被譽為萬惡之源的“自由基”的兩面性

一 、啥是自由基？

自由基是一種具有未配對電子的化學物質，也被稱為“游離基”。通常被認為是分子的碎片，具有非常活潑的化學性質。自由基是通過光、熱等外界條件下化合物分子的共價鍵發生均裂使每個原子或基團保留一個配對電子^[1]。此外，正如圖1所示，自由基還可以通過高溫、紫外光或電離輻射的高能量作用下發生電子轉移，即從一個分子上失去一個電子或者將單電子轉移到分子上形成自由基。共價鍵發生異裂時，不會產生自由基，而是產生帶電荷的離子。自由基可以帶正電、負電或電中性^[2]。自由基可分為以氧為中心的自由基、以碳為中心的自由基、以氮為中心的自由基以及以硫為中心的自由基等，其中以氧為中心的自由基在生物和化學領域的研究最為常見。人們對自由基的探索從未停止過，自由基的研究與應用無論是在科學上還是在應用上都有著重要的作用。

圖1?自由基形成示意圖（圖片來源于網絡）。

二、自由基史

在我們的日常生活中，自由基的身影無處不在。自1900年密歇根大學摩西·岡伯格發現三苯甲基自由基以來，學術界經過長時間的爭論，人們對自由基的認識日趨成熟。在1934 年F. Haber和J. Weiss在Fenton反應中發現了羥基自由基（HO·）（如反應（1）），這種自由基是由一個氧原子和一個氫原子組成，是一種非常強的氧化劑，其氧化性強于高錳酸鉀等強氧化劑，這就賦予了它具有非常高的反應活性，因此，在自由基化學領域有著很大的應用價值^[3]。

1969年，Fridovich和McCord在牛紅血細胞中發現了超氧化物岐化酶（SOD），這種生物酶能夠清除生物體內由于氧化過程中產生的超氧自由基(O₂^-?)（如反應（2）），因此，也是一種生物抗氧化酶。自從該生物酶的發現以來，極大地提高了人們對自由基的研究興趣，也推動了自由基生物學的快速發展^[4]。

?三、生物體的自由基

自由基反應在生物體內普遍存在，對生物的起源與進化理論提供了重要的依據。大量的研究表明，人體的許多疾病，例如：心腦血管疾病、癌癥、艾滋病、老年癡呆和肝炎等的發病過程中都與活性氧自由基的參與密切相關。在生命的進化過程中，生物體隨著年齡的增加，生命體開始逐漸老化，這個變化歸因于環境和疾病，以及一個天生的過程，即衰老過程。在1954年，美國生物化學家Harman提出來自由基衰老學說，他認為人體內大量的自由基，尤其是氧自由基，會誘導機體發生氧化反應，對細胞成分進行長期有害的破壞，導致人體衰老和死亡（如圖2），而且這種衰老過程本質上是不可逆。然而，他們提出了可以通過減緩自由基反應的起始速度和減少其鏈長來延長生物體的壽命，即通過增加生物體內自由基抑制劑（例如：超氧岐化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶、維生素C和茶多酚等）的濃度或增加其成分對自由基攻擊的抵抗力來實現^[5]。

圖2?自由基衰老假說示意圖。（圖片來源于網絡）

四、自由基化學

自由基化學的誕生為化學領域開辟了一個重要的分支，它完善了許多化學基礎理論，為自由基反應機理提供了重要的理論支撐。由于自由基的電子結構的獨特性為自由基反應提供了良好的反應條件。自由基反應有如下幾個特征：

（1）自由基反應活性高，能壘低，反應速率快；

（2）自由基在溶液中進行反應時，溶液的酸性、堿性和極性對自由基的影響較小；

（3）自由基反應發生需要有明確的引發劑；

（4）對于含有活潑氫類的物質（例如：苯酚類和芳香脂胺）能夠使自由基的反應速率減慢，甚至使自由基反應完全被抑制^[6]。

自由基聚合反應是自由基反應的一個重要的反應類型，廣泛的應用于熱塑性塑料、粘合劑、包裝、油墨、涂料、牙科修復材料和3D打印等多個領域。在典型的自由基聚合反應中，一般會經歷鏈引發，鏈增長和鏈終止三個過程（如圖3）^[7]。自由基通常是通過熱分解、氧化還原反應、電離輻射和光解反應引發。在體系中引發后，單體或者低交聯聚合物并在反應早期形成較大的大分子聚合物，這個過程中體系是放熱反應。這些大分子聚合物會增加體系的粘度，直到材料從類液體相到類固體相的轉變，這種轉變也被稱之為凝膠過程。當活性中心分子相互碰撞時，導致聚合反應停止。

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圖3?聚乙烯自由基聚合反應機理示意圖。

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下面給大家介紹幾種關于自由基在化學與生物科學中發揮的作用：

1、在電化學CO₂還原過程中，羥基自由基主導氧化銅的再氧化

通過可再生電力驅動的電化學CO₂還原反應（CO₂RR）將CO₂轉化為附加值高的化學品已被公認為實現“碳中和”的一種有前景的策略。氧化銅衍生物（OD-Cu）已被證明是一組高效的CO₂RR電催化劑，尤其是多碳產物（C₂₊）的催化劑。然而，確切的機理尚不清楚，人們提出了不同的觀點。實驗和理論計算均表明，Cu^δ+/Cu⁰界面可以激活惰性CO₂分子，促進CO-CO偶聯。為了調節C₂₊產物的選擇性，通過構建各種氧化預催化劑或采用CO₂-脈沖電解，獲得了多種具有Cu^δ+位點特征的高效OD-Cu催化劑。了解OD-Cu在常用的CO₂飽和KHCO₃電解質中的還原/再氧化行為是一個巨大的挑戰，但對確定氧化種類至關重要。近日，電子科技大學隆昶博士和崔春華教授以“Hydroxyl radicals dominate reoxidation of oxidederived Cu in electrochemical CO₂?reduction”為題，在Nat. Commun上發表。作者通過電子順磁共振技術，證實了HCO₃^-溶液中形成的強氧化性的羥基自由基(OH?)。此外，他們還結合了原位拉曼光譜、二次離子質譜和同位素標記，展示了OD-Cu表面的動態還原/再氧化行為，揭示了HCO₃^-和H₂O之間的快速氧交換為OH?自由基的形成提供了氧源，連續生成會引起Cu電極的自發氧化，產生表面CuOx。值得注意的是，這項工作表明，陰極還原和OH?誘導的再氧化之間存在“蹺蹺板效應”，決定了CO2RR中Cu^δ+物種的化學狀態和含量。這一發現有望推動人們理解電解質在CO₂RR中的關鍵作用。

圖4?Ar飽和的0.5M KHC¹⁶O₃?H₂?¹⁸O溶液中氧同位素標記法測定OH?來源^[8]。

2、硼促進過氧化單硫酸鹽類芬頓活化水凈化的分子和動力學研究

???在高級氧化過程(AOPs)中產生的高活性氧(ROS)，如羥基自由基(?OH)、硫酸鹽自由基(SO₄^?-)、高價金屬和單態氧，可以降解大量有機污染物。因此，利用最先進的策略持續生產活性氧是非常有利于水凈化的。然而，這些具有明顯氧化還原能力和反應途徑的ROS在與有機污染物反應時表現出底物特異性反應活性。例如，?OH會通過吸氫反應無選擇性地攻擊有機污染物。而?OH受高pH環境(pKa = 11.9)、自猝滅(5.5×10⁹?M^-1?s^-1)、溶劑猝滅(1.8×10⁶?M^-1?s^-1)以及真實水基質(如碳酸鹽、鹵素、天然有機物)中共存的背景有機/無機物的清除，導致擴散動力學受限。此外，四價鐵(Fe(IV)，Fe^IVO²⁺)是一種高自旋態、帶正電的親電物種，可以選擇性氧化富電子/提供電子的有機物。雖然Fe(IV)的氧化電位(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)的溫和氧化還原電位較低(IV)保證了溶液中更長的傳質壽命，以攻擊目標污染物。因此，開發組合的AOP系統來產生不同的ROS可以克服每個單獨氧化途徑的限制。近日，四川大學的賴波教授和澳大利亞阿德萊德大學段曉光教授合作，以“Molecular and kinetic insights to boron boosted Fenton-like activation of peroxymonosulfate for water decontamination”為題，在Appl. Catal. B Environ.上發表。作者選用晶體硼簇作為綠色共催化劑，以加速Fe(III)/PMS（過氧單硫酸鹽）體系中的氧化還原過程。硼二十面體B₁₂單元中的半金屬B-B鍵將貢獻電子來還原Fe(III)，從而啟動類似Fenton的PMS活化，生成羥基自由基(?OH)、硫酸根自由基（SO₄^?-?) 和高價Fe(IV)。同時，表面硼原子可以直接裂解PMS分子的過氧化物O-O鍵，生成?OH。自由基和Fe(IV)的貢獻可以通過Fe(III)的劑量進行調節，平行自由基和非自由基氧化將能夠以較高的PMS利用效率非選擇性降解各種有機污染物。此外，Fe(III)加速了硼表面的自清潔，并確保活性中心的持續暴露。硼會自發地經歷逐步氧化和水解，生成可溶性產品，而不會產生毒素。新型硼/鐵(III)/PMS系統克服了芬頓化學中的限速步驟，并在長期運行中實現了卓越的效率和穩定性。

圖5?5次循環試驗后(a, b)原始硼和(c, d)殘留硼的HAADF-STEM圖像，(e)硼/鐵(III)/PMS體系的機理^[9]。

3、治療性超聲誘導脲鍵斷裂釋放生物功能分子

可控生物功能分子釋放在生物學研究中具有重要作用。在預期的時間和位置釋放感興趣的分子不僅對研究基本生物機制不可或缺，而且還能減少疾病(如癌癥)治療中的不良影響和劑量依賴性毒性。一般來說，一個典型的可激活生物功能系統由四個元素組成:生物活性分子、可裂解連接劑、保護基團和刺激因子。當生物活性分子通過可裂解鍵與保護基團結合時，生物活性分子的功能將被關閉，而在感知到特定刺激后，連接子將被斷開，活性分子釋放，生物功能恢復。在各種可激活系統中，光響應的親生物功能分子具有非侵入性和實時控制的高時空分辨率等突出優點，尤其吸引人。然而，光本身能夠穿透組織的能力較低，大大限制了它的實際應用。作為一種替代方法，超聲也具有像光一樣的高時空控制，由于其成本低廉，已被用于臨床成像和治療。重要的是，與頻率相對應，超聲波可以穿透15厘米深的組織。超聲波觸發的細胞生物分子功能遠程控制為我們研究自然提供了獨特的優勢。然而，設計治療性超聲響應功能分子的策略仍然難以捉摸，迄今為止已經開發出了罕見的超聲可切割化學鍵。近日，大連理工大學彭孝軍院士團隊以“Urea-Bond Scission Induced by Therapeutic Ultrasound for Biofunctional Molecule Release”為題，在J. Am. Chem. Soc上發表。該團隊首次證明了治療性超聲（1MHz）誘導脲鍵斷裂用于藥物釋放。這種轉變已被證實是由空化泡內部產生的羥基自由基(?OH)引發的，特別是在空化泡處?液體界面。該團隊設計了一系列基于亞甲藍（MB）的含脲鍵前藥，即MBU。用低強度治療超聲進行超聲處理后，與伯胺相連的脲鍵可以選擇性地裂解，在生理相關的環境中釋放游離MB，同時恢復吸光度、熒光和光敏性。此外，還開發了一種經FDA批準的含脲鍵的烷基化劑(MBU-Mel)，成功地在深層癌細胞中實現了超聲觸發藥物釋放，顯示了超聲響應分子平臺在生物活性分子釋放方面的可擴展性。這可能為治療性超聲誘導藥物釋放奠定了起點，為“超聲藥理學”邁出了一步。

圖6?治療性超聲誘導鍵分裂釋放MB過程的示意圖^[10]。

參考文獻

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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.

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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.