К. Н. Зеленин
Военно-медицинская академия,Санкт-Петербург
Рассматриваютсявопросы химии и практических приложений оксида азота(II). Обсуждаются различныеаспекты участия этого вещества в глобальных природных, промышленных ифизиологических процессах, включая проблемы промышленной фиксации азота,гигиены, клинической и теоретической медицины.
Немного истории
Оксидазота(II) NO (или окись азота) был открыт в 1774 году английским исследователемДжозефом Пристли (1733-1804), который впервые выполнил реакцию
3Cu + 8HNO3 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
аее газообразный продукт назвал селитряным воздухом.
Пристлисделал множество и других важных открытий: впервые получил хлористый водород,аммиак, кислород (одновременно с К.В. Шееле), в чистом виде выделил оксидуглерода(II), фтористый кремний, сернистый газ. Ему принадлежит открытие ролиуглекислого газа в дыхании растений. Пристли был выдающимся представителемпневматологии или пневматической химии — направления, которое создали химики,изучавшие вещества в газообразном состоянии. В настоящее время пневматологию нерассматривают как отдельную ветвь естествознания, потому что она вошла в физикуи химию, но иное положение было в XVII и XVIII веках. Основоположникомпневматической химии был Ван Гельмонт, который не только ввел термин«газ», но и обнаружил непохожий на воздух «лесной газ» (gassilvestre), выделяющийся при действии кислот на известняк, при брожениимолодого вина и приготовлении пива, а также при горении угля.
Изучениегазов позволило открыть физические законы зависимости объема газов от давленияи температуры. Влияние давления на объем газа было установлено Р. Бойлем в 1660году и Э. Мариоттом в 1677 году. Гораздо позднее А. Вольта (1792) и Ж.Л.Гей-Люссак (1802) установили влияние температуры. Эти законы вместе с закономГей-Люссака об объемных отношениях при соединении газов составляют основупневматологии.
Оставляяселитряный воздух на долгое время в соприкосновении с серой и железом, Пристлизаметил, что свойства газа изменяются: в то время как в селитряном воздухезажженная свеча гаснет, в измененном селитряном воздухе (который он назвалдефлогистированным селитряным воздухом) она продолжает гореть. Кроме того,дефлогистированный селитряный воздух не обладает свойством приобретать бурыйцвет при смешении с атмосферным воздухом, то есть не дает реакции, обнаруженнойПристли для NO:
2NO+ O2 2NO2
Следовательно,речь идет о новом газе. И действительно, в указанном Пристли опыте получаетсязакись азота, образующаяся по реакции
6NO+ 2Fe + 3Н2О 3N2O + 2Fе(ОН)3
вследствиепроцесса восстановления NO под действием увлажненного железа и серы. Ее составбыл установлен Г. Дэви в 1800 году. Потребовалось еще 50 лет, чтобы этовещество вошло в практику в качестве наркозного средства. По-иному сложиласьистория окиси азота, которая привлекла всеобщее внимание лишь в XX веке.
Строение и свойства
Ктому времени были хорошо изучены свойства этого вещества. Как соединение спромежуточной степенью окисления азота NO может быть как восстановителем, так иокислителем. Оно чрезвычайно легко окисляется под действием кислорода игалогенов, например хлора:
NO+ Cl2
2NOCl(хлористый нитрозил)
Естественно,что под действием сильных окислителей окись азота окисляется до нитрат-иона.
Легкоеокисление кислородом было использовано в разработанном еще в XVIII векекамерном способе получения серной кислоты, где окись азота играет роль катализатора-переносчикакислорода, что видно из следующих реакций:
2NO + O2
2NO2
SO2 + H2O
H2SO3
NO2 + H2SO3
NO + H2SO4
NOохотно реагирует и с восстановителями, причем восстановление обычно идет дотермодинамически стабильного молекулярного азота:
2NO + H2S
N2 + 2S + 2H2O
2NO + 2H2
N2 + 2H2O
2NO + 2CO
N2 + 2CO2
хотяв принципе подбором условий можно превратить NO и в другие соединения состепенями окисления от + 1 до — 3, как это, например, происходит в реакциисинтеза N2O.
Строениемолекулы окиси азота, во многом сходной с молекулами кислорода, оксидауглерода(II) и HCN сообщает ей такое общее с ними свойство, как способность кобразованию комплексов. Кроме того, сходство с кислородом проявляется и впарамагнетизме обеих молекул из-за наличия неспаренных электронов. Примеромобразования комплекса с участием NO служит обнаруженная еще Пристликачественная реакция на нитрат-ион, называемая реакцией «бурогокольца». Сначала под действием сульфата железа нитрат-ионвосстанавливается в NO:
6FeSO4 + 2KNO3 + 4H2SO4
3Fe2(SO4)3 + 2NO + 4H2O
азатем с избытком FeSO4 образуется окрашенный в бурый цвет комплекс:
FeSO4 + NO + H2O [Fe(H2O)5NO] SO4
УЧАСТИЕВ ФИКСАЦИИ АЗОТА
Вконце XIX века промышленность стала нуждаться в больших количествахазотсодержащих соединений для производства красителей, взрывчатых веществ,удобрений. В связи с этим было заманчивым осуществить технологический процессгорения воздуха по уравнению
N2+ O2 — 2NO — 43 ккал/моль
Достижениятермодинамики и кинетики позволили разработать научные основы процесса, которыйтребовал высоких температур как для преодоления высокого активационногобарьера, так и для достижения удовлетворительного выхода эндотермическойреакции. Термодинамические данные, приведенные ниже, иллюстрируют сказанное:
В1901 году горение воздуха было впервые осуществлено с помощью дугового метода.Воздух продували через растянутую магнитным полем электрическую дугу стемпературой около 4000? С и затем охлаждали газовую смесь с тем, чтобы не датьвозможности образовавшейся окиси азота разложиться на азот и кислород. Из-заэтого выход NO составляет лишь около 2%, что не играет особой роли, так какзатраты на исходное сырье отсутствуют. Тем не менее метод в настоящее время ненаходит применения из-за большого расхода электроэнергии. Есть надежда, что современем можно будет достигнуть благоприятных технико-экономических показателейпроцесса, применяя регенеративные печи и используя тепло ядерных реакторов, иметод войдет в промышленную практику.
Внастоящее время основной схемой фиксации азота является синтез аммиака, а окисьазота играет важную роль в технологическом процессе последующего превращенияаммиака в азотную кислоту. Она получается каталитическим окислением аммиака:
4NH3 + 5O2 — 4NO + 6H2O
Выполнениереакции на практике натолкнулось на некоторые трудности, важнейшей из которыхявляется возможность сгорания не до окиси азота, а до молекулярного азота. Дляпредотвращения этого контакт газовой смеси с катализатором должен бытьминимальным (около 10- 4 с), поскольку при длительном воздействии катализаторапроисходит вторичная реакция распада окиси азота на элементы. Через катализатор(тонкую сетку из сплава платины с родием) продувают смесь воздуха с аммиаком(12%), в результате выход окиси азота достигает 98%.
Имеютсятрудности в технологическом выполнении и следующих стадий, а именно окисленияоксида до диоксида азота и его перевода в азотную кислоту. Для того чтобыувеличить недостаточно высокие для заводского процесса скорости реакцииокисления окиси азота и последующего растворения в воде двуокиси азота, создаютпоглотительные камеры большого объема и с сильно развитой внутреннейповерхностью.
Итак,вопросы химических превращений оксида азота и его синтеза важны для решенияглобальной проблемы фиксации азота. Известно, что общее количество связанногоазота на Земле составляет 2,4 " 109 т. Из них 65% является результатомдеятельности азотфиксирующих микроорганизмов почвы, 25% приходится напромышленный синтез аммиака. Оставшаяся часть (10%) — результат сгорания азотав его окись в атмосфере за счет высокотемпературных (пожары, грозовые разряды)и фотохимических процессов в верхних слоях атмосферы. Эти процессы составляютисточник более или менее постоянных концентраций оксидов азота в атмосфере, иих уровень является оптимальным для поддержания на постоянном уровне химическихявлений в атмосфере Земли, прежде всего постоянства концентрации озона.
Стартер фотохимического смога
Внастоящее время уже до 0,7 " 108 т азота в год связывается привзаимодействии азота с кислородом воздуха в результате высокотемпературныхпроцессов, вызванных хозяйственной деятельностью. Половина производимойчеловеком окиси азота образуется в результате сжигания топлива в промышленныхустановках и другая половина — за счет работы транспорта. Таким образом,действующий двигатель внутреннего сгорания служит основным антропогеннымисточником NO в атмосфере.
Фронтогня, распространяющийся от искры, достигает температуры около 2800? С. Притакой температуре концентрация NO составила бы не менее 2%. При низкихтемпературах окружающей среды оксиды азота термодинамически неустойчивы ираспадаются на кислород и азот, но скорость этого процесса очень низка. Такимобразом, оксид азота достаточно стабилен и выделяется вместе с выхлопнымигазами. В целом условия в двигателе поразительно близки параметрамтехнологического процесса сжигания воздуха.
Попадаяв атмосферу, оксид азота постепенно превращается в диоксид путем взаимодействияс озоном и гидроперекисными радикалами. Таким образом, окислы азотанакапливаются в нижних слоях атмосферы. Их присутствие вызывает такое хорошоизвестное явление, как кислотные дожди, и сказывается на последующихпревращениях химически активного компонента атмосферы — кислорода.
Молекулакислорода представляет собой бирадикал с неспаренными электронами и носитназвание триплетного кислорода (3О2). Триплетный кислород имеет энергиюдиссоциации на атомы 496 кДж/моль. Эта высокая величина служит кинетическимфактором относительной химической инертности кислорода, что является одной изпричин нахождения кислорода в свободном состоянии в атмосфере. При возбуждениитриплетного кислорода под действием света происходит электронная перестройка, врезультате чего возникает молекула синглетного кислорода с парой электронов,принадлежащей одному из атомов кислорода, — так называемый синглет I. На этотребуется энергия 92 кДж/моль. Такой кислород нестабилен и быстро распадается.Его среднее время жизни в атмосфере составляет 65 мин.
Придальнейшем возбуждении происходит еще одна трансформация молекулы кислорода ивозникает молекула кислорода синглет II. Это возбужденное состояние еще менеестабильно: среднее время существования — 110 с. На его образование из синглетаI требуется 63 кДж/моль. Синглетные формы кислорода химически активны:
Сих образованием связано важное явление — фотодинамическое действие. Суть егосостоит в следующем. Существует группа веществ, которые высокочувствительны кдействию света и, поглощая квант, переходят в возбужденное состояние. Этивещества обладают и другой особенностью — способностью передавать энергиювозбуждения молекулам кислорода, переводя их тем самым в синглетное состояние.Такие вещества называют сенсибилизаторами (S).
Оксидыазота и являются активными сенсибилизаторами, вызывающими образованиесинглетного кислорода:
S + hn S* S* + 3O2 S + 1O2
адалее озона и атомарного кислорода:
O2 + 1O2 O3 + O
Такимобразом, в атмосфере накапливаются активные окислители, опасные для живыхорганизмов. Чем выше их концентрация (и, в частности, озона), тем опаснеевоздух для здоровья, причем их содержание тем выше, чем больше концентрацияоксидов азота (табл. 1).
Принедостатке кислорода в двигателе внутреннего сгорания происходит не толькополное сгорание бензина до углекислого газа, но и неполное окисление доальдегидов:
R-CH3 + O2 R-CH=O + H2O
Альдегид
Присутствующиев выхлопных газах альдегиды реагируют с активными формами кислорода и диоксидомазота:
Врезультате в атмосфере накапливаются пероксиацилнитраты (ПАН). Эти веществанестойки и легко разрушаются. Вещества группы ПАН очень токсичны. Уже приконцентрации 0,2 мг/м3 они обладают резким слезоточивым действием, повреждаютрастения и разрушают резину. В совокупности образование смеси высокотоксичныхвеществ носит название фотохимического смога и требует для возникновенияинтенсивного солнечного освещения, активного движения транспорта и условий дляпоявления застойной зоны воздуха в приземном слое атмосферы данной территории.Фотохимический смог характерен для больших тропических и субтропических городови впервые отмечен в Лос-Анджелесе в 1944 году.
Итак,окислы азота — пусковые вещества фотохимического смога, а образующиеся веществахимически активны и разрушают живые ткани, вызывая удушье, а в экстремальныхслучаях и гибель людей. Агрессивные химические компоненты вызывают увяданиерастений, а также коррозию металлических конструкций, разрушение резины,красителей и других материалов.
Наиболееперспективным подходом к проблеме снижения роста оксида азота в выхлопных газахявляется его каталитическое взаимодействие с СО, присутствующим там же:
2NO + 2CO N2 + 2CO2
Этареакция термодинамически выгодна при температуре выхлопа. К другим реакциямотносятся образование N2O:
2NO + CO N2О + CO2
ивзаимодействие СО с водой в выхлопных газах:
CO + H2О CO2 + H2
Образующийсяводород может реагировать с оксидом азота с образованием аммиака
2NO + 5H2 2NH3 + 2H2О
Этонежелательный процесс, так как аммиак повторно окисляется до NO при пропусканиигазов через катализатор окисления.
Наиболееэффективными катализаторами разложения оксида азота являются металлические сплавыили смеси оксидов металлов (хрома, меди, железа). Были испытаны различныефизические формы катализаторов, например в виде металлического войлока илиметаллической ваты. Эти материалы обладают большой поверхностью, однако напрактике обычно используют металлическую стружку, которая менее подверженаспеканию.
Фотохимическиереакции с участием оксидов азота протекают под действием солнечной радиации и вверхних слоях атмосферы. Загрязнение стратосферы этими веществами происходит впроцессе работы реактивных двигателей самолетов и ракет. Кроме того, поддействием ультрафиолетовой радиации происходит фотохимическое окисление азотавоздуха, продуктами которого являются NO и NO2. С ними связаны процессыдеструкции озона, причем в них проявляется каталитическая роль этих веществ:
O + NO2 NO + O2
NO + O3 NO2 + O2
Содержащиесяв атмосфере твердые частицы пыли с адсорбированными на них различнымихимическими соединениями также оказывают каталитическое действие на протекающиев атмосферном воздухе реакции с участием оксидов азота. Уменьшение концентрацииозона и атомарного кислорода в стратосфере происходит в результате цепныхреакций с катализаторами такого типа, причем эффективность этого взаимодействиявозрастает с высотой.
Итак,оксид азота — важный фактор, определяющий состояние окружающей нас атмосферы ивнешние условия существования. Однако это же вещество, как оказалось, являетсяи мощным внутренним биорегулятором.
1992 год — молекула года
Современныймеханизм межклеточных взаимодействий основан на концепции образования в клеткахпродукта, который не секретируется с помощью специализированных систем,распространяется посредством простой диффузии и действует прямо навнутриклеточные мишени. Длительное время поиски такого вещества оставалисьбезрезультатными. Сенсационные публикации появились в 1987 году.Исследовательскими группами, возглавляемыми С. Монкадой (Великобритания) и Л.Иньярро (США), были получены однозначные доказательства того, что этот факторесть не что иное, как окись азота. К настоящему времени насчитывается ужетысячи публикаций, посвященных окиси азота, а в журнале «Science» в1992 году окись азота была названа молекулой года.
Ворганизме человека NO образуется из аминокислоты — аргинина в результатереакции, которая катализируется ферментом, получившим название NO-синтетаза(синтетаза окиси азота — СОА):
Общаяпродукция окиси азота в организме превышает 100 мг в сутки. Период полураспадаNO или ее комплексов в организме колеблется от 1 до 6 с, что достаточно длядиффузии через внутриклеточную среду, клеточные мембраны и внеклеточную среду.
Так,окись азота попадает в клетки стенок кровеносных сосудов, где действует набелки, содержащие геминовое железо. Это вызывает расслабление гладких мышцсосудов, посредством чего осуществляется локальная ауторегуляция кровотока.Ослабление действия этого механизма приводит к развитию гипертонии. Избыточнаяпродукция NO чревата немедленными тяжелыми последствиями. Это реализуется приэндотоксическом шоке, когда грамотрицательные бактерии вызывают мощное образованиеNO в гладких мышцах сосудов, что приводит к падению кровяного давления иразвитию характерных для шока нарушений кровообращения.
ЗначениеNO отнюдь не ограничивается ее ролью в регуляции кровяного давления. Важныфункции NO в головном мозгу. Диффузия NO от нейронов к пресинаптическиммембранам является необходимым условием феномена, связанного сфункционированием механизмов памяти и формированием устойчивых патологическихсвязей в нервной системе. С окисью азота связаны регуляция секреции инсулина иразвитие диабета вследствие гибели клеток поджелудочной железы при вирусныхинфекциях, регуляция почечной фильтрации, регуляция репаративных процессов вкостной и кожной тканях, регуляция слизеобразования в кишечном эпителии. Неисключено, что хроническая экспозиция клеток организма эндогенно образующимисяпродуктами окисления окиси азота может быть причиной появления некоторыхопухолей.
Нельзяне отметить терапевтические воздействия, направленные на процессы образованияNO, для пульмонологии при острой респираторной недостаточности, отеке легкого,синдроме шокового легкого. Ингаляция газовой смеси, содержащей NO, снижаетуровень легочной гипертонии и предотвращает гипоксию в легких — важнейшийфактор в развитии асфиксии новорожденных. Может оказаться полезным и насыщениеокисью азота инфузируемых растворов. В эксперименте таким образом удалосьпредотвратить развитие ишемической болезни сердца. Следовательно, этотсчитавшийся крайне токсичным газ становится лекарственным препаратом. Неисключено, что именно такой простой способ применения NO сделает этотвредоносный компонент фотохимического смога средством предотвращения самыхтрагичных ситуаций, возникающих в медицине.
Насамом деле лекарственное воздействие окиси азота используется уже давно. Речьидет о таком распространенном кардиологическом препарате, как нитроглицерин.Нитроглицерин — типичный пример пролекарства. Пролекарство — химическимодифицированная форма лекарственного средства, которая в биосредах врезультате метаболических процессов превращается в само лекарственное средство.Нитроглицерин быстро всасывается стенками желудка и диффундирует в кровяноерусло, где легко, как всякий сложный эфир, гидролизуется с образованиемнитрат-иона:
Гемоглобинкрови и железосодержащие ферментные системы гладкомышечных клетоквосстанавливают нитрат-ион с образованием окиси азота (см. реакцию «бурогокольца»):
3Fe2+ + + 4H+ 3Fe3 + + NO + 2H2O
Окисьазота и оказывает терапевтическое действие. Казалось бы, вместо нитроглицеринаможно применять обычный нитрат натрия, однако он малоэффективен, так как плохопроникает через стенки желудка. Совокупность приведенных выше превращений исоставляет суть применения нитроглицерина и других органических нитроэфиров вкачестве пролекарств.
Обращаяськ реакции образования окиси азота в организме, можно высказать предположение,что терапевтическое воздействие можно, кроме того, оказывать как с помощьюаргинина, так и посредством веществ, влияющих на активность фермента СОА.Действительно, инфузия растворов аргинина добровольцам приводила к снижениюсистемного кровяного давления. С помощью ингибиторов СОА удается сократитьразмеры инфарктной зоны при ишемии головного мозга. Интересно, что такойрезультат получен при введении ингибитора в течение нескольких суток послепериода ишемии. Введение ингибиторов СОА до начала ишемии приводило кпротивоположному результату. Это указывает на возможность разностороннегодействия NO в патогенезе инсульта.
Такимобразом, складывается новое направление в теоретической медицине, именуемоеNO-физиологией, которое занимается исследованием роли этого вещества в тех илииных жизненных процессах, изучением их тонких механизмов и клиническихпроявлений, конструированием новых лекарственных препаратов. В связи с этойпроблемой заслуживает отдельного комментария ситуация, связанная с рольюнитрат-иона в практической деятельности человека и с его воздействием наорганизм. Принято считать, что нитрат-ион, поступающий в организм вследствиезагрязнения окружающей среды азотсодержащими промышленными и бытовыми отходами,оказывает отрицательное воздействие на состояние здоровья. По оценкам, вразвитых странах человек в сутки получает с едой и питьем до 400 мг нитрат-ионав сутки. Между тем известно, что продуцируемая организмом окись азота в итогеокисляется до нитрат-иона, количество которого сопоставимо с приведеннойцифрой. Это подтверждается тем, что при отсутствии внешних источниковнитрат-иона его обнаруживают в моче, причем его повышенное выделение может бытьвызвано теми или иными заболеваниями, что можно использовать в диагностическихцелях.
Такимобразом, требуется более глубокий анализ роли нитрат-иона в организме. Это,конечно, не распространяется на случаи отравления нитрат-ионом при одноразовомпоступлении аномально высоких количеств нитрат-иона. Последняя ситуацияособенно часто возникает при неумеренном употреблении овощей и фруктов,обработанных повышенными количествами нитрата. Продукты метаболизма нитрат-ионавызывают превращение гемоглобина в неспособный к связыванию с кислородомметгемоглобин, что вызывает удушье.
Заключение
Рассмотренныйпример демонстрирует роль двухатомной молекулы и ее реакций в самых различныхобластях человеческой практики — от промышленных процессов и работы двигателявнутреннего сгорания до тонких механизмов биорегуляции. Последний и самыйсовременный аспект открывает новые возможности для науки о здоровье человека. Вчастности, обращено внимание на возможную роль в биорегуляции таких метаболитовс родственным строением, как СО и HCN, и уже имеются данные, что эти вещества,которые в ничтожных средах присутствуют в биосредах, выполняют важнуюфизиологическую роль.
Список литературы
1.Джуа М. История химии. М.: Мир, 1982.
2.Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1989.
3.Химия и общество. М.: Мир, 1995.
4.Химия окружающей среды. М.: Химия, 1982.
5.Проблемы фиксации азота. М.: Мир, 1982.
6.Голубев А.Г. // Междунар. мед. обзоры. 1993. Т. 1, № 2. С. 128.
7.Цыганенко О.И. и др. // Гигиена и санитария. 1989. № 4. С. 55.