氰化物
| 氰离子 | |
|---|---|
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| IUPAC名 Cyanide | |
| 系统名 Nitridocarbonate(II) | |
| 识别 | |
| CAS号 | 57-12-5 
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| PubChem | 5975 |
| ChemSpider | 5755 |
| SMILES |
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| InChI |
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| InChIKey | XFXPMWWXUTWYJX-UHFFFAOYSA-N |
| ChEBI | 17514 |
| 性质 | |
| 化学式 | CN |
| 摩尔质量 | 26.02 g·mol−1 |
| 相关物质 | |
| 相关化学品 | 共轭酸：氢氰酸 |
| 若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。 | |
无机氰化物俗称山奈或山埃（来自英语音译），是指包含有氰根离子（CN−）的无机盐，可认为是氢氰酸（HCN）的盐。可溶的氰化物如：氰化钾和氰化钠有剧毒。[3]氢氰酸，又叫氰化氢，化学式 HCN，是一种挥发性高的液体，在工业上大量生产。它可由氰化物酸化而成。
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，通常叫做腈。举个例子，乙腈是由氰基和甲基 (CH3)键合而成的化合物。尽管它们通常不释放氰离子，但羟腈会这样做，所以有毒。
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。
成键
[编辑]氰离子和氮气、一氧化碳是等电子体。在碳和氮原子之间有一个三键。氰离子的负电荷聚集在碳原子上。[4][5]
存在
[编辑]自然界
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氰化物可以由某些细菌、真菌和藻类生产。它是许多植物的拒食剂。在某些种子和果核中可发现相当量的氰化物，例如苦杏仁、杏、苹果和桃的种子和果核。[6]可以释放氰化物的化合物称为氰基化合物。在植物中，氰化物通常和糖分子键合，形成氰苷，抵御草食动物。木薯根是热带国家种植的一种重要的，类似马铃薯的食物（也是制作tapioca的原材料）也含有氰苷。[7][8]
介质
[编辑]氰基自由基 ·CN 存在于星际介质中。[9] 氰气 (CN)2可用来测量分子云的温度。[10]
热分解和燃烧产物
[编辑]氢氰酸可以由某些材料在缺氧环境下的热分解而成。举个例子，它可以在内燃机尾气和烟草烟雾中被检测到。某些塑料，特别是丙烯腈的衍生物加热或燃烧会产生氢氰酸。[11]
辅因子
[编辑]氢化酶的活性位点含有与铁相连的氰根配体。[NiFe]-氢化酶的氰化物生物合成来自氨甲酰磷酸酯，它会被转化成半胱氨酸硫氰酸酯，一种CN− 供体。[12]
反应
[编辑]水解
[编辑]氰化物在水中不稳定，但反应在170 °C之前都很缓慢。它的水解会产生毒性远低于氰化物的氨和甲酸盐：[13]
- CN- + 2 H2O → HCO2- + NH3
烷基化
[编辑]氰离子有高亲核性，所以氰基很容易引入到有机化合物中，并替换掉一个卤素原子（例如氯甲烷的氯原子）。有机氰化物被称为腈。在有机合成中，氰化物是C-1 合成子，可以使碳链的长度加一：[14]
- RX + CN− → RCN + X−
氧化还原反应
[编辑]氰离子是还原剂，会被强氧化剂如氯气 (Cl2)、次氯酸盐 (ClO−)和过氧化氢 (H2O2)氧化。这些氧化剂在金矿开采中用于消除含氰废水。[15][16][17]
配合
[编辑]氰离子会和过渡金属反应，形成M-CN键。这个反应也是氰化物的毒性来源。[18]金属对这种阴离子 高亲和力可归因于其负电荷、致密性和参与π键合的能力。
最重要的氰配合物是铁氰酸钾和染料普鲁士蓝。由于氰离子和铁原子紧密成键，它们都没有毒。[19]
制备
[编辑]在安德鲁索夫氧化反应中，氢氰酸是由甲烷和氨在氧气和铂催化剂存在下反应而成的。[20][21]
- 2 CH4 + 2 NH3 + 3 O2 → 2 HCN + 6 H2O
氰化钠是很多氰化物的前体，可以由氢氰酸和氢氧化钠反应而成：[13]
- HCN + NaOH → NaCN + H2O
毒性
[编辑]绝大部分氰化物都是剧毒的。氰离子是一种细胞色素c氧化酶（又称aa3）的酶抑制剂，这是在真核细胞的线粒体内膜中发现的第四种电子传递链配合物。氰离子附着在这种蛋白质中的铁原子上。氰化物与这种酶的结合阻止了电子从细胞色素c氧化酶到氧气的传输。结果，电子传递链被破坏，细胞不能再有氧地产生ATP来获取能量了。[22]高度依赖有氧呼吸的组织，例如中枢神经系统和心脏受到的影响最大。这是组织毒性缺氧的例子。[23]
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酶结合，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NADPH 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﹕
中毒者血液pH值在吸食后两至三分钟内急剧下降 缺氧窒息 身体散发大量类似苦杏仁味的气味 严重昏迷及面部发紫 即使痊愈后，大部分中毒者的脑部和心脏一般都已受永久性伤害
最危险的氰化物是氢氰酸，它是一种气体，可以通过吸入杀人。因此，在使用氢氰酸工作时，必须佩戴由外部氧气源供应的呼吸器。[11]氢氰酸可以由氰化物溶液和酸反应而成。氰化物的碱性溶液相对安全，因为它们不会放出氰化氢气体。氢氰酸也可以由聚氨酯的燃烧产生，因此不建议将聚氨酯用于家用和飞机家具。口服低至 200 毫克的氰化物溶液，或暴露于270 ppm 氰化物的空气中，足以在几分钟内导致死亡。[23]
腈不准备放出氰离子，所以毒性较低。作为对比，像是三甲基氰硅烷 (CH3)3SiCN的化合物遇水放出HCN 或氰离子。[24]
解毒
[编辑]羟钴胺会和氰化物反应，形成可以安全被肾脏清除的氰钴胺。这种方法的优点是避免形成高铁血红蛋白（见下文）。该解毒剂试剂盒以品牌Cyanokit销售，并于2006年获得美国食品药品监督管理局的批准。[25]
一个较旧的氰化物解毒剂试剂盒包括三种物质的给药：亚硝酸异戊酯（通过吸入给药）、亚硝酸钠和硫代硫酸钠。解毒剂的目标是产生大量的三价铁 (Fe3+)，以便和细胞色素 a3 竞争氰化物（这样氰化物将与解毒剂，而不是酶结合）。亚硝酸盐会把血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，它与细胞色素氧化酶竞争氰离子。这形成高铁血红蛋白，并恢复细胞色素c氧化酶。它们从体内去除氰化物的主要机制是通过线粒体酶硫氰酸盐酶促转化为硫氰酸盐。硫氰酸盐是一种相对无毒的分子，由肾脏排泄。为了加速这种解毒，人们使用硫代硫酸钠来为硫氰酸盐酶提供硫，这是生产硫氰酸盐所必需的。[26]
应用
[编辑]采矿业
[编辑]氰化物被大量用于黄金和银的开采中，它有助于溶解这些金属，从而与其他固体分离。在黄金氰化法中，将精细研磨的高品位矿石与氰化物混合（NaCN与矿石的比例约为 1:500）；低品位矿石则被堆成一堆，然后喷上氰化物溶液（NaCN与矿石的比例约为 1:1000）。这些贵金属和氰阴离子配合，形成可溶的 [Au(CN)2]− 和[Ag(CN)2]−。[13]
- 4 Au + 8 NaCN + O2 + 2 H2O → 4 Na[Au(CN)2] + 4 NaOH
- Ag2S + 4 NaCN + H2O → 2 Na[Ag(CN)2] + NaSH + NaOH
医药用途
[编辑]一种氰化物——硝普钠主要用于临床化学测量尿的酮体，主要作为糖尿病患者的追踪。它有时用于紧急医疗情况下，使人类的血压迅速下降；它还用作血管研究中的血管扩张剂。第一次世界大战期间，日本医生曾短暂使用铜氰化物治疗肺结核和麻风病。[27]
非法捕鱼和偷猎
[编辑]氰化物被非法用于在珊瑚礁附近为水族馆和海鲜市场捕获活鱼。这种做法具有争议性、危险性和破坏性，但受到利润丰厚的外来鱼类市场的推动。[28]
非洲的偷猎者使用氰化物在水坑中下毒，杀死大象以获取象牙。[29]
除害虫
[编辑]M44氰化物设备在美国被用来杀死土狼和其他犬科动物。[30]氰化物还用于新西兰的动物控制，特别是刷尾负鼠。这是一种外来引入的有袋动物，威胁到本地物种，并在牛群中传播结核病。氰化物也用于杀死本地鸟类，包括濒临灭绝的奇异鸟。[31]氰化物也可有效控制尤金袋鼠，这是另一种引入新西兰的入侵有袋动物。[32]在新西兰储存、处理和使用氰化物需要许可证。
氰化物被用作熏蒸船舶的杀虫剂。[33]氰化物可用于杀死蚂蚁、[34]并在某些地方被用作老鼠药[35]（现在毒性较低的砷更常见）。[36]
其它用途
[编辑]尽管其有毒，氰化物和氰醇可促进各种植物的发芽。[37][38]
毒药
[编辑]人类蓄意使人氰化物中毒在历史上多次发生。[39]常见的氰化物如氰化钠不是挥发性的，但可溶于水，所以可以意外摄入，使人中毒。氢氰酸是一种气体，使其更加危险，但它比空气轻，并迅速扩散到大气中，这使得它作为化学武器是无效的。氢氰酸在密闭空间内的毒性更有效，例如毒气室中。最重要的是，从齐克隆B颗粒中释放的氢氰酸被广泛用于纳粹大屠杀的灭绝营。
食物添加剂
[编辑]由于氰离子和铁的配合物非常稳定，亚铁氰酸盐（亚铁氰酸钠 E535、亚铁氰酸钾 E536和亚铁氰酸钙 E538[40]）在人体内不会分解成致死量的氰化物，并在食品工业中用作如食盐中的抗结块剂。[41]
氰化物的检验
[编辑]氰化物可通过电位滴定法定量检验。这是一种广泛用于金矿开采的方法，它也可用银离子滴定法测定。一些分析从对酸化沸腾溶液进行空气吹扫开始，将蒸汽吹扫到碱性吸收剂溶液中，然后分析吸收在碱性溶液中的氰化物。[42]
定性测试
[编辑]由于氰化物臭名昭著的毒性，人们已经研究了许多方法来检验氰化物。联苯胺在铁氰化物存在下呈蓝色。[43]硫酸亚铁加入到含氰溶液时，会产生普鲁士蓝。1,4-苯醌的DMSO的溶液会和无机氰化物反应，形成荧光的氰化苯酚。如果测试结果为阳性，则用紫外线灯照会发出绿色/蓝色光。[44]
参见
[编辑]- 含氰的酸：氰化氢、氰酸、三聚氰酸、硫氰酸
- 氰的衍生物：硫氰、氟化氰、氯化氰、溴化氰、碘化氰
- 常见无机氰化物：氰化钾、氰化钠、氰化锌、氰化银、氰化亚铜、氰化汞、氰化镍、氰化钴
- 含氰配合物：铁氰酸钾、镍氰酸钾、钴氰酸钾、普鲁士蓝、氰化银钾、氰化亚金钾
- 有机氰化物（腈）：乙腈、丙腈、丙二腈、丁二腈、丙烯腈、维生素B12
参考资料
[编辑]- ^ “氰”字读音大陆与台湾声调不同。
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外部链接
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