Con algunhas excepcións, estes electróns desapareados orixinan radicais libres moi reactivos para con outras substancias, ou con eles mesmos: as súas moléculas a miúdodimerízanse espontaneamente oupolimerízanse se están en contacto unhas con outras. A maioría dos radicais só son razoablemente estables se están en moi baixas concentracións en medios inertes ou no baleiro.
Un exemplo notable de radical libre é oradical hidroxilo (HO•), que é unha molécula que ten un electrón desapareado no átomo deoxíxeno. Outros dous exemplos son ooxíxeno triplete e ocarbeno triplete (:CH2) que teñen dous electróns desapareados. Ao contrario, o aniónhidróxido (HO-) non é un radical, xa que o electrón desapareado é resolto pola adición dun electrón; ooxíxeno singlete e o carbeno singlete tampouco son radicais, xa que os seus dous electróns están apareados.
Os radicais libres poden crearse de varias maneiras, incuíndo a síntese con reactivos rarificados moi diluídos, as reaccións a moi baixas temperaturas, ou a rotura de moléculas máis grandes. Isto último pode ser favorecido por calquera proceso que ceda suficiente enerxía á molécula parental, como unharadiación ionizante, calor, descargas eléctricas,electrólise, e reaccións químicas. Os radicais son estadios intermedios en moitas reaccións químicas.
Os radicais libres xogan un importante papel nacombustión,química atmosférica,polimerización, química doplasma,bioquímica, e moitos outros procesos químicos. Nos organismos vivos, os radicais químicossuperóxido eóxido nítrico e os seus produtos de reacción regulan moitos procesos, como o control do ton vascular e dapresión arterial. Tamén xogan un papel clave no metabolismo intermediario de varios compostos biolóxicos. Eses radicais mesmo poden ser mensaxeiros nun proceso denominadosinalización redox. Un radical pode ser atrapado dentro dunhagaiola de solvente ou ser en caso contrario enlazado.
Durante moito tempo o termo radical usouse significando grupo químico unido a outra molécula. Cando se quería especificar que non estaba unido a outra molécula denominábase radical libre. Actualmente as partes dunha molécula maior (por exemplo, un grupocarboxilo ou un grupometilo) denomínansegrupos funcionais ousubstituíntes, polo que non se usa radical con ese significado. As directrices actuais da IUPAC indican que aos grupos (xeralmente non unidos) con electróns desapareados se lles chame, simplemente, radicais, sen engadir o adxectivo "libre". Non obstante, o termo "radical libre" aínda aparece moito na literatura, e utilizarase tamén neste artigo para evitar toda ambigüidade.[1]
O termo radical estaba xa en uso cando se desenvolveu a teoría dos radicais.Louis-Bernard Guyton de Morveau introducía o termo "radical" en 1785 e despois foi empregado porAntoine Lavoisier en 1789 no seuTraité Élémentaire de Chimie. Un radical foi identificado como a raíz básica de certos ácidos (a palabra latina "radix" significa "raíz"). Historicamente, o termoradical nateoría dos radicais tamén se utilizou para partes unidas a unha molécula, especialmente cando permanecen inalteradas nas reaccións. Estes radicais denomínanse agoragrupos funcionais. Por exemplo, ometanol foi descrito como formado por un radical metilo e un radical hidroxilo. Pero ningún deles é un radical no sentido químico moderno do termo, xa que están permanentemente unidos entre si, e non teñen electróns desapareados reactivos; porén, estes grupos poden observarse como radicais naespectrometría de masas cando son separados por irradiación con electróns enerxéticos.
En reaccións químicas, os radicais libres son normalmente representados por unpunto situado inmediatamente á dereita do símbolo atómico ou fórmula molecular, tal como segue:
O gas cloro pode ser escindido pola luz ultravioleta, orixinando dous radicais cloro atómicos.
Os mecanismos de reacción dos radicais usan frechas dunha soa cabeza (ver debuxo) para indicar o movemento dun electrón:
A clivaxehomolítica do enlace que rompe debúxase cunha frecha con punta de 'amocelo' para distinguila do movemento usual de dous electróns representado por unha frecha estándar curva[2]. Hai que salientar que o segundo electrón do enlace que rompe tamén se move para emparellarse co electrón do radical de ataque; isto non está explicitamente indicado neste caso.
Os radicais libres tamén forman parte daadición radical e dasubstitución radical comointermediarios reactivos. As cadeas de reaccións que implican radicais libres poden xeralmente dividirse en tres procesos diferentes, que son:iniciación,propagación, eterminación.
Reaccións deiniciación son aquelas que teñen como resultado un incremento neto no número de radicais libres. Poden implicar a formación de radicais libres a partir de especies estables como na reacción de arriba ou poden implicar reaccións de radicais libres con especies estables para formar máis radicais libres.
Reaccións depropagación son aquelas reaccións que implican radicais libres nas cales o número total de radicais libres permanece igual.
Reaccións determinación son aquelas que dan lugar a unha diminución neta no número de radicais libres. Tipicamente dous radicais libres combínanse para formar unha especie máis estable, por exemplo: 2Cl·→ Cl2
A formación de radicais pode implicar a rotura de enlaces covalentes porhomólise, un proceso que require cantidades significativas de enerxía. Tales enerxías denomínanse enerxías de disociación de enlace homolíticas, xeralmente abreviadas como "ΔH°". Ao escindirse o H2 en 2H•, por exemplo, require un ΔH° de +435 kJ·mol-1, mentres que a escisión de Cl2 en 2Cl• require un ΔH° de +243 kJ·mol−1.
Aenerxía de enlace entre dous átomos enlazados covalentemente está afectada pola estrutura global da molécula, non simplemente pola identidade dos dous átomos. Igualmente, os radicais que requiren máis enerxía para formarse son menos estables que os que requiren menos enerxía. Unha barreira adicional pode ser aregra de selección. Porén, a propagación, é moiexotérmica.
O primeiro exemplo dun radical estable é odioxíxeno molecular (O2). Outro exempolo común é oóxido nítrico (NO). Os radicais orgánicos poden ser de vida longa se aparecen nun sistema π conxugado, como o radical derivado doα-tocoferol (vitamina E). Hai tamén centos de exemplos de radicaistiazil, que presentan unha baixa reactividade e unha estabilidade termodinámica notable con só unha moi limitadaestabilización de resonancia π.[3][4]
Os compostos radicais persistentes son aqueles que teñen unha lonxevidade debida aateigamento estérico arredor do centro radical, o que fai fisicamente difícil para o radical reaccionar con outra molécula.[5] Exemplos son oradical trifenilmetil de Gomberg, osal de Fremy (potasio nitrosodisulfonato, (KSO3)2NO·), osnitróxidos, (fórmula xeral R2NO·) comoTEMPO,TEMPOL, nitronil nitróxidos, eazefenilenís e radicais derivados de PTM (radical perclorofenilmetil) e TTM (radical tris(2,4,6-triclorofenil)metil). Xéranse radicais persistentes en grandes cantidades durante a combustión, e "poden ser responsables doestrés oxidativo que se orixina na enfermidade cardiopulmonar e probablemente no cancro, que foi atribuído á exposición a partículas finas presentes no aire."[6]
Osdirradicais son moléculas que conteñen dous centros radicais. Nunha molécula poden existir moitos centros radicais. O oxíxeno atmosférico existe naturalmente como un dirradical no seu estado fundamental comooxíxeno triplete. A baixa reactividade do oxíxeno atmosférico débese ao seu estado dirradical. Os estados de non radical do dioxíxeno son en realidade menos estables que o de dirradical. A estabilidade relativa do dirradical oxíxeno é principalmente debida á natureza despin prohibido da transición triplete-singlete requirida para que atrape electróns, é dicir, para que se "oxide". O estado dirradical do oxíxeno tamén se orixina polo seu carácterparamagnético, que se demostra pola súa atracción por un imán externo.[7]
Os intermediarios alquilo radicais son estabilizados por procesos químicos similares aos doscarbocatións: como regra xeral, canto máis substituído está o centro radical, máis estable é. Isto é o que dirixe as súas reaccións. Así, a formación dun radical terciario (R3C·) está favorecida sobre a formación dun secundario (R2HC·), que á súa vez está favorecido con respecto á formación dun primario (RH2C·). Igualmente, os radicais que están ao lado degrupos funcionais como ocarbonilo,nitrilo eéter son máis estables que os radicais alquilo terciarios.
Os radicais atacandobres enlaces. Porén, a diferenza de ións similares, estas reaccións de radicais non están tan dirixidas por interaccións electrostáticas. Por exemplo, a reactividade de ións nucleofílicos con compostos α,β-insaturados (C=C–C=O) é dirixida polo efecto de retirada do electrón do oxíxeno, o que orixina unhacarga parcial positiva situada sobre o carbono do carbonilo. Hai dúas reaccións que se observan no caso iónico: o carbonilo é atacado nunha adición directa ao carbonilo, ou o vinilo é atacado enadición conxugada, e en ambos os casos a carga sobre onucleófilo é captada polo oxíxeno. Os radicais engádense rapidamente ao dobre enlace, e o α-radical carbonilo resultante é relativamente estable; pode acoplarse con outra molécula ou ser oxidado. Non obstante, o carácter electrofílico/neutrofílico dos radicais foi observado en varios casos. Un exemplo é a tendencia alternante da copolimerización doanhídrido maleico (electrofílico) eestireno (lixeiramentenucleofílico).
En reaccións intramoleculares, pode conseguirse un control preciso malia a extrema reactividade dos radicais. En xeral, os radicais atacan o sitio reactivo máis próximo con maior facilidade. Por tanto, cando hai elección, obsérvase unha preferencia por aneis de cinco membros: os aneis de cinco membros están demasiado tensionados, e as colisións con carbonos situados a seis ou máis átomos de distancia na cadea son infrecuentes.
Oscarbenos tripletes enitrenos, que son dirradicais, teñen unha química distintiva.
Unha reacción familiar de radicais libres é acombustión. A molécula deoxíxeno é undirradical estable, que se representa máis apropiadamente como ·O-O·. Como os spins dos electróns son paralelos, esta molécula é estable. Aínda que oestado fundamental do oxíxeno é o dirradical (triplete) de spin desapareado non reactivo, existe tamén un estado (singlete) despin apareado extremadamente reactivo. Para que ocorra a combustión, abarreira de enerxía entre estes debe ser superada. Esta barreira pode ser superada con calor, para o que cómpren altas temperaturas. A transición triplete-singlete é tamén unha transición "prohibida". Isto supón unha barreira adicional á reacción. Tamén significa que o oxíxeno molecular é relativamente non reactivo a temperatura moderada agás en presenza de átomos pesados catalíticos como oferro ou ocobre.
A combustión consiste en varias reaccións en cadea de radicais que pode iniciar o oxíxeno singlete. Ainflamabilidade dun material dado depende fortemente da concentración de radicais libres que se debe obter antes de que a iniciación e propagación das reaccións dominen orixinando a combustión do material. Unha vez que o material combustible se consumiu, as reaccións de terminación dominan outra vez e a chama apágase. Como se indicou, a promoción de reaccións de propagación ou terminación altera a inflamabilidade. Por exemplo, antes era común engadirlle ágasolinatetraetilo de chumbo, xa que o propio chumbo desactiva os radicais libres na mestura gasolina-aire (actualmente utilízase gasolina sen chumbo para evitar a contaminación). Isto impide que a combustión se inicie de maneira incontrolada ou en residuos non queimados (detonación oupicado do motor) ou a ignición prematura (autoencendido oupreignición).
Ademais da combustión, moitas reaccións depolimerización implican radicais libres. Como resultado, moitos plásticos, esmaltes, e outros polímeros fórmanse porpolimerización de radicais. Por exemplo, osaceites de secado e pinturasalquido (conpoliésteres modificados pola adicion deácidos graxos e outros compoñentes) endurecen debido a enlaces cruzados de radicais por causa do oxíxenoatmosférico.
Avances recentes en métodos de polimerización de radicais, coñecidos como polimerización de radicais "vivos" (living radical polymerization) son:
Transferencia de adición reversible-fragmentación de cadea (RAFT)
Polimerización de radicais de transferencia de átomos (ATRP)
Polimerización mediada por nitróxido (NMP)
Estes métodos producen polímeros cunha distribución máis estreita de pesos moleculares.
O radical máis común na baixa atmosfera é odioxíxeno molecular. Afotodisociación de certas moléculas produce outros radicais libres. Na baixa atmosfera, os exemplos máis importantes da produción de radicais libres son a fotodisociación dodióxido de nitróxeno para dar un átomo de oxíxeno eóxido nítrico (ver ecuación 1 máis abaixo), o cal desempeña un papel clave na formación dosmog, e na fotodisociación doozono para dar o átomo de oxíxeno excitado O(1D) (ver ecuación 2 máis abaixo). As reaccións neta e de retorno móstranse tamén (ecuacións 3 e 4, respectivamente).
Na alta atmosfera, unha fonte especialmente importante de radicais é a fotodisociación declorofluorocarbonos (CFCs) normalmente non reactivos polaradiación ultravioleta solar, ou por reaccións con outros constituíntesestratosféricos (ver ecuación 1 máis abaixo). Estas reaccións renden o radical cloro Cl•, que reacciona coozono nunhareacción en cadea catalítica que acaba producindo unhadiminución da capa de ozono e unha rexeneración do radical cloro, o que permite que volva a participar na reacción (ver ecuación 2–4 máis abaixo). Crese que ditas reaccións son a causa principal da diminución dacapa de ozono (o resultado neto móstrase na ecuación 5 de máis abaixo), e a isto débese que se restrinxise o uso dos clorofluorocarbonos comorefrixerantes.
Os radicais libres xogan un importante papel en varios procesos biolóxicos. Moitos deles son necesarios para a vida, como no proceso necesario para matar intracelularmente bacterias que ten lugar nas célulasfagocíticas como osgranulocitos e osmacrófagos. Os radicais libres foron implicados en certos procesos detransdución de sinais,[8] chamadossinalización redox.
Os dous radicais libres máis importantes centrados no oxíxeno son osuperóxido e oradical hidroxilo. Derivan do oxíxeno molecular en condiciónsredutoras. Porén, debido á súa reactividade, estes mesmos radicais libres poden participar en reaccións laterais non desexadas que causan danos celulares. A presenza de cantidades excesivas destes radicais libres poden orixinar danos e morte celular, o cal pode contribuír a moitas doenzas como ocancro,accidente cerebrovascular,infarto agudo de miocardio,diabete e trastornos importantes.[9] Pénsase que moitas formas de cancro son o resultado de reaccións entre radicais libres e oADN, que potencialmente teñen como resultadomutacións que pode afectar negativamente aociclo celular e poden levar á formación dun tumor maligno.[10] Algúns dos síntomas doenvellecemento ousenescencia como aaterosclerose tamén se atribúen á oxidación docolesterol inducida polos radicais libres, que dá lugar a 7-cetocolesterol.[11] Ademais, os radicais libres contribúen ao danos hepáticos inducidos poloalcohol, quizais máis que o propio alcohol. Os radicais libres producidos polo fume doscigarros están implicados na inactivación daalfa 1-antitripsina nospulmóns; este proceso promove o desenvolvemento deenfisemas.
Os radicais libres poden tamén estar implicados naenfermidade de Parkinson, axordeira senil e inducida por fármacos,esquizofrenia, eenfermidade de Alzheimer.[12] A síndrome de radicais libres clásica, a enfermidade de almacenamento de ferro chamadahemocromatose, está tipicamente asociada cunha constelación de síndromes relacionadas cos radicais libres que inclúen trastornos do movemento, psicoses, anormalidades damelanina pigmentaria dapel, xordeira,artrite, ediabetes mellitus. Ateoría dos radicais libres sobre oenvellecemento propón que a acción dos radicais libres subxace no proceso da senescencia. Por outra parte, o proceso da mitohormese (hormese mitocondrial) suxire que a exposición repetida a pequenas doses de radicais libres pode aumentar a duración da vida en condicións de restrición deglicosa e práctica regular de exercicio físico.
Como os radicais libres son necesarios para a vida, o corpo ten varios mecanismos para minimizar os danos inducidos polos radicais libres e para reparar os danos que se produzan, como poden serencimas como asuperóxido dismutase,catalase,glutatión peroxidase eglutatión redutase. Ademais, osantioxidantes xogan un papel clave nestes mecanismos de defensa. Entre eles están as tres vitaminasA,C eE e osantioxidantes polifenólicos. Ademais, non hai probas claras que indiquen que abilirrubina e oácido úrico poden actuar como antioxidantes para axudar a neutralizar certos radicais libres. A bilirrubina procede da degradación do contido doseritrocitos mortos, mentres que o ácido úrico é un produto da degradación daspurinas. Porén, demasiada bilirrubina pode orixinarictericia, o cal pode finamente danar osistema nervioso central, mentres que un exceso de ácido úrico causa agota.[13]
Aoxibenzona forma radicais libres á luz do sol, e, por tanto, pode ser asociada con danos celulares. Isto só ocorre cando é combinada con outros compoñentes que adoitan encontrarse en filtros solares, como oóxido de titanio eoctil metoxicinamato.[14]
Na maioría dos campos da química, a definición histórica de radical afirma que as moléculas teñen unspin distinto de cero. Porén, en campos como aespectroscopia,reaccións químicas, eastroquímica, a definición é lixeiramente diferente.Gerhard Herzberg, gañador dopremio Nobel polas súas investigacións sobre a xeometría e estrutura electrónica dos radicais, suxeriu unha definición menos estrita de radical libre: "calquera especie transitoria (quimicamente inestable) sexa átomo, molécula ou ión".[15] O principal punto desta proposta é que hai moitas moléculas quimicamente inestables que teñen spin cero, como C2, C3, CH2 etc. Esta definición é máis conveniente para discusións de procesos químicos transitorios e en astroquímica; por tanto, os investigadores neses campos prefiren usar esta definición menos estrita.[16]
Unha técnica amplamente usada para estudar os radicais libres, e outras especies paramagnéticas, é a espectroscopia de resonancia de spin do electrón (ESR), que tamén se pode denominar espectroscopia de "resonancia paramagnética do electrón" (EPR). Está relacionada conceptualmente coaresonancia magnética nuclear, aínda que os electróns presentan resonancia con campos de frecuencia máis alta nun determinadocampo magnético fixado que a que presentan a maioría dos núcleos atómicos.
Poden medirse os derivados estables específicos ou non específicos de substancias fisiolóxicas, por exemplo produtos de peroxidación de lípidos (isoprostanos,TBARS),aminoácidos produtos de oxidación (meta-tirosina, orto-tirosina, hidroxi-leucina, ditirosina etc.), produtos da oxidación depéptidos (glutatión disulfuro ou oxidado, GSSG)
O2,2'-azobis(2-amidinopropano) dihidrocloruro (AAPH) é un composto químico usado para estudar a química daoxidación defármacos.[17] É uncomposto azo que xera radicais libres. Está facéndose cada vez máis importante como oxidante modelo en terapéuticas que usan pequenas moléculas ou proteínas pola súa capacidade de iniciar reaccións de oxidación por medio tanto de mecanismos nucleofílicos coma de radicais libres.[18]
Método indirecto.
Medidas do decrecemento na cantidade de antioxidantes (por exemplo, TAS,glutatión reducido, GSH).
Utiliza unha especie química que reacciona cos radicais libres para formar un produto estable, que pode despois ser medido facilmente (radical hidroxilo eácido salicílico).
↑Rajamani Karthikeyan, Manivasagam T, Anantharaman P, Balasubramanian T, Somasundaram ST (2011). "Chemopreventive effect of Padina boergesenii extracts on ferric nitrilotriacetate (Fe-NTA)-induced oxidative damage in Wistar rats".J. Appl. Phycol. 23, Issue 2, Page 257 (2): 257–263.doi:10.1007/s10811-010-9564-0.
↑Mukherjee, P. K., Marcheselli, V. L., Serhan, C. N., & Bazan, N. G. (2004). Neuroprotecin D1: A docosahexanoic acid-derived docosatriene protects human retinal pigment epithelial cells from oxidative stress. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 101(22), 8491–8496.doi10.1073/pnas.0402531101
↑Floyd, R. A., (1999). Neuroinflammatory processes are important in neurodegenerative diseases: An hypothesis to explain the increased formation of reactive oxygen and nitrogen species as major factors involved in neurodegenerative disease development. Free Radical Biology and Medicine, 26(9–10), 1346–1355.doi10.1016/S0891-5849(98)002937
↑Serpone N, Salinaro A, Emeline AV, Horikoshi S, Hidaka H, Zhao JC. 2002. An in vitro systematic spectroscopic examination of the photostabilities of a random set of commercial sunscreen lotions and their chemical UVB/UVA active agents. Photochemical & Photobiological Sciences 1(12): 970-981.
↑G. Herzberg (1971), "The spectra and structures of simple free radicals",ISBN 0-486-65821-X.
↑Werber, Jay; Wang, Y. John; Milligan, Michael; Li, Xiaohua; Ji, Junyan A. (2011). "Analysis of 2,2′-azobis (2-amidinopropane) dihydrochloride degradation and hydrolysis in aqueous solutions".Journal of Pharmaceutical Sciences100 (8): 3307–15.PMID21560126.doi:10.1002/jps.22578.
