Радикалы свободные

Радикалы свободные, кинетически независимые частицы, характеризующиеся наличием неспаренных электронов. Например, к неорганическим Р. с., имеющим на внешнем уровне один электрон (см. Атом, Валентность), относятся атомы водорода Н·, щелочных металлов (Na·, К· и др.) и галогенов (Cl, Br, F, I), молекулы окиси ·NO и двуокиси NO₂ азота (точка означает неспаренный электрон). Наиболее широко распространены Р. с. в органической химии. Их подразделяют на короткоживущие и долгоживущие. Короткоживущие алкильные (R) и арильные (Ar) Р. с. со временем жизни менее 0,1 сек образуются при гомолитическом расщеплении различных химических связей. Впервые алкильные Р. с. метил (Н₃) и этил (СН3Н₂) были обнаружены (1929) Ф. Панетом при термическом разложении тетраметил- и тетраэтилсвинца в газовой фазе. Для короткоживущих Р. с. характерны реакции рекомбинации (а), присоединения (б) и диспропорционирования (в), протекающие с очень высокими скоростями:

CH₃CH₂H₂ + CH₃CH₂H₂ = CH₃(CH₂)₄CH₃ (а)

CH₃CH₂H₂ + R = CH₃CH₂CH₂ (б)

CH₃CH₂H₂ + CH₃CH₂H₂ == CH₃CH₂CH₃ + CH₃CH=CH₂ (в)

  С. Хиншелвуд и Н. Н. Семенов показали важную роль короткоживущих Р. с. в цепных реакциях, механизм которых включает перечисленные выше типы реакций.

  Значительное число Р. с. принадлежит к долгоживущим, или стабильным. В зависимости от условий (например, наличие или отсутствие влаги и кислорода воздуха) продолжительность жизни их составляет от нескольких минут до нескольких месяцев и даже лет. Более высокая устойчивость этих Р. с. обусловлена следующими основными причинами: 1) частичной потерей активности неспаренного электрона в результате взаимодействия его со многими атомами молекулы (т. н. делокализация неспаренного электрона); 2) малой доступностью атома, несущего неспаренный электрон, вследствие экранирования его соседними атомами (см. Пространственные затруднения).

  Первый стабильный Р. с. — трифенил-метил (С₆Н₅)₃ был получен (1900) американским химиком М. Гомбергом при действии серебра на трифенилбромметан. Устойчивость этого радикала связана с делокализацией неспаренного электрона по всем атомам, что формально можно объяснить резонансом между возможными электронными структурами (см. Резонанса теория, Квантовая химия):

  Известно большое число триарилметильных Р. с. К Р. с., стабильным благодаря пространственным явлениям, относятся продукты окисления замещенных фенолов, т. н. феноксильные Р. с., например три-трет-бутилфеноксил (1). Др.(Древн) примеры долгоживущих Р. с. — дифенилпикрилгидразил (II), а также иминоксильные Р. с., апреля тетраметилпиперидиноксил (III) и бис-трифторметилнитроксил (IV):

  При окислении или восстановлении нейтральных молекул образуются заряженные Р. с. — катион-радикалы (например, при окислении ароматических углеводородов кислородом) или анион-радикалы (при восстановлении ароматических углеводородов щелочными металлами):

  Самостоятельную группу анион-радикалов представляют открытые (1932) нем.(немецкий) химиком Л. Михаэлисом продукты одноэлектронного восстановления хинонов — семихиноны, например бензосемихинон:

  Р. с., содержащие два не взаимодействующих друг с другом неспаренных электрона, называют бирадикалами; примером может служить углеводород Шлёнка:

  К неорганическим бирадикалам относится молекула кислорода. Существуют также полирадикалы, содержащие более двух неспаренных электронов.

  Р. с. исследуются различными физико-химическими методами (электронная спектроскопия, масс-спектроскопия, электрохимические методы, метод ядерного магнитного резонанса). Наиболее эффективен метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), которым можно исследовать и короткоживущие Р. с. ЭПР даёт уникальную информацию о физической природе неспаренного электрона и характере его поведения в молекуле; эти данные весьма ценны для квантовохимических расчётов.

  Короткоживущие Р. с. — промежуточные частицы во многих органических реакциях (радикальное галогенирование, сульфо-хлорирование, металлирование, реакции Виттига, Кольбе, Коновалова, разложение органических перекисей и др.), а также в реакциях, протекающих под действием ионизирующих излучений. Долгоживущие Р. с. используются как стабилизаторы для легко окисляющихся соединений, как «ловушки» для короткоживущих радикалов, а также в ряде кинетических исследований. Изучение катион-радикалов и анион-радикалов даёт ценную информацию о характере взаимодействия ионов в растворе. Р. с. играют большую роль в окислительно-восстановительных, фотохимических и каталитических процессах, а также в важнейших промышленных процессах: полимеризации, теломеризации, пиролиза, крекинга, горения, взрыва, гетерогенного катализа.

  Лит.: Уоллинг Ч., Свободные радикалы в растворе, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1960; Семёнов Н. Н., О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности, 2 изд., М., 1958; Бучаченко А. Л., Вассерман А. М., Стабильные радикалы. Электронное строение, реакционная способность и применение, М., 1973.

  Н. Т. Иоффе.

  В биологических системах многие биохимические реакции протекают с участием Р. с. в качестве активных промежуточных продуктов. Методом ЭПР показано, что все активно метаболизирующие клетки растений и животных содержат Р. с. в концентрации 10^-6—10^-8 молей на 1 г ткани. Особенно значительна роль Р. с. в реакциях окисления биологического, где они участвуют в образовании переносчиков электронов типа хинонов и флавинов, входящих в мембранные структуры. Р. с. возникают также при перекисном окислении липидов в биологических мембранах.

  В организме Р. с. могут генерироваться и при действии на него различных физических и химических факторов. В частности, влияние радиации на организмы связывают с образованием Р. с. как при радиолизе воды, содержащейся в клетках (радикалы ·ОН, HO·₂), так и при воздействии излучений на молекулы органических веществ и биополимеров клетки (см. Биологическое действие ионизирующих излучений, Кислородный эффект). Иминоксильные Р. с. широко применяют в биохимических исследованиях для выяснения конфигурации белковых молекул (метод спиновой метки и метод парамагнитного зонда) и функциональных свойств биологических мембран.

  Лит.: Козлов Ю. П., Свободнорадикальные процессы в биологических системах, в книга: Биофизика, М., 1968; Ингрэм Д., Электронный парамагнитный резонанс в биологии, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1972.

  Ю. П. Козлов.