5. Свободно-радикальные реакции

Пути образования свободных радикалов

Свободные радикалы образуются в результате гомолитического разрыва ковалентной связи.

1) Фотохимический — расщепление ковалентной связи при помощи лучистой энергии (фотолиз), например:

В результате поглощения кванта света молекула возбуждается и затем распадается на две частицы с неспаренным электроном. Такой тип разрыва постоянно осуществляется и в условиях живого организма под действием космического излучения. При воздействии проникающей радиации этот путь является причиной лучевой болезни.

2) Термический — расщепление ковалентной связи за счет тепловой энергии (термолиз). В большинстве случаев требуется высокая температура, несовместимая с условиями существования живого организма, однако некоторые вещества, например пероксиды и гидропероксиды, способны распадаться и при относительно низких температурах:

пероксид

гидропероксид

3) Химический — образование радикалов в окислительно-восстановитель-ных процессах или под действием другого свободного радикала.

Реакции радикального замещения (S_R)

Общие закономерности

Схема механизма реакции на примере хлорирования метана:

1 этап — инициирование (образование частиц с неспаренным электроном)

Два атома хлора, обладающие высокой энергией разлетаются в разные стороны, и каждый их них начинает цепь последовательных процессов.

2 этап — рост цепи

Большинство свободно-радикальных процессов имеют цепной характер.

Эти две стадии повторяются многократно до тех пор, пока не произойдет обрыв цепи.

3 этап — обрыв цепи

Цепной процесс может оборваться либо за счет рекомбинации двух свободных радикалов,

либо дезактивации свободного радикала при столкновении со стенкой сосуда или молекулой ингибитора.

Региоселективность реакций радикального замещения

В случае молекул более сложных, чем метан и этан, реакции S_R протекают региоселективно, например:

Соотношение продуктов реакции показывает, что замещение атома водорода у вторичного атома углерода происходит гораздо легче, чем у первичного (статистически соотношение было бы 1 : 3).

Для понимания причин такой избирательности можно использовать два фактора: статический и динамический, однако надо иметь в виду, что если они противоречат друг другу, определяющим является динамический.

В данном случае в качестве статического фактора можно рассматривать энергию, необходимую для разрыва связи углерод-водород (чем ниже энергия разрыва связи, тем легче отрывается атом водорода при радикальной атаке и тем быстрее происходит реакция):

Динамическим фактором, определяющим направление свободно-радикального процесса, является относительная устойчивость (стабильность) образующихся в процессе активных промежуточных частиц — свободных радикалов (чем меньше энергия частицы, тем более она устойчива и тем легче образуется). В свою очередь, энергия радикала связана с возможностями делокализации (рассредоточения) неспаренного электрона по остальной части частицы.

Атом углерода, обладающий неспаренным электроном, как правило, имеет sp²-гибридизацию и несет этот электрон на р-орбитали.

Наиболее активным и, следовательно, наименее устойчивым, является метильный радикал, в котором нет никаких возможностей делокализации неспаренного электрона:

В этильном радикале возможно некоторое перекрывание р-орбитали неспаренного электрона с σ молекулярной орбиталью С–Н-связи соседней метильной группы , что приводит к частичной делокализации неспаренного электрона на С–Н-связях соседнего атома углерода и небольшому понижению энергии частицы.

В изопропильном радикале возможностей делокализации неспаренного электрона в 2 раза больше, а в трет-бутильном в 3 раза больше, чем в этильном.

Таким образом, устойчивость радикалов возрастает в ряду: первичный < вторичный < третичный.

Наибольшей устойчивостью обладают свободные радикалы аллильного или бензильного типа, в которых р-орбиталь, несущая неспаренный электрон, входит в систему сопряжения.

Сопряжение в аллильном радикале. Видно, что два концевых атома углерода совершенно одинаковы, и неспаренный электрон полностью делокализовался по всей частице

Такие частицы называют мезомерными. Для выяснения места локализации неспаренного электрона или заряда в мезомерных частицах используют так называемые мезомерные (резонансные) структуры — возможные структуры, написанные с соблюдением правил валентности. Для аллильного радикала можно написать две равновероятные структуры:

Обоюдоострая стрелка означает, что реальное строение частицы среднее между этими двумя граничными структурами, т.е. неспаренный электрон наполовину находится на первом атоме углерода и наполовину – на третьем.

Сопряжение в бензильном радикале и соответствующие резонансные структуры:

Преимущественное направление радикальной атаки:

бутен-1 радикал аллильного типа

этилбензол радикал бензильного типа

Влияние различных факторов на селективность радикальных реакций:

Чем активнее реагент и чем выше температура, тем меньше селективность.

Более высокая селективность менее активного реагента (радикала брома) по сравнению с более активным реагентом (радикалом хлора) — общая закономерность в протекании органических реакций.

Реакции пероксидного окисления

гидропероксид

Гидропероксиды — производные пероксида водорода, в котором один атом водорода замещен на органический радикал.

Схема механизма реакции пероксидного окисления (реакция типа S_R)

1) стадия инициирования:

где — любой достаточно активный свободный радикал.

2) стадии развития цепи:

(пероксидный радикал)

3) возможные стадии обрыва цепи:

(пероксид)

или

Пероксиды — производные пероксида водорода, в котором два атома водорода замещены на органические радикалы.

Антиоксиданты — природные органические вещества, способные предотвращать развитие неблагоприятных для живого организма радикальных окислительных процессов. Наиболее важные антиоксиданты — витамины Е (токоферолы), А (ретинол), С (аскорбиновая кислота), каротины и биофлавоноиды.

Примеры реакций пероксидного окисления:

диэтиловый эфир гидропероксид диэтилового эфира

циклогексен гидропероксид циклогексена

изопропилбензол гидропероксид изопропилбензола

Пероксидное окисление липидов

Реакция пероксидного окисления является основной причиной повреждения и разрушения клеточных мембран в живом организме.

остаток олеиновой кислоты

Фрагмент липида клеточной

мембраны

аллильное положение

Любая достаточно активная свободно-радикальная частица (), появившаяся в липидном слое, атакует фрагмент ненасыщенной карбоновой кислоты в одном из аллильных положений, отрывая атом водорода. В результате из фрагмента олеиновой кислоты может образоваться два мезомерных радикала:

радикал I радикал II

Допустим, что образовался радикал I, тогда его резонансными структурами будут:

О₂ О₂

продукты распада

Фрагменты полиненасыщенных кислот подвергаются пероксидному окислению легче, чем фрагменты олеиновой кислоты. Природные антиоксиданты защищают организм от реакций пероксидного окисления.