酚类抗氧化剂知识引入高中化学

酚类抗氧化剂知识引入高中化学

摘要以高中新教材（山东科学技术出版社）《有机化学基础（选修）》中有关苯酚的知识为切入点，配合《物质结构与物质性质（选修）》中有关氢键的知识，设计了一段阅读材料——从苯酚到食品中的酚类抗氧化剂，并较全面地介绍了酚类抗氧化剂的相关知识。目的是加深学生对苯酚知识和氢键知识的理解，使学生了解有关的食品化学知识，从而培养学生热爱化学的情感，激发学生自主认识化学的兴趣。

关键词新教材阅读材料苯酚氢键酚类抗氧化剂

自由基生物学将衰老和癌症称作自由基病[1]。很多研究发现，许多天然食物对预防这些疾病有很好的效果，原因是它们含有较多的抗氧化剂，可以消除人体内的氧化性自由基。山东科技版《有机化学基础（选修）》[2]中介绍了有关苯酚的氧化还原性质知识，如苯酚暴露在空气中因小部分发生氧化而呈粉红色。通过学习学生可以对苯酚的还原性有一个粗略的认识，但是缺乏深入的理解。此外，学生通过学习《物质结构与物质性质（选修）》[3]可以获得氢键的有关知识，但是不能充分认识到氢键的广泛性。鉴此，本工作以新教材中有关苯酚的氧化还原性质知识为切入点，配合有关氢键的知识，设计了一段阅读材料——从苯酚到食品中的酚类抗氧化剂，将其作为《有机化学基础（选修）》第二章、第二节、第三部分酚这一内容的补充阅读材料。目的是使学生加深对所学酚的性质以及氢键知识的理解，拓展酚类氧化还原性质及其在生活中应用的知识，进一步认识到氢键的重要性；使学生了解有关的食品化学知识，从而培养学生热爱化学的情感，激发学生自主认识化学的兴趣。

本文还比较全面地介绍了酚类抗氧化剂的相关知识，以方便教师使用所设计的阅读材料。

1 阅读材料[1，4～10]

从苯酚到食品中的酚类抗氧化剂

联想与思考：

(1)学生已经知道抗氧化剂对生命体具有保护作用，也知道维生素C是一种有效的抗氧化剂。抗氧化剂的作用原理是什么呢？

(2)除了维生素C外，还有哪些可食用的抗氧化剂？

生命体在代谢过程中会产生很多有害的氧化性自由基，包括超氧离子自由基O2-2、羟自由基HO•、脂质过氧基ROO•。过多的氧化性自由基存在于生命体内会导致生命体的各种疾病，如癌症、动脉粥样硬化、原发性高血压和老年痴呆症。许多称作自由基清除剂的抗氧化剂能够清除这些自由基，对生命体具有保护作用。抗氧化剂有些来自于生命体自身，称作内源性抗氧化剂。还有很多抗氧化剂来自于天然食物，称作外源性抗氧化剂。能够提供保护生命体的抗氧化剂的食物常被称作“健康食品”，它们中某些含有同一类抗氧化剂——酚类抗氧化剂。

1.1 苯酚具有抗氧化性

苯酚暴露在空气中会因小部分发生氧化而呈粉红色。这一过程的原理如图1所示，苯酚在空气中部分发生脱氢的氧化反应，转变为红色的苯醌：

苯酚通过这一反应而具有抗氧化作用。苯酚的氧化反应实际上是分步进行的，首先酚羟基被氧化剂夺走氢原子产生半醌式自由基，然后半醌式自由基被氧化生成醌。图2所示苯二酚的氧化机理说明了该过程：

其中，HLOO•和ROO•是常见的自由基氧化剂,它们在过程中被消耗，苯二酚最终被氧化为邻苯二醌和对苯二醌。

1.2 酚类抗氧化剂

与苯酚的氧化机理相似，许多天然食品中含有的酚类抗氧化剂的抗氧化机理的关键反应步骤也是在酚羟基上脱氢产生半醌式自由基。生命体内的有害自由基能引发多种链反应而对生命体造成伤害，如果酚类能有效地通过转化成半醌式自由基的反应而消耗这些有害自由基，就可以有效地终止损害机体的链反应，起到对机体的保护作用，这就是酚类抗氧化剂的抗氧化原理。

苯酚具有抗氧化性，我们能直接用它作为可食用的抗氧化剂吗？由于苯酚对人体有腐蚀性，所以不可以。食品中的酚类抗氧化剂多是苯酚的衍生物。茶叶中的一种抗氧化剂——茶多酚消耗超氧离子自由基、生成半醌式自由基的反应见图3。

含有4个酚羟基的茶多酚分子被氧化剂超氧离子自由基O-2夺去一个酚羟基上的氢原子后成为一个半醌式自由基中间体。类似于水分子之间存在的氢键作用，邻位羟基与半醌式自由基之间可以生成氢键（如图4所示），氢键作用使半醌式自由基得以稳定，茶多酚因此而有效地消耗超氧离子自由基O-2，具有抗氧化作用。

1.3 含有酚类抗氧化剂的食品

天然食物中几乎每一类都多多少少含有抗氧化剂。表1列出了含有酚类抗氧化剂的常见食物。

这么多天然食物中都含有抗氧化剂，从化学的角度看，常食用这些食物有益于身体健康。

2 给教师的知识支持

2.1生命体内自由基的链式反应

自由基对生命体造成的伤害主要是通过自由基链反应完成的，其中有些自由基是对生物膜造成损伤。生物膜的主要成分磷脂富含多不饱和脂肪酸（PUFA），PUFA比饱和脂肪酸以及单不饱和脂肪酸更易被氧化，这是在生命系统中生物膜最容易发生脂质过氧化过程的原因之一。生物膜发生的脂质过氧化过程是一个自由基链式反应。图5所示例子是花生四烯酸的脂质过氧化过程[11]。能抽氢而引发脂质过氧化反应的物种很多，最有效的是羟自由基。

2.2抗氧化剂

抗氧化剂[1]指因具有还原性而能抑制靶分子自动氧化，即能与自由基反应使之还原成非自由基从而抑制自由基链反应的物质，也称为自由基清除剂。按作用途径，抗氧化剂可以分为预防型和阻断型。前者消除链反应引发阶段的自由基及其他引发剂，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化酶（GSH-Px）、柠檬酸等；后者通过捕捉、消除自由基（包括链反应中产生的自由基）而中断或延缓链反应的进行，如维生素E、维生素C、还原谷胱甘肽、β-胡萝卜素等。按来源，抗氧化剂又可分为内源性抗氧化剂和外源性抗氧化剂。前者是生命体细胞自身能够产生的抗氧化剂，如SOD、CAT、谷胱甘肽过氧化物酶、抗坏血酸、维生素E、β-胡萝卜素等；后者是生命体细胞自身不能产生的抗氧化剂，如茶多酚、儿茶素、共轭亚油酸、肌肽、吡咯喹啉醌等。

酚类抗氧化剂清除自由基的活性与其酚羟基O-H键强度成反比，O-H键强度越低，则抗氧化剂活性越高。因此，能够影响酚羟基O-H键强度的因素都会影响抗氧化剂的活性。例如，邻位甲氧基与酚羟基之间存在氢键作用，造成O-H 键不易断裂，而对位甲氧基无法形成这种氢键，O-H键较易断裂，邻甲氧基酚比对甲氧基酚的抗氧化能力弱。

2.3稳定半醌式自由基的因素[12]

如果取代基中的p型孤对电子与醌氧自由基产生共轭化作用，可以使半醌式自由基得以稳定[13]。例如，邻、对位甲氧基苯酚比间位甲氧基苯酚抗氧化活性高，原因是邻、对位甲氧基的共轭作用稳定了半醌式自由基。邻位甲氧基稳定半醌式自由基的过程如图6所示。反之，能够破坏这种大共轭体系的因素都会使自由基不稳定，抗氧化剂的活性就会下降。