En chimie , un radical (plus précisément, un radical libre) est un atome , une molécule ou un ion qui a des électrons de valence non appariés ou une couche électronique ouverte , et peut donc être considéré comme ayant une ou plusieurs liaisons covalentes « pendantes » .

À quelques exceptions près, ces liaisons « pendantes » rendent les radicaux libres hautement réactifs chimiquement envers d’autres substances, voire envers eux-mêmes : leurs molécules se dimériseront ou polymériseront souvent spontanément si elles entrent en contact les unes avec les autres. La plupart des radicaux ne sont raisonnablement stables qu’à de très faibles concentrations dans des milieux inertes ou sous vide.

Un exemple notable d’un radical libre est le radical hydroxyle (HO•), une molécule qui est un atome d’ hydrogène de moins qu’une molécule d’eau et a donc une liaison « pendante » de l’oxygène. Deux autres exemples sont la molécule de carbène ( : CH 2 ), qui a deux liaisons pendantes ; et l’ anion superoxyde (• O -2 ), la molécule d’oxygène O 2 avec un électron supplémentaire, qui a une liaison pendante. En revanche, l’ anion hydroxyle ( HO − ), l’ anion oxyde ( O 2− ) et le cation carbénium (CH +3 ) ne sont pas des radicaux, car les liaisons qui peuvent sembler pendantes sont en fait résolues par l’ajout ou la suppression d’électrons.

Les radicaux libres peuvent être créés de plusieurs manières, y compris la synthèse avec des réactifs très dilués ou raréfiés, des réactions à très basse température ou la rupture de molécules plus grosses. Ce dernier peut être affecté par tout processus qui met suffisamment d’énergie dans la molécule mère, comme les rayonnements ionisants , la chaleur, les décharges électriques, l’ électrolyse et les réactions chimiques. En effet, les radicaux sont des étapes intermédiaires dans de nombreuses réactions chimiques.

Les radicaux libres jouent un rôle important dans la combustion, la chimie atmosphérique , la polymérisation, la chimie du plasma , la biochimie et de nombreux autres processus chimiques. Dans les organismes vivants, les radicaux libres superoxyde et oxyde nitrique et leurs produits de réaction régulent de nombreux processus, tels que le contrôle du tonus vasculaire et donc de la pression artérielle. Ils jouent également un rôle clé dans le métabolisme intermédiaire de divers composés biologiques. De tels radicaux peuvent même être des messagers dans un processus appelé signalisation redox. Un radical peut être piégé dans une cage de solvant ou être lié d’une autre manière.

Jusqu’à la fin du 20e siècle, le mot « radical » était utilisé en chimie pour indiquer tout groupe d’atomes connecté, tel qu’un groupe méthyle ou un carboxyle, qu’il fasse partie d’une molécule plus grande ou d’une molécule seule. Le qualificatif « libre » était alors nécessaire pour spécifier le cas non lié. À la suite de récentes révisions de la nomenclature, une partie d’une molécule plus grande est désormais appelée groupe fonctionnel ou substituant, et « radical » implique désormais « libre ». Cependant, l’ancienne nomenclature peut encore apparaître dans la littérature.

Histoire

Le premier radical libre organique identifié était le radical triphénylméthyle. Cette espèce a été découverte par Moses Gomberg en 1900 à l’Université du Michigan aux États-Unis. Historiquement, le terme radical dans la théorie radicalaire était également utilisé pour les parties liées de la molécule, en particulier lorsqu’elles restent inchangées dans les réactions. Ceux-ci sont maintenant appelés groupes fonctionnels. Par exemple, l’alcool méthylique a été décrit comme étant constitué d’un « radical » méthyle et d’un « radical » hydroxyle. Les radicaux ne le sont pas non plus au sens chimique moderne, car ils sont liés en permanence les uns aux autres et n’ont pas d’électrons réactifs non appariés ; cependant, ils peuvent être observés sous forme de radicaux en spectrométrie de masse lorsqu’ils sont séparés par irradiation avec des électrons énergétiques.

Représentation dans les réactions chimiques

Dans les équations chimiques, les radicaux libres sont fréquemment désignés par un point placé immédiatement à droite du symbole atomique ou de la formule moléculaire comme suit :

\mathrm{Cl}_2 \; \xrightarrow{UV} \; {\mathrm{Cl} \cdot} + {\mathrm{Cl} \cdot}
Le chlore gazeux peut être décomposé par la lumière ultraviolette pour former des radicaux de chlore atomiques .
Les mécanismes de réaction radicale utilisent des flèches à une tête pour décrire le mouvement des électrons uniques :

Radical.svg
Le clivage homolytique de la liaison de rupture est dessiné avec une flèche « hameçon » pour se distinguer du mouvement habituel de deux électrons représenté par une flèche bouclée standard. Il convient de noter que le deuxième électron de la liaison de rupture se déplace également pour s’apparier avec l’électron radical attaquant; ceci n’est pas explicitement indiqué dans ce cas.

Les radicaux libres participent également à l’addition radicalaire et à la substitution radicalaire en tant qu’intermédiaires réactifs . Les réactions en chaîne impliquant des radicaux libres peuvent généralement être divisées en trois processus distincts. Ce sont l’ initiation , la propagation et la terminaison .

• Les réactions d’ initiation sont celles qui entraînent une nette augmentation du nombre de radicaux libres. Ils peuvent impliquer la formation de radicaux libres à partir d’espèces stables comme dans la réaction 1 ci-dessus ou ils peuvent impliquer des réactions de radicaux libres avec des espèces stables pour former plus de radicaux libres.
• Les réactions de propagation sont les réactions impliquant des radicaux libres dans lesquelles le nombre total de radicaux libres reste le même.
• Les réactions de terminaison sont les réactions qui entraînent une nette diminution du nombre de radicaux libres. Typiquement, deux radicaux libres se combinent pour former une espèce plus stable, par exemple : 2Cl · → Cl 2

Formation

La formation de radicaux peut impliquer la rupture de liaisons covalentes de manière homolytique , un processus qui nécessite des quantités importantes d’énergie. Par exemple, la division de H 2 en 2H · a un H ° de +435 kJ/mol, et Cl 2 en 2Cl · a un H ° de +243 kJ/mol. C’est ce qu’on appelle l’ énergie de dissociation des liaisons homolytiques et est généralement abrégée par le symbole Δ H °. L’énergie de liaison entre deux atomes liés de manière covalente est affectée par la structure de la molécule dans son ensemble, et pas seulement par l’identité des deux atomes. De même, les radicaux nécessitant plus d’énergie pour se former sont moins stables que ceux nécessitant moins d’énergie. Homolytiquele clivage de liaison se produit le plus souvent entre deux atomes d’électronégativité similaire. En chimie organique, il s’agit souvent de la liaison OO dans les espèces de peroxyde ou des liaisons ON. Parfois, la formation de radicaux est interdite au spin , présentant une barrière supplémentaire. Cependant, la propagation est une réaction très exothermique . De même, bien que les ions radicaux existent, la plupart des espèces sont électriquement neutres. Les radicaux peuvent également être formés par oxydation ou réduction d’un seul électron d’un atome ou d’une molécule. Un exemple est la production de superoxyde par la chaîne de transport d’électrons. Les premières études de la chimie organométallique, en particulier des espèces de plomb tétra-alkyle par FA Paneth et K. Hahnfeld dans les années 1930 ont soutenu la fission hétérolytique des liaisons et un mécanisme à base de radicaux.

Persistance et stabilité

Bien que les radicaux soient généralement de courte durée en raison de leur réactivité, il existe des radicaux à longue durée de vie. Ceux-ci sont classés comme suit :

Radicaux stables

Le premier exemple de radical stable est le dioxygène moléculaire (O 2 ). Un autre exemple courant est l’oxyde nitrique (NO). Les radicaux organiques peuvent avoir une longue durée de vie s’ils se trouvent dans un système π conjugué, tel que le radical dérivé du -tocophérol ( vitamine E ). Il existe également des centaines d’exemples de radicaux thiazyle , qui présentent une faible réactivité et une stabilité thermodynamique remarquable avec seulement une mesure très limitée de stabilisation de la résonance π .

Radicaux persistants

Les composés radicaux persistants sont ceux dont la longévité est due à l’ encombrement stérique autour du centre radical, ce qui rend physiquement difficile la réaction du radical avec une autre molécule. Des exemples de ceux-ci incluent le radical triphénylméthyle de Gomberg, le sel de Fremy (nitrosodisulfonate de potassium, (KSO 3 ) 2 NO·), les nitroxydes, (formule générale R 2NO·) comme le TEMPO, le TEMPOL, les nitroxydes de nitronyle, les azéphénylényles et les radicaux dérivés du PTM (radical perchlorophénylméthyle) et du TTM (radical tris(2,4,6-trichlorophényl)méthyle). Les radicaux persistants sont générés en grande quantité lors de la combustion et « peuvent être responsables du stress oxydatif entraînant une maladie cardio-pulmonaire et probablement un cancer qui a été attribué à l’exposition aux particules fines en suspension dans l’air ».

Diradicaux

Les diradicaux sont des molécules contenant deux centres de radicaux. Plusieurs centres de radicaux peuvent exister dans une molécule. L’oxygène atmosphérique existe naturellement sous forme de diradical dans son état fondamental sous forme d’oxygène triplet. La faible réactivité de l’oxygène atmosphérique est due à son état diradical. Les états non radicaux du dioxygène sont en réalité moins stables que le diradical. La stabilité relative du diradical oxygène est principalement due à la nature interdite de spin de la transition triplet-singulet nécessaire pour qu’il capte les électrons, c’est-à-dire qu’il « s’oxyde ». L’état diradical de l’oxygène se traduit également par son caractère paramagnétique, qui est démontré par son attraction vers un aimant extérieur.

Réactivité

Les intermédiaires alkyles radicaux sont stabilisés par des processus physiques similaires aux carbocations : en règle générale, plus le centre radicalaire est substitué, plus il est stable. Cela oriente leurs réactions. Ainsi, la formation d’un radical tertiaire (R 3 C·) est favorisée par rapport au secondaire (R 2 HC·), qui est favorisé par rapport au primaire (RH 2 C·). De même, les radicaux à côté des groupes fonctionnels tels que carbonyle, nitrile et éther sont plus stables que les radicaux alkyle tertiaires.

Les radicaux attaquent les doubles liaisons. Cependant, contrairement à des ions similaires, de telles réactions radicalaires ne sont pas autant dirigées par des interactions électrostatiques. Par exemple, la réactivité des ions nucléophiles avec les composés ,β-insaturés (C=C–C=O) est dirigée par l’effet attracteur d’électrons de l’oxygène, ce qui entraîne une charge positive partielle sur le carbone carbonyle. Deux réactions sont observées dans le cas ionique : le carbonyle est attaqué en addition directe au carbonyle, ou le vinyle est attaqué en addition conjuguée, et dans les deux cas, la charge sur le nucléophile est prise par l’oxygène. Les radicaux s’ajoutent rapidement à la double liaison, et le carbonyle α-radical résultant est relativement stable ; il peut se coupler avec une autre molécule ou être oxydé. Néanmoins, le caractère électrophile/neutrophilique des radicaux a été démontré dans divers cas.

Dans les réactions intramoléculaires, un contrôle précis peut être obtenu malgré l’extrême réactivité des radicaux. En général, les radicaux attaquent le plus facilement le site réactif le plus proche. Par conséquent, lorsqu’il y a un choix, une préférence pour les cycles à cinq chaînons est observée : les cycles à quatre chaînons sont trop tendus et les collisions avec des carbones à six atomes ou plus dans la chaîne sont rares.

Les carbènes et les nitrènes, qui sont des diradicaux, ont une chimie distincte.

La combustion

Une réaction radicalaire bien connue est la combustion. La molécule d’oxygène est un diradical stable, mieux représenté par ·OO·. Parce que les spins des électrons sont parallèles, cette molécule est stable. Alors que l’état fondamental de l’oxygène est ce diradical à spin non apparié (triplet), un état à spin apparié (singulet) extrêmement réactif est disponible. Pour que la combustion se produise, la barrière énergétique entre ceux-ci doit être surmontée. Cette barrière peut être surmontée par la chaleur, nécessitant des températures élevées. La transition triplet-singulet est également « interdite ». Ceci présente une barrière supplémentaire à la réaction. Cela signifie également que l’oxygène moléculaire est relativement peu réactif à température ambiante, sauf en présence d’un atome lourd catalytique tel que le fer ou le cuivre.

La combustion consiste en diverses réactions en chaîne radicalaires que le radical singulet peut initier. L’inflammabilité d’un matériau donné dépend fortement de la concentration en radicaux libres qui doit être obtenue avant que les réactions d’initiation et de propagation ne dominent conduisant à la combustion du matériau. Une fois le matériau combustible consommé, les réactions de terminaison dominent à nouveau et la flamme s’éteint. Comme indiqué, la promotion des réactions de propagation ou de terminaison altère l’inflammabilité. Par exemple, parce que le plomb lui-même désactive les radicaux libres dans le mélange essence-air, le plomb tétraéthyle était autrefois couramment ajouté à l’essence. Cela évite que la combustion ne s’amorce de manière incontrôlée ou dans des résidus imbrûlés (cognement du moteur) ou un allumage prématuré (pré-allumage).

Lorsqu’un hydrocarbure est brûlé, un grand nombre de radicaux oxygène différents sont impliqués. Initialement, des radicaux hydroperoxyles (HOO·) sont formés. Ceux-ci réagissent ensuite davantage pour donner des hydroperoxydes organiques qui se décomposent en radicaux hydroxyles (HO·).

Polymérisation

En plus de la combustion, de nombreuses réactions de polymérisation impliquent des radicaux libres. En conséquence, de nombreux plastiques, émaux et autres polymères sont formés par polymérisation radicalaire. Par exemple, les huiles siccatives et les peintures alkydes durcissent en raison de la réticulation radicale par l’oxygène de l’atmosphère.

Les avancées récentes dans les méthodes de polymérisation radicalaire, connues sous le nom de polymérisation radicalaire vivante, comprennent :

• Transfert de chaîne d’addition-fragmentation réversible (RAFT)
• Polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP)
• Polymérisation médiée par le nitroxyde (NMP)

Ces méthodes produisent des polymères avec une distribution beaucoup plus étroite des poids moléculaires.

Radicaux atmosphériques

Le radical le plus courant dans la basse atmosphère est le dioxygène moléculaire. La photodissociation des molécules sources produit d’autres radicaux libres. Dans la basse atmosphère, les exemples les plus importants de production de radicaux libres sont la photodissociation du dioxyde d’azote pour donner un atome d’oxygène et de l’oxyde nitrique (voir l’équation 1 ci-dessous), qui joue un rôle clé dans la formation du smog et la photodissociation de l’ozone pour donner l’atome d’oxygène excité O(1D) (voir éq. 2 ci-dessous). Les réactions nettes et de retour sont également indiquées (éq. 3 et 4, respectivement).

1. \; \; \mathrm{NON}_2 \; \xrightarrow{h \nu } \; \mathrm{NON + O}

2. \; \; \mathrm{O} + \mathrm{O}_2 \; \xrightarrow{} \; \mathrm{O}_3

3. \; \; \mathrm{NON}_2 + \mathrm{O}_2 \; \xrightarrow{h \nu } \; \mathrm{NON} + \mathrm{O}_3 \;

4. \; \; \mathrm{NON} + \mathrm{O}_3 \; \xrightarrow{} \; \mathrm{NON}_2 + \mathrm{O}_2 \;

Dans la haute atmosphère, une source particulièrement importante de radicaux est la photodissociation des chlorofluorocarbures (CFC) normalement non réactifs par le rayonnement ultraviolet solaire, ou par des réactions avec d’autres constituants stratosphériques (voir éq. 1 ci-dessous). Ces réactions dégagent le radical chlore Cl•, qui réagit avec l’ozone dans une réaction catalytique en chaîne aboutissant à l’appauvrissement en ozone et à la régénération du radical chlore, lui permettant de participer à nouveau à la réaction (voir éq. 2-4 ci-dessous). On pense que de telles réactions sont la principale cause de l’appauvrissement de la couche d’ozone (le résultat net est montré dans l’équation 5 ci-dessous), et c’est pourquoi l’utilisation de chlorofluorocarbures comme réfrigérants a été restreinte.

1. \; \; \mathrm{CFCS} \; \xrightarrow{h \nu} \; {\mathrm{Cl} \cdot}

2. \; \; {\mathrm{Cl} \cdot} + \mathrm{O}_3 \; \xrightarrow{} \; {\mathrm{ClO} \cdot} + \mathrm{O}_2 \;

3. \; \; \mathrm{O}_3 \; \xrightarrow{h \nu} \; \mathrm{O} + \mathrm{O}_2

4. \; \; \mathrm{O} + {\mathrm{ClO} \cdot} \; \xrightarrow \; {\mathrm{Cl} \cdot} + \mathrm{O}_2

5. \; \; 2\mathrm{O}_3 \; \xrightarrow{h \nu } \; 3\mathrm{O}_2

En biologie

Les radicaux libres jouent un rôle important dans un certain nombre de processus biologiques. Beaucoup d’entre eux sont nécessaires à la vie, comme la destruction intracellulaire des bactéries par les cellules phagocytaires telles que les granulocytes et les macrophages. Les chercheurs ont également impliqué les radicaux libres dans certains processus de signalisation cellulaire connus sous le nom de signalisation redox .

Les deux radicaux libres les plus importants centrés sur l’oxygène sont le superoxyde et le radical hydroxyle . Ils dérivent de l’oxygène moléculaire dans des conditions réductrices. Cependant, en raison de leur réactivité, ces mêmes radicaux libres peuvent participer à des réactions secondaires indésirables entraînant des dommages cellulaires. Des quantités excessives de ces radicaux libres peuvent entraîner des lésions cellulaires et la mort, ce qui peut contribuer à de nombreuses maladies telles que le cancer, les accidents vasculaires cérébraux, l’infarctus du myocarde, le diabète et des troubles majeurs. On pense que de nombreuses formes de cancer sont le résultat de réactions entre les radicaux libres et l’ADN, entraînant potentiellement des mutations pouvant affecter négativement le cycle cellulaire et potentiellement conduire à une malignité. Certains des symptômes du vieillissement tels que l’athérosclérose sont également attribués à l’oxydation induite par les radicaux libres du cholestérol en 7-cétocholestérol. De plus, les radicaux libres contribuent aux dommages au foie induits par l’ alcool , peut-être plus que l’alcool lui-même. Les radicaux libres produits par la fumée de cigarette sont impliqués dans l’inactivation de l’ alpha 1-antitrypsine dans les poumons . Ce processus favorise le développement de l’ emphysème .

Les radicaux libres peuvent également être impliqués dans la maladie de Parkinson , la surdité sénile et induite par les médicaments , la schizophrénie et la maladie d’Alzheimer . Le syndrome classique des radicaux libres, l’ hémochromatose , la maladie du stockage du fer , est généralement associé à une constellation de symptômes liés aux radicaux libres, notamment des troubles du mouvement, une psychose, des anomalies de la mélanine pigmentaire de la peau , une surdité, une arthrite et un diabète sucré. La théorie des radicaux libres du vieillissement propose que les radicaux libres sous-tendent le processus de vieillissement lui-même. De même, le processus de mito hormesis suggère que l’exposition répétée aux radicaux libres peut prolonger la durée de vie.

Parce que les radicaux libres sont nécessaires à la vie, le corps dispose d’un certain nombre de mécanismes pour minimiser les dommages induits par les radicaux libres et réparer les dommages qui se produisent, tels que les enzymes superoxyde dismutase , catalase , glutathion peroxydase et glutathion réductase . De plus, les antioxydants jouent un rôle clé dans ces mécanismes de défense. Ce sont souvent les trois vitamines, la vitamine A , la vitamine C et la vitamine E et les polyphénols antioxydants . De plus, il existe de bonnes preuves indiquant que la bilirubine et l’acide uriquepeuvent agir comme antioxydants pour aider à neutraliser certains radicaux libres. La bilirubine provient de la dégradation du contenu des globules rouges , tandis que l’acide urique est un produit de dégradation des purines . Trop de bilirubine, cependant, peut entraîner une jaunisse , qui pourrait éventuellement endommager le système nerveux central, tandis que trop d’acide urique provoque la goutte .

Les espèces réactives de l’oxygène

Les espèces réactives de l’oxygène ou ROS sont des espèces telles que le superoxyde , le peroxyde d’hydrogène et le radical hydroxyle et sont associées à des dommages cellulaires. Les ROS se forment en tant que sous-produit naturel du métabolisme normal de l’ oxygène et jouent un rôle important dans la signalisation cellulaire.

Il a été découvert que l’oxybenzone forme des radicaux libres à la lumière du soleil et peut donc également être associée à des dommages cellulaires. Cela ne s’est produit que lorsqu’il a été combiné avec d’autres ingrédients couramment trouvés dans les écrans solaires, comme l’oxyde de titane et le méthoxycinnamate d’octyle.

Définition vague des radicaux

Dans la plupart des domaines de la chimie, la définition historique des radicaux soutient que les molécules ont un spin non nul. Cependant, dans des domaines tels que la spectroscopie, la réaction chimique et l’astrochimie, la définition est légèrement différente. Gerhard Herzberg, qui a remporté le prix Nobel pour ses recherches sur la structure électronique et la géométrie des radicaux, a suggéré une définition plus souple des radicaux libres : « toute espèce transitoire (chimiquement instable) (atome, molécule ou ion) ». Le point principal de sa suggestion est qu’il existe de nombreuses molécules chimiquement instables qui ont un spin nul, telles que C 2 , C 3 , CH 2etc. Cette définition est plus pratique pour les discussions sur les processus chimiques transitoires et l’astrochimie ; par conséquent, les chercheurs dans ces domaines préfèrent utiliser cette définition vague.

Diagnostique

Les techniques de diagnostic des radicaux libres comprennent :

• Résonance de spin électronique
  Une technique largement utilisée pour étudier les radicaux libres et d’autres espèces paramagnétiques est la spectroscopie par résonance de spin électronique (ESR). Ceci est également appelé spectroscopie à « résonance paramagnétique électronique » (RPE). Il est conceptuellement lié à la résonance magnétique nucléaire, bien que les électrons résonnent avec des champs de fréquence plus élevée à un champ magnétique fixe donné que la plupart des noyaux.
• Résonance magnétique nucléaire utilisant un phénomène appelé CIDNP
• Étiquetage chimique
  Marquage chimique par trempe avec des radicaux libres, par exemple avec de l’oxyde nitrique (NO) ou du DPPH (2,2-diphényl-1-picrylhydrazyl), suivi de méthodes spectroscopiques comme la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) ou la spectroscopie d’absorption, respectivement.
• Utilisation de marqueurs de radicaux libres
  Des dérivés stables, spécifiques ou non spécifiques de substances physiologiques peuvent être mesurés, par exemple les produits de peroxydation lipidique (isoprostanes, TBARS), les produits d’oxydation des acides aminés (méta-tyrosine, ortho-tyrosine, hydroxy-Leu, dityrosine, etc.), les produits d’oxydation des peptides ( glutathion oxydé – GSSG)
  Le dichlorhydrate de 2,2′-azobis(2-amidinopropane) (AAPH) est un composé chimique utilisé pour étudier la chimie de l’oxydation des médicaments. C’est un composé azoïque générateur de radicaux libres. Il gagne en importance en tant qu’oxydant modèle dans les petites molécules et les protéines thérapeutiques pour sa capacité à initier des réactions d’oxydation via des mécanismes nucléophiles et radicaux libres.
• Méthode indirecte
  Mesure de la diminution de la quantité d’antioxydants (ex. TAS, glutathion réduit – GSH)
• Agents de piégeage
  Utilisation d’une espèce chimique qui réagit avec les radicaux libres pour former un produit stable qui peut ensuite être facilement mesuré (radical hydroxyle et acide salicylique)