过氧化氢是尤顿弗兰德反应中氧分子激活过程中的一个关键中间体，除了经历芬顿反应转化为羟基自由基外，过氧化氢还能参与非自由基氧化反应。药物降解中，胺、硫化物和类似的含孤对电子的亲核性基团即可发生此种氧化反应，此反应的关键在于底物的N或S原子以S_N2机理进攻过氧化氢。

较低pH下，胺的氮原子被质子化，其亲核性锐减，自氧化降解亦随之大为减弱。此外，硫醚及其相关物质，比如二硫化物，因为无法质子化，故其与过氧化氢的反应不受低pH的抑制。

自氧化过程中生成过氧化氢可能与制剂或强降解体系中的某些物质反应而产生更强的氧化剂，尤其是过氧化氢能与羧酸、碳酸氢盐、腈（一般为乙腈）反应分别生成过氧酸、过氧单碳酸酯、过氧亚氨酸。与氢氧根离子或水相比，这三类物质均具有良好的可离去基团，其氧化性更强，故而亲核性氧化降解更容易发生。

这些过氧化氢的“活化”形态早已被用来合成胺氧化物、环氧化物、亚砜和砜等。这也解释了在使用过氧化氢的强降解实验中，不同的溶剂（比如乙腈或者甲醇）和试剂会引起不同程度的氧化降解或不同的降解杂质谱。

环氧化物既能依照自由基机理产生，也能经非自由基参与的途径产生。过氧化物，尤其是过氧化物的活化形态（例如过氧酸及其相关化合物），可与富电子的双键直接反应：亲核进攻后发生氧转移，生成环氧化物。

烯烃的双键上若连有吸电子基，则成为缺电子双键，此时可经历如上的亲核氧转移历程发生环氧化。碱性条件下，以过氧化物实现α，β-不饱和羰基化合物环氧化的反应，即所谓的Weitz-Scheffer反应就是一个实例。此反应经历两步，即加成和关环。

生成的环氧化物经常会进一步分解，但有可能被分离出来。

碳负离子/烯醇负离子介导的自氧化不需要有毒的重金属氧化剂而直接使用氧气，符合“绿色化学”的要求。由于想要产生碳负离子/烯醇负离子，往往需要在体系中加入强碱，故又名“碱催化自氧化”。含有酸性碳基氢的药物分子（CH_n，n通常为1~2），其酸性碳基氢可被制剂中存在的弱碱或广义碱夺取质子，进而产生降解而形成的杂质或有可能超过ICH规定的鉴定限度或质控限度（对于非基因毒性杂质，其限度一般为0.1%~0.5%，根据药物的每日最大剂量与杂质的毒性而定）。其机理见下图：

碳基酸性氢一旦被去质子化而形成碳负离子/烯醇负离子，可与氧气迅速反应生成过氧化物，而后者通常会分解并产生诸多最终降解产物，例如醇、酮、酸酐、羧酸以及过氧化物的重排反应；究竟产生怎样的最终降解产物取决于有机过氧化物中间态的结构和其他因素，例如pH和所用的溶剂。碳负离子/烯醇负离子一般是单线态的，但它却能与三线态的氧分子迅速反应，这似乎有悖于自旋守恒规则。为此，有人提出碳负离子/烯醇负离子先将一个电子传递给氧分子，从而形成碳自由基和超氧阴离子自由基，且二者处于“笼状”络合物中；随后发生自旋转换后，笼中的双自由基结合产生过氧化物或过氧阴离子。另外，无论笼状过渡态是否存在，碳负离子/烯醇负离子介导的自氧化反应速率要比常规的自由基介导的反应快非常多，且这类自氧化并不表现出任何自由基反应的典型特征。