医学研究者们现在认识到，某些分子成分对生命有机体有严重的破坏作用。然而化学家们对这类称为游离基成分的研究，却有50多年的历史了。

游离基乃是高度活性的分子，对许多疾病的形成起关键作用。譬如，它们可引起关节炎，并使包括醇在内的许多化学物质产生毒性效应。多年来，研究者们一直在推测，游离基和癌病、游离基和衰老之间存在着联系。心脏病发作时，血栓阻碍了正常的血液流通；这并不是因为供给心肌的氧缺乏所引起的不可逆的破坏；而是在于发作之后，在含氧的血流恢复时，突然释放出猝发的游离基。

现在，化学家们能够以最佳方案设计出可截获游离基的药物，减少游离基对生命系统的破坏。为此，英国政府采纳了一项建议，建立了一个新的大学研究中心，以支持对生物学和医学中的游离基进行研究。

游离基是什么呢？一个典型例子，在生物学上最富有活性的游离基就是羟残基。通过分析一个水分子，便可见到一个羟残基。在最低水平上，水是由两个氢原子和一个氧原子结合而成的。构建每一个化学键的一对电子，一个来自氢原子，一个来自氧原子。然而水分子可以分裂成为两个带电荷的粒子，即一个带正电的氢离子（H⁺）和一个带负电的氢氧离子（OH^-）。组成键的电子对属于氢氧离子。

水还可以用另一种方式分裂，形成电中性成分，未配对结合的一对电子，一个属于氢原子（H·），另一个围绕氢氧基形成了游离基HO·，圆点代表单一未配对的电子，是所有游离基的标志。由于未配对的电子趋于重新配对，所以游离基都是极为活性的。在所有游离基中，唯羟残基对生命细胞的破坏性最大。幸好是羟残基一般并不在生命系统中出现，因为把水分子固定在一起的键是相当强的。但是，高能辐射能将水分子分裂成羟残基。由在切尔诺贝利核事故中受害者的经历说明，其结果是令人畏惧的。羟残基一般是由一些更弱的分子，如过氧化氢所产生。

水分子中固定羟残基的键是很强的。羟基和任何有效的氢原子相结合而重新生成水。如果在生物学上这些氢原子是一重要分子的一部分，那么这一反应也就有着很严重的破坏作用。

虽然仅仅是现在人们才认识到游离基在生物学和医学中的重要性，可是化学家们从30年代就开始研究关系游离基的反应了。去年，是曼彻斯特大学的唐纳德 · 海伊（Donald Hey）和达拉漠大学的亚历克 · 沃特斯（Alec waters）两位英国化学家的论文发表50周年。他们的文章，首次集中了游离基在许多化学反应中起重要作用的有关证据。他们没有强调羟残基，而是集中论述了由有机化合物，也就是碳的化合物中所产生的游离基的性质。

在最初有关有机化合物的研究中使用了残基这个术语。化学家们发现，当碳基团和氢原子结合在一起时，表现出和一个单一化合物相同的特性。例如甲基（CH₃）和氯原子结合形成氯甲烷（CH₃Cl），正如钠和氯结合而形成氯化钠的形式一样。

开始时，许多化学家对游离基作为独立分子存在的观点持嘲笑态度。然而，海伊和沃特斯的评论，无疑对确定游离基在有机化学反应中的地位方面起到了决定性作用。很快便澄清了游离基能以不同的方式参与反应这一事实。游离基之间可以相互反应形成新的分子和新的游离基。形成的新基可以和其他分子任意反应，如此继续不断，形成“链反应”。

对于生产一般聚合物的过程，例如聚苯乙烯和聚甲基异丁烯（胶质玻璃），就是以这类链反应为基础的。这类聚合物，都是衍生自所谓的乙烯基单体物。这类化合物的碳原子之间，含有易被游离基攻击的双键。因过氧基很弱，加热便可分裂，当一个分子含有过氧基时，便可释放出开始反应的游离基。形成的基（以下以Y·表示），自身和乙烯分子连接形成新的基，新基又和另外的乙烯分子连接，不断连续下去，逐渐构成长的聚合物链。最后，不断增长的基链相互反应，除去未配对的电子，链反应终止。

第二次世界大战期间，这类化合物的身价倍增。当时，日本切断了由马来亚的橡胶供应。美国，尤其是欧洲都集中精力发展合成橡胶代替天然橡胶；德国和苏联很快满足了对合成橡胶的需求。美国由苯乙烯和丁二烯制造了一种多聚物；1941年合成橡胶还是空白的美国，到1945年，合成橡胶竟达天然橡胶的近5倍。

和游离基有关的反应也能造成橡胶的老化。在这种情况下，空气中的氧分子作为游离基发生作用，氧和橡胶反应形成过氧化氢物。在一些起始过程中，氢原子由聚合物链的末端除去而剩下多聚物的残基。加氧分子到剩下的残基中形成新残基，新残基再和其他的链进行反应，并继续下去（所谓的增殖步骤）。

当基于油的油漆膜干燥时，类似的反应进行得极快。在干燥过程的早期，漆膜的重量增加。是因为漆分子从空气中吸收了氧后重新形成了有机过氧化氢物。开始和氧的反应极易发生，因为油基的分子含有弱的碳氢键，很容易形成易和氧进行反应的基。它们的反应，优先选择在分子中的反应位点上进行，例如碳和氢之间的弱键，就是它们选择反应的目标。

对油漆化学中游离基作用的认识，使得伦敦国家陈列馆实验室的约翰 · 米尔斯（John Mills）发明了一项精巧的分析技术，可帮助历史学家们对昔日的主人掺入色素中的介质进行研究。当要恢复或清除一个时，利用显微喷漆成分的一些简单的化学反应就显得非常有用了，产生一种分析“标记”，可以区别开介质中用的是植物组织的干性油，还是由鸡蛋中衍生的油。也可用这种方法，区别普遍的干性油。确定究竟是亚麻籽油，胡桃油还是19世纪后期法国画家常用的罂粟油。

问题的另一方面，润滑油必须保持较长时间的稳定性。它们必须不具备包括在油漆干燥过程中任何碳氢弱键。化学家们通常采用加入少量抗氧化剂到润滑剂中的办法，以增加其稳定性。当将由油分子形成过氧残基时，会受到抗氧化剂的阻止，从而阻止了基链的增长，制止了分子内的破坏作用。一种巧妙的保护润滑油免遭游离基攻击的方法，若干年前被批准了专利权。这种方法的代价是很高的，是用氢的重同位素氘代替氢，从而使碳氢键加强。证据说明，代价虽高，但用在高质量的手表中，不经擦洗，确实能延长表的寿命。

生物组织内含有一些分子，其化学性质如油漆中的干性油分子的性质一样。在由双键结合的两套碳原子之间含有甲叉单元（CH₂—）。有时称全部碳原子组（—CH=CH—CH₂—CH=CH—）为“跳式”二烯（二烯是一种有两个碳—碳双键的化合物）。这种甲叉单位的碳氢键，可比不紧靠双键的甲叉单键弱20%。跳式二烯出现在包括花生四烯酸在内的许多脂肪物质内。这种化合物可通过一种与游离基有关的复杂顺序转化到各种生物活性分子内，如转化到前列腺素和leukotrienes中。

跳式二稀和氧基反应形成有新结构的过氧化氢物，在新结构中，双键重排并更加靠近。由不同的跳式二烯形成的共轭二烯（—CH=CH—CH=CH—CH[OOH]—），其反应相差很大。共轭二烯中加入游离基。就是在这一过程中，造成油漆干燥过程中的分子连接，固体膜形成。

不关系到氧的同一类型的化学重排，为筛选治疗宫颈癌的药物奠定了基础。肿瘤细胞，较轻度的癌前组织，因供血减少，所以所含的氧比正常组织低、这样以来，就导致了共轭二烯过氧化氢物取代简单的共轭二烯，在简单共轭二烯中，并无吸收的过氧化氢基。在一个涂片样品中，正常、癌前和癌组织之间，特异脂肪化合物所具有的跳式二稀和共轭二烯的比例有明显变化。这种差别，可用作一个简单自动的化学分析方法。

因为氧分子的行为如一个游离基，可以和跳式二烯以及生物学上重要的结构物质进行反应，就是我们所呼吸的空气，也潜在着对生命系统的威胁。对生命有机体置于异常高水平的氧内所作的实验说明，氧对细胞有破坏作用。氧或衍生自氧的游离基可直接与衰老有关。例如，已很清楚，昆虫在飞行时比爬行时消耗更多的氧。除去家蝇的翅膀，实际会延长它的寿命。

然而生物系统可自然产生抗氧化剂，抑制氧化所造成的破坏，最重要的抗氧化剂之一就是生育酚，也叫维生素E，它溶解在细胞膜脂肪层内。最重要的水溶性抗氧化剂是维生素C。

过去，化学家们曾认为游离基是作为无选择性的活性分子，因而在合成化学中无价值。可是，有时游离基显示出很高的选择性。只是最近化学家们才试图控制游离基的反应，以便使复杂分子的某些部分去除而保留另外份，使化学上的某些敏感部分不受触及 · 德里科 · 巴顿（Derek Barton），由于他在确定有机分子的形状方面的开拓性工作而荣获诺贝尔奖。他利用了自己所发明的方法，合成了重要激素醛甾酮，该激素发现在肾上腺皮质中。最近，巴顿和其他人又研究出一种方法，可造成游离基化学中一般较简单化学结构的改变。

一些化学家业已构建成了复杂结构的分子。首先在称为游离基中心的分子内的特定位点上生产出一个游离基（未配对电子），然后在分子内部触发一系列的事件。例如，宾夕法尼亚大学药化学家丹尼斯 · 柯伦（Dennis Curran），生产出了一种重要系列抗癌化合物的前体物质hirsutene。他利用了一种有机锡化合物作为开始的游离基。有机锡残基从起始化合物中除去一个碘原子，在分子的一个末端造成一个游离基中心。然后这个中心分两步进行反应并形成两个环。

近来，化学家们在认识游离基的作用方面之所以取得如此巨大进展的原因之一，在于他们有了精密的研究测试仪器。可以测出小于1微妙的游离基的瞬间行为。例如，可使用激光使键破坏；化学家们不仅能够测定反应过程中个别步骤的速度，而且还能测出破坏的和新建键的长度。对于研究分子反应和预测将发生反应的途径，这种信息极为有用。

电子自旋共振（ESR）是一项可以测定和鉴别游离基的技术。依据是未配对电子游离基的磁性。在强磁场中产生的游离基，以特异频率吸收微波辐射。由电子和一定的原子，尤其是和氢原子的相互作用，决定磁场的频率。例如，甲基以四种频率吸收辐射。

虽然ESR非常灵敏，但却不能测出生命有机体内活性基的浓度。但是化学家们可利用一种称为自旋俘获的技术研究生物学中的游离基的反应。通过自旋俘获，一种化合物便可形成自己的ESR信号，和短命的游离基进行极快的反应形成新的相当稳定的基。新的长寿命的基积累—至达到ESR所能测出的浓度。然后，便能从ESR标号中确定这些稳定基的结构，从而进一步找出和短寿命基之间的相关性。

研究者们把自旋俘获应用于不断增长的生物学反应。证据说明，生命有机体内的许多过程关系到游离基。在某些情况下，涉及游离基的反应是生物化学中的自然步骤。例如，维生素B₁₂的生物合成，就与游离基有关。在另外情况下，游离基似乎表现出破坏作用，只有借助自然的抗氧化剂才能抑制其破坏。难怪许多研究游离基作用的科学家主张，要在饮食中补加维生素E和维生素C。

[New Scientist，1988年8月9~18日]