴离子自由基。

• 次氯酸盐

• 过氧亚硝酸盐自由基。

• 过氧化氢。

自由基的类型

稳定自由基

1900 年，摩西·冈伯格将三苯甲基鉴定为第一个基本上稳定的自由基。鉴于它具有三个而不是四个取代基，该分子中的核心碳是三价的，并且用一个点来表示其未共享电子。只有特定的有机溶剂才能使三苯甲基自由基保持稳定；当存在空气、水或强酸时，它们会被不可逆反应迅速破坏。

不稳定自由基

简单的自由基，如甲基 (∗ 𝐶𝐻3)，也存在并且作为许多化学过程中临时中间体至关重要。这些是反应性和瞬态性很强的甲基自由基。除了与铅和其他金属反应外，它们还快速自发消失，主要二聚成乙烷，$\mathrm{CH_{3}\:-\:CH_{3}}$。继这一发现之后，在气相中产生反应性自由基的方法已得到大幅扩展。

是什么导致了自由基？

自由基有时会由身体似乎预期的代谢过程产生。由于这些代谢过程对于身体来说是基础的和必要的，因此消除它们既不可能，也对生物体有害。

自由基也可以从外部来源进入体内，包括 X 射线、吸烟和其他物质。

生物体内存在自由基会导致其他元素的快速配对和长反应链的形成。这些自由基以极快的速度与每个分子发生反应，并且在生物体（尤其是人类）中，这些过程被称为“氧化反应”。

自由基的特性

• 一般来说，自由基不带电荷。

• 它们的结构中有一个奇数（不成对）电子。

• 它们非常不稳定

• 它们是瞬时的。

• 因为它们含有奇数电子，所以它们是极具反应性的物质。

• 它们经常通过与之配对的奇数电子建立共价键。

• 它们通常在过氧化物、紫外线或可见光或两者兼而有之的情况下产生。

食物中的自由基是什么？

在过去的 10 年中，自由基在生物氧化中的作用越来越受到关注。食品科学家和生理学家对这一主题的兴趣日益浓厚。食品保存需要以天然存在和添加的抗氧化剂的形式存在自由基清除剂。

由于人们认为自由基在多种疾病的发展中发挥作用，包括缺血性心脏病，因此建议增加抗氧化维生素的摄入，尤其是在饮食中多不饱和脂肪酸含量较高的情况下。越来越多的人食用吸收大量煎炸油的方便食品和小吃。

由于多不饱和脂肪酸在食品储存和煎炸过程中极易受到自由基的氧化，因此脂质分解产物的损害程度可能有所上升。当多不饱和脂肪酸、维生素 A 和 β-胡萝卜素非酶促和酶促（脂氧合酶）氧化时，食物中可能会发生重要营养素的损失和异味的产生。

结论

可以得出结论，任何在原子轨道中具有不成对电子的分子物质，并且能够独立存在，都被称为自由基。当存在不成对电子时，大多数自由基表现出一些相似的特征。许多自由基反应性极强，并且本质上不稳定。它们可以通过从另一个分子给予或接受电子来充当氧化剂或还原剂。羟基自由基、过氧化氢、超氧化物自由基、单线态氧、一氧化氮自由基、次氯酸盐和过氧亚硝酸盐自由基是在许多疾病情况下最重要的含氧自由基。这些是反应性很强的物质，可以损害生物学上重要的成分，包括细胞膜和细胞核中的 DNA、碳水化合物、蛋白质和脂质。自由基攻击重要的生物大分子，从而损伤细胞并破坏体内平衡。自由基可能会攻击体内的所有类型的分子。其中，脂类和蛋白质是主要的靶标。

常见问题

1. 什么会导致体内的自由基死亡？

为了阻止自由基造成损害，抗氧化剂与它们相互作用并使它们中和。抗氧化剂的另一个名称是“自由基清除剂”。身体用来对抗自由基的一些抗氧化剂是由其自身产生的。这些化合物被称为内源性抗氧化剂。

2. 自由基有益吗？

自由基发挥着“至关重要的作用”，因为它们有助于心脏在压力下泵送更多血液。另一方面，持续的压力会导致心力衰竭，而升高的自由基含量可能导致这个问题。

3. 自由基反应性极强，为什么？

自由基反应性极强，并且需要大量能量才能形成。“更具反应性”在指自由基反应性时，通常表示向氢原子更放热的提取移动。因此，碳中心的自由基的稳定性不太可能影响反应。

4. 氧气中存在自由基吗？

在生物体中，氧气分解成单个电子自由原子。这些原子（有时被称为自由基）在体内搜寻额外的电子以形成对，因为电子喜欢成对存在。这会导致 DNA、蛋白质和细胞的损伤。

5. 什么因素影响自由基的稳定性？

自由基的能量水平被称为其稳定性。当自由基的内能高时，它是不稳定的。它将试图降低其能量水平。如果自由基的内能水平低，则它是稳定的。