К. М. Зеленін
Військово-медична академія, Санкт-Петербург
Розглядаються питання хімії та практичних додатків оксиду азоту (II). Обговорюються різні аспекти участі цієї речовини в глобальних природних, промислових і фізіологічних процесах, включаючи проблеми промислової фіксації азоту, гігієни, клінічної та теоретичної медицини.
Трохи історії
Оксид азоту (II) NO (або окис азоту) був відкритий в 1774 році англійським дослідником Джозефом Прістлі (1733-1804), який вперше виконав реакцію
3Cu + 8HNO3 3Cu (NO3) 2 + 2NO + 4H2O
а її газоподібний продукт назвав селітряні повітрям.
Прістлі зробив безліч і інших важливих відкриттів: вперше отримав хлористий водень, аміак, кисень (одночасно з К. В. Шеєле), в чистому вигляді виділив оксид вуглецю (II), фтористий кремній, сірчистий газ. Йому належить відкриття ролі вуглекислого газу в диханні рослин. Прістлі був видатним представником пневматологіі або пневматичної хімії - напрямок, який створили хіміки, що вивчали речовини в газоподібному стані. В даний час пневматологіі не розглядають як окрему гілку природознавства, тому що вона увійшла в фізику та хімію, але інше становище було в XVII і XVIII століттях. Основоположником пневматичної хімії був Ван Гельмонт, який не тільки ввів термін "газ", а й виявив несхожий на повітря "лісовий газ" (gas silvestre), що виділяється при дії кислот на вапняк, при бродінні молодого вина і приготуванні пива, а також при горінні вугілля.
Вивчення газів дозволило відкрити фізичні закони залежності обсягу газів від тиску і температури. Вплив тиску на обсяг газу було встановлено Р. Бойл в 1660 році і Е. Маріотт в 1677 році. Набагато пізніше А. Вольта (1792) і Ж.Л. Гей-Люссак (1802) встановили вплив температури. Ці закони разом з законом Гей-Люссака про об'ємних відносинах при з'єднанні газів складають основу пневматологіі.
Залишаючи селітряні повітря на довгий час в зіткненні з сіркою і залізом, Прістлі зауважив, що властивості газу змінюються: у той час як у селітряні повітрі запалена свічка гасне, в зміненому селітряні повітрі (який він назвав дефлогістрованим селітряні повітрям) вона продовжує горіти. Крім того, дефлогістованим селітряні повітря не володіє властивістю набувати бурий колір при змішуванні з атмосферним повітрям, тобто не дає реакції, виявленої Прістлі для NO:
2NO + O2 2NO2
Отже, мова йде про новий газі. І дійсно, у зазначеному Прістлі досвіді виходить закис азоту, що утворюється за реакцією
6NO + 2Fe + 3Н2О 3N2O + 2Fе (ОН) 3
внаслідок процесу відновлення NO під дією зволоженого заліза і сірки. Її склад був встановлений Г. Деві в 1800 році. Знадобилося ще 50 років, щоб ця речовина увійшло в практику як наркозного кошти. По-іншому склалася історія окису азоту, яка привернула загальну увагу лише в XX столітті.
Будова і властивості
На той час були добре вивчені властивості цієї речовини. Як з'єднання з проміжною ступенем окислення азоту NO може бути як відновником, так і окислювачем. Воно надзвичайно легко окислюється під дією кисню і галогенів, наприклад хлору:
NO + Cl2
2NOCl (хлористий нитрозила)
Природно, що під дією сильних окислювачів окис азоту окислюється до нітрат-іона.
Легке окислення киснем було використано в розробленому ще в XVIII столітті камерному способі отримання сірчаної кислоти, де окис азоту відіграє роль каталізатора-переносника кисню, що видно з таких реакцій:
2NO + O2
2NO2
SO2 + H2O
H2SO3
NO2 + H2SO3
NO + H2SO4
NO охоче реагує і з відновниками, причому відновлення зазвичай йде до термодинамічно стабільного молекулярного азоту:
2NO + H2S
N2 + 2S + 2H2O
2NO + 2H2
N2 + 2H2O
2NO + 2CO
N2 + 2CO2
хоча в принципі підбором умов можна перетворити NO і в інші з'єднання зі ступенями окислення від + 1 до - 3, як це, наприклад, відбувається в реакції синтезу N2O.
Будова молекули окису азоту, в чому схожою з молекулами кисню, оксиду вуглецю (II) і HCN повідомляє їй таке спільне з ними властивість, як здатність до утворення комплексів. Крім того, схожість з киснем виявляється і в парамагнетизм обох молекул через наявність неспарених електронів. Прикладом утворення комплексу за участю NO служить виявлена ще Прістлі якісна реакція на нітрат-іон, звана реакцією "бурого кільця". Спочатку під дією сульфату заліза нітрат-іон відновлюється в NO:
6FeSO4 + 2KNO3 + 4H2SO4
3Fe2 (SO4) 3 + 2NO + 4H2O
а потім з надлишком FeSO4 утворюється пофарбований у бурий колір комплекс:
FeSO4 + NO + H2O [Fe (H2O) 5NO] SO4
УЧАСТЬ У ФІКСАЦІЇ АЗОТУ
У кінці XIX століття промисловість стала потребуватиме великих кількостях азотовмісних сполук для виробництва барвників, вибухових речовин, добрив. У зв'язку з цим було привабливим здійснити технологічний процес горіння повітря по рівнянню
N2 + O2 - 2NO - 43 ккал / моль
Досягнення термодинаміки і кінетики дозволили розробити наукові основи процесу, який вимагав високих температур як для подолання високого активаційного бар'єру, так і для досягнення задовільного виходу ендотермічної реакції. Термодинамічні дані, наведені нижче, ілюструють сказане:
У 1901 році горіння повітря було вперше здійснено за допомогою дугового методу. Повітря продували через розтягнуту магнітним полем електричну дугу з температурою близько 4000 ° С та потім охолоджували газову суміш з тим, щоб не дати можливості утворилася окису азоту розкластися на азот і кисень. Через це вихід NO становить лише близько 2%, що не відіграє особливої ролі, тому що витрати на вихідну сировину відсутні. Тим не менш метод на даний час не знаходить застосування з-за великої витрати електроенергії. Є надія, що з часом можна буде досягти сприятливих техніко-економічних показників процесу, застосовуючи регенеративні печі і використовуючи тепло ядерних реакторів, і метод увійде в промислову практику.
В даний час основною схемою фіксації азоту є синтез аміаку, а окис азоту відіграє важливу роль у технологічному процесі подальшого перетворення аміаку в азотну кислоту. Вона виходить каталітичним окисленням аміаку:
4NH3 + 5O2 - 4NO + 6H2O
Виконання реакції на практиці наштовхнулося на деякі труднощі, найважливішою з яких є можливість згоряння не до окису азоту, а до молекулярного азоту. Для запобігання цього контакт газової суміші з каталізатором повинен бути мінімальним (близько 10 - 4 с), оскільки при тривалій дії каталізатора відбувається вторинна реакція розпаду окису азоту на елементи. Через каталізатор (тонку сітку зі сплаву платини з родієм) продувають суміш повітря з аміаком (12%), в результаті вихід окису азоту досягає 98%.
Є труднощі в технологічному виконанні та наступних стадій, а саме окислення оксиду до діоксиду азоту та його перекладу в азотну кислоту. Для того щоб збільшити недостатньо високі для заводського процесу швидкості реакції окислення окису азоту і подальшого розчинення у воді двоокису азоту, створюють поглинальні камери великого об'єму і з сильно розвиненою внутрішньою поверхнею.
Отже, питання хімічних перетворень оксиду азоту та його синтезу важливі для вирішення глобальної проблеми фіксації азоту. Відомо, що загальна кількість зв'язаного азоту на Землі становить 2,4 "109 т. З них 65% є результатом діяльності азотфіксуючих мікроорганізмів грунту, 25% припадає на промисловий синтез аміаку. Частина, що залишилася (10%) - результат згоряння азоту в його окис в атмосфері за рахунок високотемпературних (пожежі, грозові розряди) і фотохімічних процесів у верхніх шарах атмосфери. Ці процеси становлять джерело більш-менш постійних концентрацій оксидів азоту в атмосфері, і їх рівень є оптимальним для підтримання на постійному рівні хімічних явищ в атмосфері Землі, перш за все сталості концентрації озону.
Стартер фотохімічного смогу
В даний час вже до 0,7 "108 т азоту в рік зв'язується при взаємодії азоту з киснем повітря в результаті високотемпературних процесів, викликаних господарською діяльністю. Половина виробленої людиною окису азоту утворюється в результаті спалювання палива в промислових установках та інша половина - за рахунок роботи транспорту. Таким чином, діючий двигун внутрішнього згоряння служить основним антропогенним джерелом NO в атмосфері.
Фронт вогню, що поширюється від іскри, досягає температури близько 2800 ° С. При такій температурі концентрація NO становила б не менше 2%. При низьких температурах навколишнього середовища оксиди азоту термодинамічно нестійкі і розпадаються на кисень і азот, але швидкість цього процесу дуже низька. Таким чином, оксид азоту досить стабільний і виділяється разом з вихлопними газами. У цілому умови в двигуні разюче близькі параметрами технологічного процесу спалювання повітря.
Потрапляючи в атмосферу, оксид азоту поступово перетворюється на діоксид шляхом взаємодії з озоном і гідроперекіснимі радикалами. Таким чином, оксиди азоту накопичуються в нижніх шарах атмосфери. Їх присутність викликає таке добре відоме явище, як кислотні дощі, і позначається на подальших перетвореннях хімічно активного компонента атмосфери - кисню.
Молекула кисню є бірадікал з неспареними електронами і носить назву триплетного кисню (3О2). Триплетних кисень має енергію дисоціації на атоми 496 кДж / моль. Ця висока величина служить кінетичним фактором відносної хімічної інертності кисню, що є однією з причин знаходження кисню у вільному стані в атмосфері. При порушенні триплетного кисню під дією світла відбувається електронна перебудова, в результаті чого виникає молекула синглетного кисню з парою електронів, що належить одному з атомів кисню, - так званий синглет I. На це потрібна енергія 92 кДж / моль. Такий кисень нестабільний і швидко розпадається. Його середній час життя в атмосфері становить 65 хв.
При подальшому збудженні відбувається ще одна трансформація молекули кисню і виникає молекула кисню синглет II. Це збуджений стан ще менш стабільно: середній час існування - 110 с. На його утворення з синглет I потрібно 63 кДж / моль. Синглетні форми кисню хімічно активні:
З їхньою освітою пов'язано важливе явище - фотодинамічної дію. Суть його полягає в наступному. Існує група речовин, які високочутливі до дії світла і, поглинаючи квант, переходять у збуджений стан. Ці речовини мають і інший особливістю - здатність передавати енергію збудження молекул кисню, переводячи їх тим самим у синглетное стан. Такі речовини називають сенсибілізаторами (S).
Оксиди азоту і є активними сенсибілізаторами, що викликають утворення синглетного кисню:
S + hn S * S * + 3O2 S + 1O2
а далі озону і атомарного кисню:
O2 + 1O2 O3 + O
Таким чином, в атмосфері накопичуються активні окислювачі, небезпечні для живих організмів. Чим вище їх концентрація (і, зокрема, озону), тим небезпечніше повітря для здоров'я, причому їх зміст тим вище, чим більше концентрація оксидів азоту (табл. 1).
При нестачі кисню в двигуні внутрішнього згоряння відбувається не тільки повне згоряння бензину до вуглекислого газу, але і неповне окиснення до альдегідів:
R-CH3 + O2 R-CH = O + H2O
Альдегід
Присутні у вихлопних газах альдегіди реагують з активними формами кисню та діоксидом азоту:
У результаті в атмосфері накопичуються пероксіацілнітрати (ПАН). Ці речовини нестійкі і легко руйнуються. Речовини групи ПАН дуже токсичні. Вже при концентрації 0,2 мг/м3 вони мають різким сльозогінним дією, пошкоджують рослини і руйнують гуму. У сукупності освіта суміші високотоксичних речовин носить назву фотохімічного смогу і вимагає для виникнення інтенсивного сонячного освітлення, активного руху транспорту та умов для появи застійної зони повітря в приземному шарі атмосфери даної території. Фотохімічний зміг характерний для великих тропічних і субтропічних міст і вперше відзначений в Лос-Анджелесі в 1944 році.
Отже, оксиди азоту - пускові речовини фотохімічного смогу, а які утворюються речовини хімічно активні і руйнують живі тканини, викликаючи задуху, а в екстремальних випадках і загибель людей. Агресивні хімічні компоненти викликають в'янення рослин, а також корозію металевих конструкцій, руйнування гуми, барвників та інших матеріалів.
Найбільш перспективним підходом до проблеми зниження росту оксиду азоту у вихлопних газах є його каталітичне взаємодія з СО, присутнім там же:
2NO + 2CO N2 + 2CO2
Ця реакція термодинамічно вигідна при температурі вихлопу. До інших реакцій відносяться освіта N2O:
2NO + CO N2О + CO2
і взаємодія СВ з водою у вихлопних газах:
CO + H2О CO2 + H2
Утворений водень може реагувати з оксидом азоту з утворенням аміаку
2NO + 5H2 2NH3 + 2H2О
Це небажаний процес, так як аміак повторно окислюється до NO при пропущенні газів через каталізатор окислення.
Найбільш ефективними каталізаторами розкладання оксиду азоту є металеві сплави або суміші оксидів металів (хрому, міді, заліза). Були випробувані різні фізичні форми каталізаторів, наприклад у вигляді металевого повсті чи металевої вати. Ці матеріали мають велику поверхнею, однак на практиці зазвичай використовують металеву стружку, яка менш схильна до спікання.
Фотохімічні реакції з участю оксидів азоту протікають під дією сонячної радіації і у верхніх шарах атмосфери. Забруднення стратосфери цими речовинами відбувається в процесі роботи реактивних двигунів літаків і ракет. Крім того, під дією ультрафіолетової радіації відбувається фотохімічне окислення азоту повітря, продуктами якого є NO і NO2. З ними пов'язані процеси деструкції озону, причому в них виявляється каталітична роль цих речовин:
O + NO2 NO + O2
NO + O3 NO2 + O2
Вміщені в атмосфері тверді частинки пилу з адсорбованими на них різними хімічними сполуками також виявляють каталітичну дію на які відбуваються в атмосферному повітрі реакції з участю оксидів азоту. Зменшення концентрації озону і атомарного кисню в стратосфері відбувається в результаті ланцюгових реакцій з каталізаторами такого типу, причому ефективність цієї взаємодії зростає з висотою.
Отже, оксид азоту - важливий чинник, що визначає стан навколишнього нас атмосфери і зовнішні умови існування. Однак ця ж речовина, як виявилося, є й потужним внутрішнім біорегулятором.
1992 рік - молекула року
Сучасний механізм міжклітинних взаємодій заснований на концепції освіти в клітинах продукту, який не секретується за допомогою спеціалізованих систем, розповсюджується за допомогою простої дифузії і діє прямо на внутрішньоклітинні мішені. Тривалий час пошуки такої речовини залишалися безрезультатними. Сенсаційні публікації з'явилися в 1987 році. Дослідницькими групами, очолюваними С. Монкада (Великобританія) і Л. Іньярро (США), були отримані однозначні докази того, що цей фактор є не що інше, як окис азоту. До теперішнього часу налічується вже тисячі публікацій, присвячених окису азоту, а в журналі "Science" в 1992 році окис азоту була названа молекулою року.
В організмі людини NO утворюється з амінокислоти - аргініну в результаті реакції, яка каталізується ферментом, який отримав назву NO-синтетаза (синтетаза окису азоту - СОА):
Загальна продукція окису азоту в організмі перевищує 100 мг на добу. Період напіврозпаду NO або її комплексів в організмі коливається від 1 до 6 з, що достатньо для дифузії через внутрішньоклітинну середу, клітинні мембрани і позаклітинне середовище.
Так, окис азоту потрапляє в клітини стінок кровоносних судин, де діє на білки, що містять геміновое залізо. Це викликає розслаблення гладких м'язів судин, за допомогою чого здійснюється локальна ауторегуляція кровотоку. Послаблення дії цього механізму призводить до розвитку гіпертонії. Надлишкова продукція NO чревата негайними важкими наслідками. Це реалізується при ендотоксичного шоці, коли грамнегативні бактерії викликають потужне освіта NO в гладких м'язах судин, що призводить до падіння кров'яного тиску і розвитку характерних для шоку порушень кровообігу.
Значення NO аж ніяк не обмежується її роллю у регуляції кров'яного тиску. Важливі функції NO в головному мозку. Дифузія NO від нейронів до пресинаптическим мембран є необхідною умовою феномена, пов'язаного з функціонуванням механізмів пам'яті і формуванням стійких патологічних зв'язків у нервовій системі. З окисом азоту пов'язані регуляція секреції інсуліну і розвиток діабету внаслідок загибелі клітин підшлункової залози при вірусних інфекціях, регуляція ниркової фільтрації, регуляція репаративних процесів в кістковій і шкірної тканинах, регуляція слизоутворення в кишковому епітелії. Не виключено, що хронічна експозиція клітин організму ендогенно утворюються продуктами окислення окису азоту може бути причиною появи деяких пухлин.
Не можна не відзначити терапевтичні дії, спрямовані на процеси утворення NO, для пульмонології при гострої респіраторної недостатності, набряку легені, синдромі шокової легені. Інгаляція газової суміші, яка містить NO, знижує рівень легеневої гіпертонії і запобігає гіпоксію в легенях - найважливіший фактор у розвитку асфіксії новонароджених. Може виявитися корисним і насичення окисом азоту інфузіруемих розчинів. В експерименті таким чином вдалося запобігти розвитку ішемічної хвороби серця. Отже, цей вважався вкрай токсичним газ стає лікарським препаратом. Не виключено, що саме такий простий спосіб застосування NO зробить цей шкідливий компонент фотохімічного смогу засобом запобігання найтрагічніших ситуацій, що виникають у медицині.
Насправді лікарський вплив окису азоту використовується вже давно. Мова йде про таку розповсюджену кардіологічному препараті, як нітрогліцерин. Нітрогліцерин - типовий приклад проліки. Проліки - хімічно модифікована форма лікарського засобу, яка в середовищі в результаті метаболічних процесів перетворюється в саме лікарський засіб. Нітрогліцерин швидко всмоктується стінками шлунка і дифундує в кров'яне русло, де легко, як усякий складний ефір, гідролізується з утворенням нітрат-іона:
Гемоглобін крові і залізовмісні ферментні системи гладком'язових клітин відновлюють нітрат-іон з утворенням окису азоту (див. реакцію "бурого кільця"):
3Fe2 + + + 4H + 3Fe3 + + NO + 2H2O
Окис азоту і надає терапевтичну дію. Здавалося б, замість нітрогліцерину можна застосовувати звичайний нітрат натрію, проте він малоефективний, тому що погано проникає через стінки шлунка. Сукупність наведених вище перетворень і становить суть застосування нітрогліцерину та інших органічних нітроефірів в якості проліків.
Звертаючись до реакції освіти окису азоту в організмі, можна висловити припущення, що терапевтичний вплив можна, крім того, надавати як за допомогою аргініну, так і за допомогою речовин, що впливають на активність ферменту СОА. Дійсно, інфузія розчинів аргініну добровольцям приводила до зниження системного кров'яного тиску. За допомогою інгібіторів СОА вдається скоротити розміри інфарктної зони при ішемії головного мозку. Цікаво, що такий результат отримано при введенні інгібітора протягом декількох діб після періоду ішемії. Введення інгібіторів СОА до початку ішемії призводило до протилежного результату. Це вказує на можливість різнобічного дії NO в патогенезі інсульту.
Таким чином, складається новий напрям в теоретичній медицині, іменоване NO-фізіологією, яке займається дослідженням ролі цієї речовини в тих чи інших життєвих процесах, вивченням їх тонких механізмів і клінічних проявів, конструюванням нових лікарських препаратів. У зв'язку з цією проблемою заслуговує окремого коментарю ситуація, пов'язана з роллю нітрат-іона в практичній діяльності людини і з його впливом на організм. Прийнято вважати, що нітрат-іон, який надходить в організм внаслідок забруднення навколишнього середовища азотовмісними промисловими і побутовими відходами, чинить негативний вплив на стан здоров'я. За оцінками, у розвинених країнах людина в добу отримує з їжею і питвом до 400 мг нітрат-іона на добу. Тим часом відомо, що продукуються організмом окис азоту в результаті окислюється до нітрат-іона, кількість якого можна порівняти з наведеною цифрою. Це підтверджується тим, що за відсутності зовнішніх джерел нітрат-іона його виявляють у сечі, причому його підвищене виділення може бути викликано тими чи іншими захворюваннями, що можна використовувати в діагностичних цілях.
Таким чином, потрібно більш глибокий аналіз ролі нітрат-іона в організмі. Це, звичайно, не поширюється на випадки отруєння нітрат-іоном при одноразовому надходженні аномально високих кількостей нітрат-іона. Остання ситуація особливо часто виникає при надмірному вживанні овочів і фруктів, оброблених підвищеними кількостями нітрату. Продукти метаболізму нітрат-іона викликають перетворення гемоглобіну в нездатний до зв'язування з киснем метгемоглобін, що викликає задуху.
Висновок
Розглянутий приклад демонструє роль двоатомної молекули і її реакцій в самих різних областях людської практики - від промислових процесів і роботи двигуна внутрішнього згоряння до тонких механізмів біорегуляції. Останній і самий сучасний аспект відкриває нові можливості для науки про здоров'я людини. Зокрема, звернуто увагу на можливу роль у біорегуляції таких метаболітів з родинним будовою, як СО і HCN, і вже є дані, що ці речовини, які в незначних середовищах присутні в середовищі, виконують важливу фізіологічну роль.
Список літератури
1. Джуан М. Історія хімії. М.: Світ, 1982.
2. Некрасов Б.В. Основи загальної хімії. М.: Хімія, 1989.
3. Хімія і суспільство. М.: Світ, 1995.
4. Хімія навколишнього середовища. М.: Хімія, 1982.
5. Проблеми фіксації азоту. М.: Світ, 1982.
6. Голубєв А.Г. / / Міжнар. мед. огляди. 1993. Т. 1, № 2. С. 128.
7. Циганенко О.І. и др. / / Гігієна і санітарія. 1989. № 4. С. 55.