自由基（具有未配对电子的化学物质）
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更新时间：2023-05-17
自由基
具有未配对电子的化学物质
自由基的两种构型
自由基（Free radicals）又称为游离基，是指外层电子轨道上含有单个不配对电子的原子、原子团和分子的总称。书写时，一般在分子式上加一个黑点“·”显示不配对电子。如羟自由基(·OH)、超氧阴离子自由基(O2-.)和氯离子自由基Cl·等自由基。按自由基的原子成分，可以将其分为以氧、氮、硫、碳为中心的自由基以及以其他原子为中心的自由基。自由基具有奇数个电子，这种奇数电子的存在使得自由基的活跃度变高、稳定性变差、生命周期变短，从而使其通常以极稀的浓度存在。其高活跃度使其在化学反应中具有较高的反应特性，可以从其他分子中夺取电子来提高自身的稳定性，从而使被攻击的分子失去电子变成新的自由基，进行一系列反应。自由基可发生偶联，歧化，氧化和取代等反应。此外，自由基在燃烧、大气化学和聚合反应中具有非常重要的作用。在人体中，自由基的高反应活性使其能够在人体中产生化学作用，给人们的健康带来了很大的危害。
基本信息
中文名
自由基
英文名
Free radicals
别名
游离基
拼音
zì yóu jī
发现历史
自19世纪初，人们推测在化学反应发生过程中可能存在一种叫“自由基”的物质。直到1900年，美国密歇根大学化学教授摩西冈伯格（Moses Gomberg）首次证实了生命系统中确实存在有机自由基——三苯甲基自由基(
1937年美国芝加哥大学卡拉奇(M. S. Kharasch)经过几年的努力，第一次发现了过氧化物效应，解释了溴化氢和不对称烯烃的反马科夫加成的原因，阐明了所谓“反常”现象，在过氧化物存在下，实质是一种正常现象。那时开始，研究人员逐渐地认识到自由基在化学反应中的作用，从而形成了一个全新的学科领域—自由基化学。
自由基的种类与性质
有机自由基的稳定性和影响因素
正离子或负离子可以以高浓度的形式存在，但由于自由基具有未成对电子，其化学性质非常活泼，稳定性较弱，因而通常作为一种活性中间体。
常见自由基的稳定性顺序：
从结构上来说，影响自由基稳定性的因素主要包括共轭效应、空间因素以及溶剂效应。其中烷基自由基的稳定性顺序一般为：叔＞仲＞伯＞CH3。当自由基连有苯基、氰基、硝基等不饱和键时，孤单电子可以通过离域得到一定的稳定。
例如，烯丙基和三苯甲基自由基具有较大的稳定性，主要是由于未配对电子的非定域作用。此外，一般取代基对自由基稳定性影响的顺序为：
由于特殊的空间因素及共振效应，少数自由基的化学活性较低。
空间因素
自由基也可以通过空间效应得到稳定。例如，[(CH₃)₃C]₂CH₂•，在低温（-30 °C）无氧的稀溶液中是非常稳定的。许多酚类化合物在冷的无水醚中氧化，产生酚氧自由基。2，4，6-三叔丁基苯氧自由基（化合物54）由于三个叔丁基之间具有较大的空间位阻，阻碍了分子之间的二聚作用，从而使其成为一种非常稳定的自由基，通过红外检测发现，羰基峰出现在1660 cm⁻¹处。
溶剂效应
溶剂效应对自由基的影响比较小。若溶剂能够与自由基之间发生配位作用，不仅可以提高自由基的稳定性，而且可以改变自由基的某些性质。
无机自由基的种类和性质
氧自由基
从热力学上看，分子氧的还原电位较高，它是很好的氧化剂，在有催化剂时，可通过电子传递还原成水，产生能源物质，并生成H₂O₂等氧自由基。氧气在有机体内代谢还原，提供了生物能量，最后生成水，共接受4个电子。在这一还原过程中，每接受一个电子就生成一个氧自由基或活性氧。
超氧离子自由基
生成：在需氧的生物体中，超氧离子自由基可通过非酶反应与酶反应产生。主要包括非酶反应和酶反应。其中非酶反应是氧气能从还原剂接受1个电子，转变为氧自由基。而酶反应主要包括多种反应，例如，黄嘌呤或次黄嘌呤的氧化、醛氧化酶的酶促反应、线粒体呼吸链中的酶促反应和微粒体电子传递系统中的酶促反应等多种反应。
相关反应
自由基具有很高的活性，可进行多种类型的反应。许多自由基反应具有链反应的特征，主要包括链引发(initiation)、链增长(propagation)和链终止(termination)三步。长期以来人们一直认为自由基反应缺乏良好的选择性，但自20世纪80年代以来，人们对自由基的性质有了更深刻的认识，已经可以更好的将自由基反应用于有机合成中。
偶联或二聚作用
自由基一般可通过相互偶合直接形成化学键，得到偶联或二聚产物。这一过程可以看作自由基发生均裂时产生的逆反应。
歧化反应
但正丙基自由基则是偶联为主，反应如下：
自由基重排
自由基的稳定性要比相应的碳正离子小，与碳正离子相比，自由基的重排不易发生。当存在有利条件时，如空间因素或重排后能够使单电子更好地离域时，则有利于重排的发生。另外，高温有利于重排的发生，而低温或有其他竞争反应时则不利于重排的发生。
苯基1，2-重排
从一个一级自由基重排为三级自由基，被称为苯基1，2-重排，且是第一个被认为是新苯基自由基的重排。
反应如下：
上述反应当从具有光学活性的醛方面考虑时，则会生成下图反应中的外消旋化产物61。
乙烯基1，2-重排
在化学反应中，乙烯基的1，2-重排也是一种常见的类型，其反应也经历一个三元环状过渡态。
反应如下:
卤素1，2-重排
卤素也能发生1，2-自由基重排。
反应如下：
此外，重排可以通过对称或非对称的桥式中间体进行，反应如下：
1，5-氢迁移
碎片化
烷氧基自由基的β-裂解反应也容易发生。当有多种选择时，以生成最稳定的自由基的反应为主。反应如下：
氧化还原反应
自由基在适当的氧化剂或还原剂存在的条件下，被氧化为正离子或被还原为负离子。
例如:
自由基氧化的机理一般为：
链增长：
链终止：
取代反应
自由基从分子中夺取一个原子而生成另一个自由基的反应称为自由基的取代反应。当有多个原子可以取代时，自由基的活性、键的离解能、温度、溶剂等反应因素决定哪一个原子可以被取代。一般自由基取代的顺序为：苄基＞叔＞仲＞伯＞甲基＞芳基。
还原反应
其反应机理如下：
链引发：
链增长：
链终止：
卤代反应
自由基卤代反应的机理如下所示：
链引发：
链增长：
链终止：
芳香族自由基取代反应
加成反应
当反应体系中存在双键或叁键不饱和化合物时，自由基可以发生加成反应。
加卤化氢
当反应末端生成带有未成对电子的溴桥时，反应则以反式加成为主，例如下列反应：
加多卤代烷
例如：
加醛基、硫醇
醛羰基上的C-H键以及硫醇上的S-H键也容易发生均裂。所以，醛、硫醇可按自由基机理进行加成。以醛的加成为例，反应过程如下:
羧酸及其衍生物对烯烃的加成
羧酸及其酯类化合物，尤其是丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯、氰乙酸乙酯等含有活泼亚甲基的化合物，容易被夺氢而产生较稳定的自由基，从而完成加成反应。此外，在较高的温度下（150~170 °C），采用过氧化物如过氧化二苯甲酰、过氧化二叔丁基为引发剂，可进行六个碳原子以上烯烃的加成。例如：
分子内加成
当分子中同时存在烯键等不饱和键时，可进行分子内的加成反应。但分子内的加成反应，五元环要比六元环更容易进行，这种现象符合Baldwin规则，而在Baldwin规则中，立体电子效应具有非常重要的作用。例如，5-己烯基自由基的关环反应在动力学的影响下，主要生成五元环而非六元环。
例如：
聚合反应
自由基的聚合反应主要涉及以下几个步骤：
引发：
增长：
终止：
延长：
大气自由基反应
上述反应，乙烯在臭氧分解的情况下，约40 %的激发克里吉中间体通过与空气分子的碰撞而得到稳定，剩余部分则分解为CO和H₂O、或CO₂、H₂或H。稳定的克里格(Criegee)能够进一步反应：
燃烧过程中涉及的自由基反应
自由基在煤炭转化过程中具有非常重要的作用，煤中涉及多种自由基，可发生多种反应。
产生的R·将与空气中的氧作用而再生成烃过氧化物自由基：
低温下，煤可通过原生自由基与断裂产生的新自由基与氧反应，储蓄一定的热量，随着煤温度的逐渐升高，煤中含有的活性基团开始与氧发生反应。反应如下：
煤自燃在高温阶段的自由基链终止主要是气相销毁。反应如下：
此外，煤中涉及多种过氧化物的反应。反应如下：
上述形成的过氧化物可以脱水生成醛：
形成
在有机反应过程中产生自由基的方法主要有热均裂法、光照法和单电子氧化还原法。
共价键的热分解
热均裂法是产生自由基的一个主要方法。在较高的温度条件下，共价键的一对电子可以发生均裂，生成两个自由基。如Pb(CH₃)₄、Bi(CH₃)₃、Pb（C₂H₅)₄等烷基金属化合物在受热时可以裂解应生烷基自由基。此外很多过氧化物和偶氮化合物受热时发生均裂，也可生成自由基。
如过氧化二酰基热解可以得到烃基自由基。
过氧烷基醚热解产生烷氧自由基。
光化学法
紫外线、日光、X-射线、v-射线传递给分子的能量达到或超过共价键的解离能时，可发生均裂，生成自由基。其中红色光具有的能量相当于约40 kcal/mol(167 kJ/mol)，蓝色光具有的能量相当于约70 kcal/mol（293 kJ/mol）。而紫外光具有的能量相当于约140 kcal/mol(586 KJ/mol)，可以让所有的化学键都发生均裂。如CI-Cl键离解能约为243 kJ/mol，相当于487.5 nm(247 kJ/mol)的光能。
单电子氧化还原法
在氧化还原反应中，可以通过单电子的转移来生成自由基。
例如：
电解法
羧酸盐在电解时会在阳极放电，失去电子，形成酸基自由基。形成的酸基自由基进一步分解生成烃基自由基。例如，当乙酸钠电解时，乙酸根负离子在阳极上放电失去电子，形成乙酸基自由基，继续分解会产生甲基自由基，从而生成甲烷、甲醇、乙酸甲酯等产物。
离子自由基的产生
带有正电荷或负电荷的自由基称为离子自由基，简称离子基（ionicradicals）。离子基分子内含有未配对电子和离子键，具有顺磁性和导电性。一些含有π键的分子具有较高的电子亲和力以及较低的电离势，当这类分子与电子受体作用时可获得一个电子，这个电子称为负离子基。如萘或芳香酮与碱金属或碱土金属作用时，可形成负离子自由基。
检测
自由基的活性很强，很容易与多种物质发生反应，因此可以用一些具有特征性的化学反应来检测自由基。如一个反应对酸和碱及溶剂极性大小的影响都很小，却易被过氧化物、金属盐等自由基引发剂或光所引发，又易被酚、芳香胺等自由基猝灭所抑制，则可推测这是一个自由基参与的化学反应。自由基可以产生电子自旋共振谱，可以用电子自旋共振谱（ESR）来检测自由基，并确定其浓度。此外还可以采用自由基捕获剂、NMR法和自由基抑制剂来检测自由基。
作用
生理作用
由于自由基和其他氧化剂在各种生理条件下的核心作用，使其在生物学方面具有非常重要的作用。自由基在体内具有重要的生物功能，如氧自由基在线粒体呼吸链的电子传递、细胞的生长、分化和免疫反应等过程中发挥着一定的作用。在生理情况下，氧通常是通过细胞色素氧化酶系统接受4个电子而还原成水，同时释放能量，但也有1%～2%的氧接受一个电子生成O₂⁻，再接受一个电子生成H₂O₂，或再接受一个电子生成0H・。此外，一氧化氮自由基在血管的舒张、血压的调节、神经退行性疾病、阿尔茨海默症、帕金森症以及脑卒中等方面发挥着重要的作用。
有机材料中的作用
光诱导自由基可以通过一种简便的方法来构建具有复杂功能的3D化合物，使其在防伪材料中具有潜在的应用。由于自由基的化学官能团具有较好的化学选择性和原子经济性，因此，越来越多的研究者利用自由基的硅基化反应来构建C-Si键。
在燃烧的作用
在燃烧过程中自由基反应决定了重要的燃烧参数，比如点火、热释放、火焰传播等过程。
自由基聚合反应的作用
自由基的聚合反应可用于塑料材料、合成橡胶材料、大部分人工合成材料，粘合剂，润滑剂和表面活性剂等应用中。
大气和环境中的作用
自由基在大气化学中，例如在平流层、对流层，污染和清洁的空气、云滴和降水以及气相中都具有非常重要的作用。
在大气中，燃烧和运输过程中会产生一种环境持久性自由基，其主要是以碳为中心的自由基和相邻的氧原子组成，可附着于PM2.5颗粒表面，伴随着PM2.5的迁移而发生迁移，并能长时间的参与光化学反应，会诱导H₂O₂产生·OH自由基来降解污染物金属氧化物。
光化学中的作用
自由基类型的不同决定了其在光化学反应中具有不同的作用。自由基会与大气中的挥发性有机化合物以及其它成分相互作用，形成烷基、取代的烷基(例如羟烷基，硝基氧烷基)和含氧烷基(含有羰基)。在反应的过程中有机过氧基(RO₂·)和烷氧基(RO·)基团是主要的中间体。其中RO₂·自由基在光化学反应中具有传递反应的作用，它与O₂反应能生成HO₂·自由基，同时使挥发性有机化合物的转化进一步进行。此外RO₂·自由基还能进行分子内H转移反应，在反应过程中，RO₂·自由基从其它基团夺取H原子，进而转化为取代烷基自由基，但是取代烷基自由基极其不稳定，与空气中的氧气迅速发生反应又变为新的过氧自由基。
安全事宜
环境和消防安全
碎煤中存在的共价键破裂后可产生自由基，具有很高的活性。它与氧气反应产生大量的热，引起煤自燃从而导致灾害发生。研究发现改变碎煤中的自由基浓度，可以调节煤的燃烧反应。此外，汽车尾气和工业生产所排出来的废气中具有大量的自由基，对环境造成了很大的污染。因此，在日常的生活中，人们应该注意环境的污染，降低自由基的产生，从而减少自由基对人体的伤害。
人体健康的危害
当人们有不健康的饮食习惯、吸烟、接触有毒试剂、过量的运动以及经常遭到外界的辐射等情况时，都会使机体产生过量的自由基，这些自由基就会在体内攻击人体内的细胞膜，与血清抗蛋白酶发生反应，更严重的可与人体的基因抢电子，对人体产生伤害，导致多种疾病的发生。例如，自由基对人体的衰老具有一定的影响；通过与细胞膜、细胞内蛋白质和核酸反应来改变正常的肺代谢；高氧条件下，自由基对细胞代谢过程中的细胞和器官都会造成一定的氧损伤。，人体过多的氧自由基会导致人体内蛋白质分子发生交联、聚合、肽链断裂等多种损伤，引发脂质过氧化反应，同时可导致使核酸结构发生改变。此外，自由基与人类的心血管疾病也密切相关，当自由基攻击了运送脂肪的低密度脂蛋白以后，吞噬细胞会将其误认为外部入侵者而将它吞噬，当两者结合以后形成沉淀，可以堵塞容易发生伤口的冠状动脉，从而导致危险。
