体系中自由基的检测

2025-08-24 浏览：195 次作者：admin

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本文是根据文献结合实验心得，整理的相关知识点。主要对自由基的概念及产生、自由基反应的特性等进行了介绍；体系中自由基的检测的方法主要包括：淬灭剂间接证实、分光光度法、化学发光法、荧光探针法、高效液相色谱法、电子顺磁共振法。其中重点介绍了自由基淬灭实验间接证实和电子顺磁共振（EPR）测试识别两种方法。希望能帮助到有所需的同学，同时如有错误，欢迎私信交流。

自由基的介绍

一、自由基基本概念

自由基又称游离基，是具有非偶电子的基团或原子。在一个化学反应中，或在外界（光、热等）影响下，分子中共价键分裂的结果，使共用电子对变为一方所独占，则形成离子；若分裂的结果使共用电子对分属于两个原子（或基团），则形成自由基。在书写时，一般在原子符号或者原子团符号旁边加上一个“·”表示没有成对的电子。

两个主要特性：

一是化学反应活性高；

二是具有磁矩（使用EPR技术测定自由基的可能性）。

二、体系中自由基的检测

1、淬灭剂间接证实

2、分光光度法

3、化学发光法

4、荧光探针法

5、高效液相色谱法

6、电子顺磁共振法

自由基的产生：光照、氧化还原反应、热均裂等都会导致自由基的产生，光照产生自由基的两个优点为：反应可以在任何的温度下进行，这样就可能进行低温研究；自由基产生的速率可以通过光强度的调节和吸收物种的浓度加以控制。此外采用紫外光照射时，通常需要在石英容器中，而不是在普通硬质玻璃容器中。过渡金属离子是有用的氧化还原剂，它们可以在相对较低温度下分解过氧化物产生自由基。

三、自由基反应的特性

1、分类

自由基反应可分为自由基化合过程和自由基转移过程。前者包含两个自由基，并导致生成的所有电子都成对的非-自由基过程；而后者则产生一个新自由基，这个新自由基进一步和周围的分子反应。

注意：笼闭效应、歧化反应、氧化还原反应、置换反应、加成反应、碎裂反应、插入反应；

2、自由基连锁反应的特点

一个自由基，由于它的未成对电子一经生成就会尽快地和它周围的分子或其他自由基反应，以满足正常的价键需要，这个反应的推动力是在生成键时所释放出的能量。例如，要引起一个自由基反应，必须将起始的自由基引入到含有反应物或反应混合物的体系中去，这些反应物然后受起始自由基的进攻，生成新的自由基，便生成反应链。这一步就称作反应的引发，反应的引发可通过不同的方法进行，其中之一是用紫外光照射，通过均裂而产生起始的自由基。

另一种方法是加入一种易于发生均裂便能提供这种自由基的试剂。这里必须注意，所需的引发剂量很少，因为反应一经引发，所产生的新的自由基可以进一步反应，即可通过夺取、加成、碎裂等反应的任一方法，便可增长这个反应。增长反应最后导致消耗大量的作用物分子。这个在大多数均裂反应中所观察到的连锁本质，是自由基化学最大的与众不同的特征。这个链可以用任一破坏自由基的方法，例如偶联或歧化，进行终止。

连锁反应中包括三步，即引发、链增长和链终止。

由于自由基活性较高，它和其他分子的反应通常是较快的，并具有较低的活化能。自由基是一种不带电荷的实体，对于溶剂或在反应位置上的极性效应是不敏感的，这就使它们的反应具有较低的选择性。一般，自由基的稳定性是最重要的控制因素，反应所取的途径，将按生成较稳定自由基的方向进行。而其次，将大大取决于反应的动能学和所包括的键的强度。因而可以预期，反应是这样进行的，即最弱的键首先断裂。

3、过渡态

必须考虑反应中所包含的能量，以了解控制反应的因素，诸如进攻的自由基的活性，反应各个步骤的组份的相对速率以及它们的放热性。过渡态的结构，都依赖于部分生成的键和部分断裂的键的性能。

四、光化学过程

根据方程式E=hv计算，500nm波长的可见光相当于57.2千卡/摩尔，而300nm紫外线（UV）照射，则相当于95.3千卡/摩尔。这一波长的紫外线和更小波长的紫外线（能量大于95千卡/摩尔）都足以使有机化合物中几乎所有类型的单键发生均裂。但是，要发生光化学反应，则这个照射首先一定要被分子所吸收，至于是否能达到这一情况，可从显示的吸收谱带加以肯定，该吸收谱带相当于被吸收的、照射的波长。

光化学的基本理论：吸收UV和可见光照射的有机分子，通常含有Π-键或非键电子对。研究得最深入的有机分子之一是羰基键，它具有Π-成键（Π）和反键（Π*）轨道以及氧原子上孤对电子的非键（n）轨道。无论（Π-Π*）或（n-Π*）转移，都由量子限制所控制，其中有一条讲到单线态-三线态转移是禁阻的。这就意味着从基态到激发态的激发过程，会随着总电子自旋保持（或守恒）而发生。由于大多数有机分子的基态（自由基或双自由基除外）必然是单线态，即所有自旋都成对，因此，只能发生从单线基态到激发单线态的激发，而直接激发到三线态是禁阻的。由吸收光量子而产生的激发态分子，会由于几种物理过程而失去吸收的能量，并再回到基态，如内转变、系统间交叉、荧光、磷光或能量转移。

淬灭剂间接证实

淬灭实验就是在反应体系中加入某些化合物，这些化合物与特定的自由基具有较高的反应速率，会快速消耗体系中的自由基。当反应体系中的自由基被消耗后，能够与污染物反应的自由基数量减少，进而导致污染物的降解速率就被抑制或者不降解。这些加入的化合物就被称为自由基淬灭剂或者清除剂。添加淬灭剂对体系降解的抑制程度可用于评估相应反应物种的贡献，抑制程度越高，反应性物质就越重要。

自由基与常用淬灭剂的反应速率常数

从上述表中我们可以发现，O2•−可以被对苯醌（BQ）淬灭，对于1O2而言，叠氮化钠（NaN3）、L-组氨酸和糠醇（FFA）被认为是有效的淬灭剂。其中NaN3与1O2的结合能力是三者中最强的，但考虑到NaN3属于剧毒品，安全性上推荐使用糠醇或L-组氨酸。此外应注意，在识别自由基时，猝灭剂应过量以确保自由基与猝灭剂之间的完全反应。同时应区分反应体系溶液中和催化剂表面上存在的自由基，以深入了解反应机理。除此之外，要注意淬灭剂的加入可能会产生其他反应物，这些产物可以促进或阻碍现有的反应。已有研究发现在加入醇后生成的醇自由基会促进过氧化氢分解，产生羟基自由基，加速反应物的氧化降解，而不是我们传统认识中的醇会淬灭羟基自由基。

电子顺磁共振法

电子顺磁共振波谱学（ElectronParamagneticResonancespectroscopy，EPR）是研究至少含有一个或一个以上未配对电子（或未成对电子）的磁性物质的电磁波谱法，提供着原位和无损的电子、轨道和原子核等微观尺度的信息。

基本原理：电子是具有一定质量和带负电荷的一种基本粒子，它能进行两种运动：一种是在围绕原子核的轨道上运动，另一种是对通过其中心的轴所作的自旋。由于电子的运动产生力矩，在运动中产生电流和磁矩。在外加恒磁场H中，电子磁矩的作用如同细小的磁棒或磁针，由于电子的自旋量子数为1/2，故电子在外磁场中只有两种取向：一与H平行，对应于低能级，能量为-1/2gβH；一与H逆平行，对应于高能级，能量为+1/2gβH，两能级之间的能量差为gβH。若在垂直于H的方向，加上频率为ν的电磁波使恰能满足hν=gβH这一条件时，低能级的电子即吸收电磁波能量而跃迁到高能级，此即所谓电子顺磁共振。

1、EPR技术

在常规体系中会产生许多瞬态自由基，现有的EPR技术而言，一次完整的波谱扫描通常是在秒量级，而自由基的寿命都在飞秒级别。因此，直接用EPR是根本测不到自由基信号的。为了实现自由基的检测，研究人员开发了一种能够捕获自由基的探针分子，它们会与这些寿命短的自由基结合，生成一种寿命较长的自旋加合物（如下图：自旋捕获反应历程），加合物的寿命通常在分钟以及小时量级，完全可以进行多次的波谱扫描。通过EPR对自旋加合物的分子结构进行解析，通过逐一鉴定EPR谱线上各峰对应组分结构，可以推断并鉴定体系中的自由基种类。

2、捕获剂

常用的自旋捕获剂有DMPO、PBN、MNP等。

DMPO（5,5-二甲基-1-氧化吡咯啉）是一种对氧自由基捕集效率很高的自旋捕获剂，而且形成的自旋加合物DMPO-OH、DMPO-OOH有很特别的超精细分裂图谱和超精细分裂常数。

实验室常检自由基的捕获剂选择及溶剂选择

3、超精细分裂常数

把未成对电子自旋磁矩与核自旋磁矩间的相互作用称为超精细相互作用。由超精细相互作用可以产生许多谱线，就称为超精细线或超精细结构(hfs)。对超精细谱线数目、谱线间隔及其相对强度的分析，有助于确定自由基等顺磁物质的分子结构。

超精细分裂常数是电子顺磁波谱中的重要谱学参数，指未偶电子自旋偶极子与磁性核相互作用产生谱线裂分时，相邻谱线的间距，又称为A值。它可以用来衡量电子与核之间的磁相互作用能。

以DMPO作为自旋捕获剂时，超精细分裂常数主要包括两个：AN和AH。

常见自由基的超精细分裂常数如下所示（以DMPO作为自由基捕获剂）：

4、注意的实验细节

（1）选择有利于自由基较稳定存在的化学环境，如pH、溶剂及其活性、温度等。O2•−在甲醇和DMSO溶剂较为稳定而被DMPO所捕获。效地检测。在捕获过程中，自由基加成产物本身还是一个自由基，也可能会再发生重组、歧化或降解等反应。有些自由基加成产物比较活泼，为防止二级等后续反应，因此需要先用液氮迅速冷冻保存然后再快速升温和测试。

（2）与此同时，在具体的实际化学反应过程中，所生成的自由基不是仅有一种，而往往两种、三种、甚至更多种。因此需要进一步进行谱图分析。

（3）捕获剂活性的检测和再纯化。捕获剂在生产、贮存、分装和使用等过程，会发生失活、变性、降解等反应(如下图)。