被誉为万恶之源的“自由基”的两面性

一 、啥是自由基？

自由基是一种具有未配对电子的化学物质，也被称为“游离基”。通常被认为是分子的碎片，具有非常活泼的化学性质。自由基是通过光、热等外界条件下化合物分子的共价键发生均裂使每个原子或基团保留一个配对电子^[1]。此外，正如图1所示，自由基还可以通过高温、紫外光或电离辐射的高能量作用下发生电子转移，即从一个分子上失去一个电子或者将单电子转移到分子上形成自由基。共价键发生异裂时，不会产生自由基，而是产生带电荷的离子。自由基可以带正电、负电或电中性^[2]。自由基可分为以氧为中心的自由基、以碳为中心的自由基、以氮为中心的自由基以及以硫为中心的自由基等，其中以氧为中心的自由基在生物和化学领域的研究最为常见。人们对自由基的探索从未停止过，自由基的研究与应用无论是在科学上还是在应用上都有着重要的作用。

图1 自由基形成示意图（图片来源于网络）。

二、自由基史

在我们的日常生活中，自由基的身影无处不在。自1900年密歇根大学摩西·冈伯格发现三苯甲基自由基以来，学术界经过长时间的争论，人们对自由基的认识日趋成熟。在1934 年F. Haber和J. Weiss在Fenton反应中发现了羟基自由基（HO·）（如反应（1）），这种自由基是由一个氧原子和一个氢原子组成，是一种非常强的氧化剂，其氧化性强于高锰酸钾等强氧化剂，这就赋予了它具有非常高的反应活性，因此，在自由基化学领域有着很大的应用价值^[3]。

1969年，Fridovich和McCord在牛红血细胞中发现了超氧化物岐化酶（SOD），这种生物酶能够清除生物体内由于氧化过程中产生的超氧自由基(O₂^-•)（如反应（2）），因此，也是一种生物抗氧化酶。自从该生物酶的发现以来，极大地提高了人们对自由基的研究兴趣，也推动了自由基生物学的快速发展^[4]。

 三、生物体的自由基

自由基反应在生物体内普遍存在，对生物的起源与进化理论提供了重要的依据。大量的研究表明，人体的许多疾病，例如：心脑血管疾病、癌症、艾滋病、老年痴呆和肝炎等的发病过程中都与活性氧自由基的参与密切相关。在生命的进化过程中，生物体随着年龄的增加，生命体开始逐渐老化，这个变化归因于环境和疾病，以及一个天生的过程，即衰老过程。在1954年，美国生物化学家Harman提出来自由基衰老学说，他认为人体内大量的自由基，尤其是氧自由基，会诱导机体发生氧化反应，对细胞成分进行长期有害的破坏，导致人体衰老和死亡（如图2），而且这种衰老过程本质上是不可逆。然而，他们提出了可以通过减缓自由基反应的起始速度和减少其链长来延长生物体的寿命，即通过增加生物体内自由基抑制剂（例如：超氧岐化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、维生素C和茶多酚等）的浓度或增加其成分对自由基攻击的抵抗力来实现^[5]。

图2 自由基衰老假说示意图。（图片来源于网络）

四、自由基化学

自由基化学的诞生为化学领域开辟了一个重要的分支，它完善了许多化学基础理论，为自由基反应机理提供了重要的理论支撑。由于自由基的电子结构的独特性为自由基反应提供了良好的反应条件。自由基反应有如下几个特征：

（1）自由基反应活性高，能垒低，反应速率快；

（2）自由基在溶液中进行反应时，溶液的酸性、碱性和极性对自由基的影响较小；

（3）自由基反应发生需要有明确的引发剂；

（4）对于含有活泼氢类的物质（例如：苯酚类和芳香脂胺）能够使自由基的反应速率减慢，甚至使自由基反应完全被抑制^[6]。

自由基聚合反应是自由基反应的一个重要的反应类型，广泛的应用于热塑性塑料、粘合剂、包装、油墨、涂料、牙科修复材料和3D打印等多个领域。在典型的自由基聚合反应中，一般会经历链引发，链增长和链终止三个过程（如图3）^[7]。自由基通常是通过热分解、氧化还原反应、电离辐射和光解反应引发。在体系中引发后，单体或者低交联聚合物并在反应早期形成较大的大分子聚合物，这个过程中体系是放热反应。这些大分子聚合物会增加体系的粘度，直到材料从类液体相到类固体相的转变，这种转变也被称之为凝胶过程。当活性中心分子相互碰撞时，导致聚合反应停止。

图3 聚乙烯自由基聚合反应机理示意图。

下面给大家介绍几种关于自由基在化学与生物科学中发挥的作用：

1、在电化学CO₂还原过程中，羟基自由基主导氧化铜的再氧化

通过可再生电力驱动的电化学CO₂还原反应（CO₂RR）将CO₂转化为附加值高的化学品已被公认为实现“碳中和”的一种有前景的策略。氧化铜衍生物（OD-Cu）已被证明是一组高效的CO₂RR电催化剂，尤其是多碳产物（C₂₊）的催化剂。然而，确切的机理尚不清楚，人们提出了不同的观点。实验和理论计算均表明，Cu^δ+/Cu⁰界面可以激活惰性CO₂分子，促进CO-CO偶联。为了调节C₂₊产物的选择性，通过构建各种氧化预催化剂或采用CO₂-脉冲电解，获得了多种具有Cu^δ+位点特征的高效OD-Cu催化剂。了解OD-Cu在常用的CO₂饱和KHCO₃电解质中的还原/再氧化行为是一个巨大的挑战，但对确定氧化种类至关重要。近日，电子科技大学隆昶博士和崔春华教授以“Hydroxyl radicals dominate reoxidation of oxidederived Cu in electrochemical CO₂ reduction”为题，在Nat. Commun上发表。作者通过电子顺磁共振技术，证实了HCO₃^-溶液中形成的强氧化性的羟基自由基(OH•)。此外，他们还结合了原位拉曼光谱、二次离子质谱和同位素标记，展示了OD-Cu表面的动态还原/再氧化行为，揭示了HCO₃^-和H₂O之间的快速氧交换为OH•自由基的形成提供了氧源，连续生成会引起Cu电极的自发氧化，产生表面CuOx。值得注意的是，这项工作表明，阴极还原和OH•诱导的再氧化之间存在“跷跷板效应”，决定了CO2RR中Cu^δ+物种的化学状态和含量。这一发现有望推动人们理解电解质在CO₂RR中的关键作用。

图4 Ar饱和的0.5M KHC¹⁶O₃ H₂ ¹⁸O溶液中氧同位素标记法测定OH•来源^[8]。

2、硼促进过氧化单硫酸盐类芬顿活化水净化的分子和动力学研究

   在高级氧化过程(AOPs)中产生的高活性氧(ROS)，如羟基自由基(•OH)、硫酸盐自由基(SO₄^•-)、高价金属和单态氧，可以降解大量有机污染物。因此，利用最先进的策略持续生产活性氧是非常有利于水净化的。然而，这些具有明显氧化还原能力和反应途径的ROS在与有机污染物反应时表现出底物特异性反应活性。例如，•OH会通过吸氢反应无选择性地攻击有机污染物。而•OH受高pH环境(pKa = 11.9)、自猝灭(5.5×10⁹ M^-1⋅s^-1)、溶剂猝灭(1.8×10⁶ M^-1⋅s^-1)以及真实水基质(如碳酸盐、卤素、天然有机物)中共存的背景有机/无机物的清除，导致扩散动力学受限。此外，四价铁(Fe(IV)，Fe^IVO²⁺)是一种高自旋态、带正电的亲电物种，可以选择性氧化富电子/提供电子的有机物。虽然Fe(IV)的氧化电位(2.0 V vs SHE)低于•OH (2.7 V vs SHE)和SO₄^•- (2.50 ~ 3.10 V vs SHE)，但Fe(IV)的温和氧化还原电位较低(IV)保证了溶液中更长的传质寿命，以攻击目标污染物。因此，开发组合的AOP系统来产生不同的ROS可以克服每个单独氧化途径的限制。近日，四川大学的赖波教授和澳大利亚阿德莱德大学段晓光教授合作，以“Molecular and kinetic insights to boron boosted Fenton-like activation of peroxymonosulfate for water decontamination”为题，在Appl. Catal. B Environ.上发表。作者选用晶体硼簇作为绿色共催化剂，以加速Fe(III)/PMS（过氧单硫酸盐）体系中的氧化还原过程。硼二十面体B₁₂单元中的半金属B-B键将贡献电子来还原Fe(III)，从而启动类似Fenton的PMS活化，生成羟基自由基(•OH)、硫酸根自由基（SO₄^•- ) 和高价Fe(IV)。同时，表面硼原子可以直接裂解PMS分子的过氧化物O-O键，生成•OH。自由基和Fe(IV)的贡献可以通过Fe(III)的剂量进行调节，平行自由基和非自由基氧化将能够以较高的PMS利用效率非选择性降解各种有机污染物。此外，Fe(III)加速了硼表面的自清洁，并确保活性中心的持续暴露。硼会自发地经历逐步氧化和水解，生成可溶性产品，而不会产生毒素。新型硼/铁(III)/PMS系统克服了芬顿化学中的限速步骤，并在长期运行中实现了卓越的效率和稳定性。

图5 5次循环试验后(a, b)原始硼和(c, d)残留硼的HAADF-STEM图像，(e)硼/铁(III)/PMS体系的机理^[9]。

3、治疗性超声诱导脲键断裂释放生物功能分子

可控生物功能分子释放在生物学研究中具有重要作用。在预期的时间和位置释放感兴趣的分子不仅对研究基本生物机制不可或缺，而且还能减少疾病(如癌症)治疗中的不良影响和剂量依赖性毒性。一般来说，一个典型的可激活生物功能系统由四个元素组成:生物活性分子、可裂解连接剂、保护基团和刺激因子。当生物活性分子通过可裂解键与保护基团结合时，生物活性分子的功能将被关闭，而在感知到特定刺激后，连接子将被断开，活性分子释放，生物功能恢复。在各种可激活系统中，光响应的亲生物功能分子具有非侵入性和实时控制的高时空分辨率等突出优点，尤其吸引人。然而，光本身能够穿透组织的能力较低，大大限制了它的实际应用。作为一种替代方法，超声也具有像光一样的高时空控制，由于其成本低廉，已被用于临床成像和治疗。重要的是，与频率相对应，超声波可以穿透15厘米深的组织。超声波触发的细胞生物分子功能远程控制为我们研究自然提供了独特的优势。然而，设计治疗性超声响应功能分子的策略仍然难以捉摸，迄今为止已经开发出了罕见的超声可切割化学键。近日，大连理工大学彭孝军院士团队以“Urea-Bond Scission Induced by Therapeutic Ultrasound for Biofunctional Molecule Release”为题，在J. Am. Chem. Soc上发表。该团队首次证明了治疗性超声（1MHz）诱导脲键断裂用于药物释放。这种转变已被证实是由空化泡内部产生的羟基自由基(•OH)引发的，特别是在空化泡处−液体界面。该团队设计了一系列基于亚甲蓝（MB）的含脲键前药，即MBU。用低强度治疗超声进行超声处理后，与伯胺相连的脲键可以选择性地裂解，在生理相关的环境中释放游离MB，同时恢复吸光度、荧光和光敏性。此外，还开发了一种经FDA批准的含脲键的烷基化剂(MBU-Mel)，成功地在深层癌细胞中实现了超声触发药物释放，显示了超声响应分子平台在生物活性分子释放方面的可扩展性。这可能为治疗性超声诱导药物释放奠定了起点，为“超声药理学”迈出了一步。

图6 治疗性超声诱导键分裂释放MB过程的示意图^[10]。

参考文献

1 Cheeseman K H, Slater T F. An introduction to free radical biochemistry[J]. British medical bulletin, 1993, 49(3): 481-493.

2 Ross K M, Jenkin R R. Free radical chemistry relationship to exercise[J]. Sports Med, 1998, 10: 236-54.

3 Slater T F. Free radical mechanisms in tissue injury[J]. Cell function and disease, 1988: 209-218.

4 McCord J M, Fridovich I. Superoxide dismutase: an enzymic function for erythrocuprein (hemocuprein)[J]. Journal of Biological chemistry, 1969, 244(22): 6049-6055.

5 Harman D. Free radical theory of aging[J]. Mutation Research/DNAging, 1992, 275(3-6): 257-266.

6 刘磊. 超氧自由基相关生物传感检测技术研究[D].湖南大学,2007.

7 韩洪飞. 苯乙烯自由基聚合反应机理研究[D].常州大学,2021.

8 Mu S, Lu H, Wu Q, et al. Hydroxyl radicals dominate reoxidation of oxide-derived Cu in electrochemical CO₂ reduction[J]. Nature communications, 2022, 13(1): 1-8.

9 Zhou P, Yang Y, Ren W, et al. Molecular and kinetic insights to boron boosted Fenton-like activation of peroxymonosulfate for water decontamination[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2022: 121916.

10 Tong Y, Li M, Huang H, et al. Urea-Bond Scission Induced by Therapeutic Ultrasound for Biofunctional Molecule Release[J]. Journal of the American Chemical Society, 2022, 144, 16799−16807.