氰化物

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氰化物構造式

氰化物是特指带有离子(CN)或氰基(-CN)的化合物,其中的原子原子通过叁键相连接。这一叁键给予氰基以相当高的稳定性,使之在通常的化学反应中都以一个整体存在。因该基团具有和卤素类似的化学性质,常被称为拟卤素。通常为人所了解的氰化物都是无机氰化物,俗稱山奈或山埃(來自英語音譯“Cyanide”),是指包含有氰根离子(CN)的无机盐,可认为是氢氰酸(HCN)的盐,常见的有氰化钾氰化钠。它们多有剧毒,故而为世人熟知。另有有机氰化物,是由氰基通过单键与另外的碳原子结合而成。视结合方式的不同,有机氰化物可分类为(-CN)和异腈(-NC),相应的,氰基可被称为腈基(-CN)或异腈基(-NC)。

字源[编辑]

氰化物在英文中称为cyanide,由cyan(青色,蓝绿色)衍生而来。考虑单质的氰[(CN)2]呈气态,故以青字加上气字头,得到现在通行的氰字。而英文中将氰与青色相联系,是因为当時发现的著名的普鲁士蓝是一种蓝色的染料,为含氰无机物。

外观与气味[编辑]

氰化氫(HCN)是一种无色气体,带有淡淡的苦杏仁味。未經處理的杏仁,特別是苦杏仁有苦杏仁苷,水解會釋放出氰化氫,可阻斷細胞呼吸鏈,妨礙ATP產生[1]。有趣的是,有四成人根本就闻不到它的味道,仅仅因为缺少相应的基因。氰化钾和氰化钠都是无色晶体,在潮湿的空气中,水解产生氢氰酸而具有苦杏仁味。

存在与应用[编辑]

氰化物拥有令人生畏的毒性,它们广泛存在于自然界,尤其是生物界。氰化物可由某些细菌真菌藻类制造,并存在于相当多的食物植物中。在植物中,氰化物通常与糖分子结合,并以含氰糖苷(cyanogenic glycoside)形式存在。比如,木薯中就含有含氰糖苷,在食用前必须设法将其除去(通常靠持续沸煮)。水果的核中通常含有氰化物或含氰糖苷。如杏仁中含有的苦杏仁苷,就是一种含氰糖苷,故食用杏仁前通常用温水浸泡以去毒。

人类的活动也导致氰化物的形成。汽车尾气和香烟的烟雾中都含有氰化氢,燃烧某些塑料羊毛也会产生氰化氢。

采矿业[编辑]

广义酸碱理论中,氰离子(CN)被归类为软碱,故而可与软酸类的低价重金属离子形成较强的结合。基于此,氰化物被广泛应用于湿法冶炼

氰化物被大量用于黄金开采中,因为金单质由于氰离子的络合作用降低了其氧化电位从而能在碱性条件下被空气中的氧气氧化生成可溶性的金酸盐而溶解,由此可以有效地将金从矿渣中分离出来,然后再用活泼金属比如锌块经过置换反应把金从溶液中还原为金属(参见湿法冶金)。

有机合成[编辑]

氰化物在有机合成中是非常有用的试剂。常用来在分子中引入一个氰基,生成有机氰化物,即腈。例如纺织品中常见的腈纶,它的化学名称是聚丙烯腈。腈通过水解可以生成羧酸;通过还原可以生成等;可以衍生出其它许多的官能团来。

毒性[编辑]

氰化物进入机体后分解出具有毒性的氰离子(CN-),氰离子能抑制组织细胞内42种酶的活性,如细胞色素氧化酶、过氧化物酶、脱羧酶、琥珀酸脱氢酶及乳酸脱氢酶等。其中,细胞色素氧化酶对氰化物最为敏感。

其致死機制主要與呼吸作用有密切關係。細胞內的線粒體會利用一系列的酶進行呼吸作用,以生成三磷酸腺苷(ATP)和熱能維持細胞其他的新陳代謝和酶的活性。在呼吸作用中,可分為三種階段,分別為在細胞質中進行的糖酵解,以及在線粒體中進行的克雷伯氏循環與氧化磷酸化,這三種由不同的酶所操控的化學反應把葡萄糖,脂肪及氨基酸進行分解代謝,以生成ATP及放出熱能維持代謝。基於氰离子对重金属离子的超强络合能力,氰离子極易與含有鐵離子,金離子等等的不同種類與呼吸作用相關的結合,尤其與呼吸作用中進行最後步驟 : 氧化磷酸化與過程中的電子傳遞鏈,極易與進行最後電子傳遞受體的細胞色素氧化酶a3結合,引致這種酶的失去活性,使得電子失去與受體進行結合的能力,不能進行氧化還原反應生成水和ATP,使得整個氧化磷酸化不能進行,結果導致克雷伯氏循環中的大量產物如NADPH 等積累在線粒體內膜,難以再作循環代謝反應,結果導致克雷伯氏循環代謝能力也大量下降,最終結果引致細胞完全不能進行需氧呼吸以獲取足夠能量,只能夠透過糖酵解放出少量的ATP (一粒葡萄糖經糖酵解代謝後只得2粒ATP生成,對比完全氧化後的38粒是極微量的),引致細胞內窒息導致人體死亡。

氰化物中毒的臨床症狀包括﹕

  1. 中毒者血液pH值在吸食後兩至三分鐘內急劇下降
  2. 缺氧窒息
  3. 身體散發大量類似苦杏仁味的氣味
  4. 嚴重昏迷及面部發紫
  5. 即使痊瘉後,大部份中毒者的腦部和心臟一般都已受永久性傷害

人體代謝過程[编辑]

氰離子主要和粒線體內進行呼吸作用中的最後步驟的氧化磷酸化和電子傳遞鏈中起著控制作用的细胞色素P450(即細胞色素氧化酶a3)中的鐵离子结合,引致這種酶的活性部位改變,從而被抑制。這減低在呼吸作用中電子傳遞鏈起到的传递电子能力的反應效率,由於磷酸化過程中,電子受體是一步一步的,透過不同產物拋離及交換電子以打破代學鍵來放出能量的,最終把電子傳遞至一個受體,形成穩定及能級較為低的化合物 (例子有水),其中過程便是有線粒體內膜中的一系列呼吸酶所操控的,但是如果其中有一個反應受到影響的話,產物便會積累,結果引致前方克雷伯氏循環中的產物也會積累,其後果便是整體效率急劇下降,最終完全停止,引發整個需氧呼吸程序不能進行。由於糖酵解是在細胞質中進行,線粒體的產物受到積累通常都不會影響糖酵解的反應效率,細胞因此便會進行糖酵解獲得能量,即缺氧呼吸,把及後生成的產物傳遞至另一些受體,結果大量生成化合物乳酸,乳酸會進入血液中。由於人類所有細胞都需進行呼吸作用,故氰化物將抑制著所有細胞的需氧呼吸,使乳酸生產量大增且被放進血液中,引致血液pH值下降。

由於血液pH值的下降會使酶的活動再度減慢,使吸服者出現代謝性酸中毒,把身體大部份控制身體機能的酶抑制著,引致大部份在身體的維持生命活動的化學反應不能夠進行,這便引致中毒者死亡了。

由於氰離子一般都會由血液中發揮作用及吸收進血液中,故紅血球最先大量被殺死,心臟細胞又被氰化物引致窒息而全部死亡,引致心臟停止運作,所以循環系統一般會最先受到影響。此外,需氧量大的組織,如腦部和肝臟,缺氧呼吸是難以支持它們的活動,故此無需等到患者出現代謝性酸中毒,它們的大量細胞便早已死亡了。這也解釋到患者因何吸服後會很快昏迷。

氰化物是一種專一性的非競爭性抑制物,和酶的反應也是永久性,不能夠隨時間和酶分開,使酶恢復正常。它只針對一系列的細胞色素氧化酶,不會對其他的酶起作用。至於全部細胞都會被毒殺,這是因為呼吸作用在所有細胞中都會進行,其他的化學反應及催化反應都必須依賴呼吸作用中的ATP提供能量以支持。

解毒[编辑]

氰化物中毒一般都很迅速。临床上常用的抢救方法是用硫代硫酸钠溶液进行静脉注射,同时使那些尚有意识的病人吸入亚硝酸异戊酯进行血管扩张来克服缺氧。常见的氰化物中毒原因是误食含氰果仁,比如生桃仁等。中毒後會發出一种獨特的苦杏仁味。

一些政府把氰化物列作管制性危險品,未經申請許可者不得擅自製造、運輸、儲存及買賣。

参见[编辑]

外部链接[编辑]

  1. ^ 吃过量苦杏仁会致死吗? | 问答 | 问答 | 果壳网 科技有意思