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今さら活性酸素・・・です(+_+)

2009 - 11/19 [Thu] - 23:59

こんにちわ、今日は寒い一日でした。
前回「省エネ住宅を応援して!」って書いたら、
さっそく動きがありましたね。

元東大総長のご自宅を訪問していたく感動した菅さんは、
省エネ住宅にもエコポイントを導入――って提案しております。
大賛成なんですが、
どの程度の省エネ住宅を想定しているんでしょうか?
それに、エコポントはいったい何点になるんだろ?
早く実現するといいですね。

さて。
空気清浄機のお話で、活性酸素が登場しました。
活性酸素――この言葉を知らない方は、まずいらっしゃらないでしょう。
でも、その中身を問われたら……

いったい なに (?_?)

意外にそういう方が多いんじゃないでしょうか?
そこで良い機会ですから、
活性酸素というものを一度じっくり紹介することにしましょう。
えっ、もう十分知り尽くしている?
そういう方は、私の説明に間違いがないかチェックしながらお読みください。

活性酸素を英語でいうと【reactive oxygen species】――
これを略して ROS と表記することもあります。
直訳すれば「反応性の高い酸素種」という意味で、
大気の20%を占める酸素分子(O2)より活性化された状態の酸素分子をさします。
さらに広義には、
そこから派生する反応性の高い化学物質をひっくるめて【活性酸素種】といいます。
いずれにせよ酸素(Oxygen)が関与している点は共通で、
活性酸素を知るにはまず酸素原子(O)から始める必要があります。
ということで、酸素とは……

原子番号は8で、元素記号はO。
標準状態では2ヶの酸素原子が二重結合し、
酸素分子(O2)として存在する。
反応性に富んでいることから、
ほとんどの元素と結合し、これを酸化する性質がある――
そうです。

まず最初に、【原子番号8】ということを考えてみましょう。
これは電子( e-を8ヶ有していることを意味します。
電子はあたかも太陽の周りを公転する惑星のように、
原子核の周りを”ぐるぐる回っている”わけですが、
その軌道を中心に近い方からK殻・L殻・M殻・N殻・O殻・P殻……といいます。
ただし酸素の電子はそんなに多くないので、
ここで関係あるのはK殻とL殻の2つだけ。

電子軌道にはお約束があって、
K殻には2ヶの電子しか入れません。
そこで残りの6ヶはL殻に収納されるわけですが、
この6ヶが化学結合などに活躍することから、
特に価電子と呼ばれる場合もあります。
ちなみに、L殻の収容能力は最大8ヶの電子です。

しかし”座席”は4つしかなく、
最初はこの”座席”に1ヶづつ座っていきます。
そして5番目の電子からは2人かけになるとお考え下さい。
酸素の価電子は6ヶですから、
2つの”椅子”に2ヶづつの電子、残り2つには1ヶの電子ということになる。

ROS-1

これが酸素原子です。
ただ多くの方が”ぐるぐる回っている”電子を想像すると思いますが、
厳密にはこれは間違いです。
電子は神出鬼没に消えては出現――を繰り返しますが、
どこに現われるかはほぼ決まっています。
これが【電子軌道】に相当しますが、
イメージとしてはぼんやり漂う雲のような性質も持つことから、
最近では【電子雲】とも呼ぶようです。

L殻を細かく見ていくと、
実際には4つの電子軌道に分かれています。
これが電子の座る”椅子”というわけですね。
2s軌道は円状に広がりますが3つある2p軌道は∞のような形をしており、
3つの軌道がそれぞれ直行しています。

このような姿を忠実に表わしたのが【右図】になりますが、
ここではわかりやすさを優先することにしましょう。
実際はもっと複雑――ということを承知した上で、
【左図】のように考えていただければそれで十分です。
そこで、次の問題に移りましょう。

酸素原子には6ヶの価電子がありますが、
4ヶはペアを組んでいます。
しかし、残りの2ヶは一人ぼっち(T_T)
これを不対電子(unpaired electron )といいますが、
電子も一人じゃ寂しいのでペアを求めます。
これは他所から電子を奪う性質があるということで、
電子を得ることは【還元】に他なりません。
反対に、電子を奪われた相手は【酸化】されることになります。
つまり、酸化・還元(レドックス)は同時進行……

  他の化合物を酸化して自らは還元する

そもそもの原因は不対電子が存在するからで、
これが活性酸素を理解するキーワードです。

酸素原子も不対電子があるので、
考えようによっては活性酸素の仲間です。
そこでこのままでは不安定というわけですが、
運よく近くを水素原子(H)が通りかかったとしましょう。

ROS-2

水素の原子番号は1、K殻に1ヶの電子しかありません。
そこで水素原子も電子を探してウロウロしていたわけで、
いい具合に酸素原子を見つけました。
そこで、さっそく合体!

ROS-3

酸素原子と水素原子が、お互いの電子を共有して結合します。
これを共有結合といい、めでたく不対電子はペア(共有電子対)になりました。
双方が丸く収まるので、こういう”裏ワザ”もありなのです。

こうして出来上がるのが H2O、つまり【水】です。
見てわかるように H2O には不対電子がありません。
そこで酸素原子を含む化学物質であっても、
H2O は活性酸素ではありません。
それどころか、とても安定した化学物質です。

ここで、ちょっと見方を変えてみましょう。
H2O は酸素原子に2ヶの水素原子が結合しているわけですが、
水素原子にヒドロキシ基(-OH)が結合しているといっても同じです。 強引 (>_<) 
そこで、ヒドロキシ基を切り離してみましょう。
放射線をあてると、そのエネルギーで O-H 結合(共有結合)を切断できます。

ROS-4

すると……、遊離したヒドロキシ基には不対電子があるでしょ?
実は、これこそがヒドロキシラジカル(OHラジカル)に他なりません。
元は化合物を構成する部分構造である原子団をラジカル(radical)といい、
共有結合が切断された【遊離基】を特にフリーラジカルと呼んで区別します。
本来ならどこかにくっ付いているべきパーツですから、
これがフリーになればじっとしていられるわけがありません。

そこですぐさま相手を見つけて不対電子を解消しようとするわけで、
その見境のなさといったら桁違いです。
ヒドロキシラジカルになるや否やペアを見つける行動の早いこと、
その時間、わずか100万分の1秒とも1億分の1秒ともいわれています。
まさに目にも留まらぬ電光石火の早業!
すさまじい”ナンパ力”、もとい酸化力でしょ?

しかし活性酸素が注目されるようになって、
最近では「ラジカル」といえば「フリーラジカル」を指し、
不対電子を有する原子や分子をラジカルと総称しています。
そこでヒドロキシ基として機能する場合には -OH ですが、
これをラジカルとして扱う場合には特に ・OH と表記するわけです。
【・】は不対電子が存在することを表わしています。

ちなみに、水素原子にも不対電子があるのでラジカルです。
ただし、慣習的に「・H」とは表記しません。
それよりも水素原子の場合には、
電子( e- )とプロトン( H+ )に分割された振る舞いの方が重要です。

ここまでの説明で、酸素原子が不安定だってわかりましたね?
というか、そうそうきりの良い原子はないので、
ほとんど全ての原子が不安定な存在なんです。
そこで酸素原子も酸素分子になって安定しようとします。
不対電子がそれぞれ2ヶづつあるわけだから、
酸素原子同士が二重結合すると……

ROS-5

こんな感じにイメージしてしまう方が少なくないのでは?
でも、残念ながらそうはなってくれません。
酸素分子が二重結合であることは間違いないのですが、
これを理解するにはもっと細かい分子軌道を理解する必要があります。
でもそこまで説明すると、たぶん読むのが嫌になるでしょう。

ROS-6

【イラスト】中の矢印は電子のスピンを表わしています。
地球が自転するように電子も”自転”しているんです――が、
いかがですか?
見ただけでウンザリでしょ?
これを正確に知りたいと思う奇特な方は、
専門の化学サイトがたくさんあるのでそちらを覗いてみて下さい。
ここでは深入りしません。

ただ1つだけ知っておいていただきたい点があります。
最も外側の軌道には、電子が1ヶづつしかないでしょ?
つまり、これも不対電子!

  酸素分子はラジカルである 

ただし、酸素分子の反応性はそれほど強くない。
食べ物を腐敗させ金属を錆び付かせてしまいますが、
活性酸素ほどの”激しさ”は持っていません。

不対電子が1ヶより2ヶの方が反応性が強いのでは (?_?)

そう感じるかもしれませんが、
2ヶだと互いに相手を牽制しあってしまうようです。
その結果、
不対電子が1ヶの活性酸素の方が反応性が高くなります。

そうはいっても酸素分子はれっきとしたラジカルである――
より正確にいえばラジカルが2ヶあるビラジカル(・O-O・)ですが、
そこそこの反応性を持っていることをしっかり覚えておいて下さい。
この出発点を知らないと、活性酸素のお話が理解できません。
そこでビラジカルという点を示すためには、
酸素分子は次のように表現しないと具合悪いわけです。

電子の色は、先ほどの【イラスト】に対応させておきました。
興味のある方は、じっくり比較してみてください。

ROS-7

ここまでご理解いただけば、活性酸素が8割方わかったも同然でございます。
酸素分子は酸素原子の安定形であるにもかかわらず、
反面では不対電子を2ヶ有する不安定さをあわせ持っています。
これが大気中に存在し、私達が日常的に吸っている【酸素】で、
特に三重項酸素と呼ばれる酸素分子です。

安定なのに不安定――
これこそが、酸素分子の特殊な性質です。
生命はこの程よいファジーさを上手に活用しているわけで、
それが呼吸(細胞内呼吸)に他なりません。
ただし不安定さゆえ、
さらに反応性の高い活性酸素のリスクを常に伴っています。
活性酸素はじわじわと身体にダメージを与えて老化を招き、
制御が上手くいかなくなると病気の原因となってしまうのです。

それでは、活性酸素はどのようにコントロールされているのでしょうか。
この続きは次回



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