氰化物

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氰化物构造式

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参键相连接。这一参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,俗称山奈山埃(来自英语音译“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,是因为当时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]

氰化氢(HCN)是一种无色气体,带有淡淡的苦杏仁味。未经处理的杏仁,特别是苦杏仁有苦杏仁苷水解会释放出氰化氢,可阻断细胞呼吸链,妨碍ATP产生[1]。但有约60%的人由于缺少相应的基因而闻不到它的味道。氰化钾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,并存在于相当多的水果植物中。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]

氰化物进入有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。

其致死机制主要与呼吸作用有密切关系。细胞内的线粒体会利用一系列的酶进行呼吸作用,以生成三磷酸腺苷(ATP)和热能维持细胞其他的新陈代谢和酶的活性。在呼吸作用中,可分为三种阶段,分别为在细胞质中进行的糖酵解,以及在线粒体中进行的克雷伯氏循环与氧化磷酸化,这三种由不同的酶所操控的化学反应把葡萄糖,脂肪及氨基酸进行分解代谢,以生成ATP及放出热能维持代谢。基于氰离子对重金属离子的超强络合能力,氰离子极易与含有铁离子,金离子等等的不同种类与呼吸作用相关的结合,尤其与呼吸作用中进行最后步骤 : 氧化磷酸化与过程中的电子传递链,极易与进行最后电子传递受体的细胞色素氧化酶a3结合,引致这种酶的失去活性,使得电子失去与受体进行结合的能力,不能进行氧化还原反应生成水和ATP,使得整个氧化磷酸化不能进行,结果导致克雷伯氏循环中的大量产物如NADH 等积累在线粒体内膜,难以再作循环代谢反应,结果导致克雷伯氏循环代谢能力也大量下降,最终结果引致细胞完全不能进行需氧呼吸以获取足够能量,只能够透过糖酵解放出少量的ATP (一粒葡萄糖经糖酵解代谢后只得2粒ATP生成,对比完全氧化后的36~38粒是极微量的),引致细胞内窒息导致人体死亡。

氰化物中毒的临床症状包括﹕

  1. 中毒者血液pH值在吸食后两至三分钟内急剧下降
  2. 缺氧窒息
  3. 身体散发大量类似苦杏仁味的气味
  4. 严重昏迷及面部发紫
  5. 即使痊愈后,大部份中毒者的脑部和心脏一般都已受永久性伤害

人体代谢过程[编辑]

氰离子主要和粒线体内进行呼吸作用中的最后步骤的氧化磷酸化和电子传递链中起著控制作用的细胞色素P450(即细胞色素氧化酶a3)中的铁离子结合,引致这种酶的活性部位改变,从而被抑制。这减低在呼吸作用中电子传递链起到的传递电子能力的反应效率,由于磷酸化过程中,电子受体是一步一步的,透过不同产物抛离及交换电子以打破代学键来放出能量的,最终把电子传递至一个受体,形成稳定及能级较为低的化合物 (例子有),其中过程便是有线粒体内膜中的一系列呼吸酶所操控的,但是如果其中有一个反应受到影响的话,产物便会积累,结果引致前方克雷伯氏循环中的产物也会积累,其后果便是整体效率急剧下降,最终完全停止,引发整个需氧呼吸程序不能进行。由于糖酵解是在细胞质中进行,线粒体的产物受到积累通常都不会影响糖酵解的反应效率,细胞因此便会进行糖酵解获得能量,即缺氧呼吸,把及后生成的产物传递至另一些受体,结果大量生成化合物乳酸,乳酸会进入血液中。由于人类所有细胞都需进行呼吸作用,故氰化物将抑制著所有细胞的需氧呼吸,使乳酸生产量大增且被放进血液中,引致血液pH值下降。

由于血液pH值的下降会使酶的活动再度减慢,使吸服者出现代谢性酸中毒,把身体大部份控制身体机能的酶抑制著,引致大部份在身体的维持生命活动的化学反应不能够进行,这便引致中毒者死亡了。

由于氰离子一般都会由血液中发挥作用及吸收进血液中,故红血球最先大量被杀死,心脏细胞又被氰化物引致窒息而全部死亡,引致心脏停止运作,所以循环系统一般会最先受到影响。此外,需氧量大的组织,如脑部和肝脏,缺氧呼吸是难以支持它们的活动,故此无需等到患者出现代谢性酸中毒,它们的大量细胞便早已死亡了。这也解释到患者为何吸服后会很快昏迷。

氰化物是一种专一性的非竞争性抑制物,和酶的反应也是永久性,不能够随时间和酶分开,使酶恢复正常。它只针对一系列的细胞色素氧化酶,不会对其他的酶起作用。至于全部细胞都会被毒杀,这是因为呼吸作用在所有细胞中都会进行,其他的化学反应及催化反应都必须依赖呼吸作用中的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。中毒后会发出一种独特的苦杏仁味。

一些政府把氰化物列作管制性危险品,未经申请许可者不得擅自制造、运输、储存及买卖。

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