В химии цианид (от греч. kyanos « тёмно-синий ») — это химическое соединение , содержащее функциональную группу C≡N . Эта группа, известная как цианогруппа , состоит из атома углерода , связанного тройной связью с атомом азота . [1]
В неорганических цианидах цианидная группа присутствует в виде цианид-аниона − C≡N . Этот анион чрезвычайно ядовит . Растворимые соли , такие как цианид натрия (NaCN) и цианид калия (KCN), очень токсичны. [2] Синильная кислота , также известная как цианистый водород, или HCN, представляет собой высоколетучую жидкость , которая производится в промышленных масштабах. Ее получают путем подкисления солей цианида.
Органические цианиды обычно называют нитрилами . В нитрилах группа −C≡N связана одинарной ковалентной связью с углеродом. Например, в ацетонитриле ( CH 3 −C≡N ) цианидная группа связана с метилом ( −CH 3 ). Хотя нитрилы обычно не выделяют ионы цианида, циангидрины выделяют и, таким образом, токсичны.
Ион цианида − C≡N изоэлектронен с оксидом углерода − C≡O + и с молекулярным азотом N≡N. Между C и N существует тройная связь . Отрицательный заряд сосредоточен на углероде C. [3] [4]
Цианиды вырабатываются некоторыми бактериями , грибками и водорослями . Это антифидант во многих растениях. Цианиды в значительных количествах содержатся в некоторых семенах и косточках фруктов, например, горького миндаля , абрикосов , яблок и персиков . [5] Химические соединения, которые могут выделять цианид, известны как цианогенные соединения. В растениях цианиды обычно связаны с молекулами сахара в форме цианогенных гликозидов и защищают растение от травоядных . Корни маниоки (также называемые маниокой), важный картофельный продукт, выращиваемый в тропических странах (и основа, из которой делают тапиоку ), также содержат цианогенные гликозиды. [6] [7]
Мадагаскарский бамбук Cathariostachys madagascariensis производит цианид в качестве отпугивающего фактора для выпаса скота. В ответ на это золотистый бамбуковый лемур , который питается бамбуком, выработал высокую толерантность к цианиду.
Ферменты гидрогеназы содержат цианидные лиганды , присоединенные к железу в их активных центрах. Биосинтез цианида в гидрогеназах NiFe происходит из карбамоилфосфата , который превращается в тиоцианат цистеина , донор CN − . [8]
Цианидный радикал • CN был обнаружен в межзвездном пространстве . [9] Цианоген , (CN) 2 , используется для измерения температуры межзвездных газовых облаков . [10]
Цианистый водород образуется при сгорании или пиролизе некоторых материалов в условиях недостатка кислорода. Например, его можно обнаружить в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания и табачном дыме. Некоторые пластмассы , особенно полученные из акрилонитрила , выделяют цианистый водород при нагревании или сжигании. [11]
В номенклатуре ИЮПАК органические соединения , имеющие функциональную группу −C≡N, называются нитрилами . [12] [13] Примером нитрила является ацетонитрил , CH 3 −C≡N . Нитрилы обычно не выделяют ионы цианида. Функциональная группа с гидроксилом −OH и цианидом −CN, связанными с одним и тем же атомом углерода, называется циангидрином ( R 2 C(OH)CN ). В отличие от нитрилов, циангидрины выделяют ядовитый цианистый водород .
Цианид является основным. P K a цианистого водорода равен 9,21. Таким образом, добавление кислот, более сильных, чем цианистый водород, к растворам цианистых солей выделяет цианистый водород .
Цианид нестабилен в воде, но реакция идет медленно до температуры около 170 °C. Он подвергается гидролизу с образованием аммиака и формиата , которые гораздо менее токсичны, чем цианид: [14]
Цианидгидролаза — фермент , катализирующий эту реакцию.
Из-за высокой нуклеофильности цианид-аниона цианогруппы легко вводятся в органические молекулы путем замещения галогенидной группы (например, хлорида на метилхлориде ). В общем случае органические цианиды называются нитрилами. В органическом синтезе цианид является синтоном C-1 ; т. е. его можно использовать для удлинения углеродной цепи на один атом, сохраняя при этом способность к функционализации. [15]
Ион цианида является восстановителем и окисляется сильными окислителями , такими как молекулярный хлор (Cl2), гипохлорит (ClO−) и перекись водорода (H2O2 ) . Эти окислители используются для разрушения цианидов в стоках при добыче золота . [ 16 ] [ 17 ] [18 ]
Анион цианида реагирует с переходными металлами , образуя связи M-CN . Эта реакция лежит в основе токсичности цианида. [19] Высокое сродство металлов к этому аниону можно объяснить его отрицательным зарядом, компактностью и способностью образовывать π-связи.
Среди наиболее важных координационных соединений цианида — ферроцианид калия и пигмент берлинская лазурь , которые по сути нетоксичны из-за прочной связи цианидов с центральным атомом железа. [20] Берлинская лазурь была впервые случайно получена около 1706 года путем нагревания веществ, содержащих железо, углерод и азот, а также других цианидов, полученных впоследствии (и названных в ее честь). Среди множества применений берлинская лазурь придает синий цвет чертежам , воронению и цианотипии .
Основным процессом, используемым для производства цианидов, является процесс Андрусова , в котором газообразный цианистый водород производится из метана и аммиака в присутствии кислорода и платинового катализатора . [21] [22]
Цианид натрия, предшественник большинства цианидов, получают путем обработки цианистого водорода гидроксидом натрия : [14]
Среди наиболее токсичных цианидов — цианистый водород (HCN), цианистый натрий (NaCN), цианистый калий (KCN) и цианистый кальций (Ca(CN)₂). Эти соединения чрезвычайно ядовиты и требуют осторожного обращения, чтобы избежать серьезных рисков для здоровья. Анион цианида является ингибитором фермента цитохром с оксидазы (также известного как aa 3 ), четвертого комплекса цепи переноса электронов, обнаруженного во внутренней мембране митохондрий эукариотических клеток. Он прикрепляется к железу в этом белке. Связывание цианида с этим ферментом предотвращает транспорт электронов от цитохрома с к кислороду. В результате цепь переноса электронов нарушается, что означает, что клетка больше не может аэробно производить АТФ для получения энергии. [23] Особенно страдают ткани, которые сильно зависят от аэробного дыхания , такие как центральная нервная система и сердце . Это пример гистотоксической гипоксии . [24]
Наиболее опасным соединением является цианистый водород , который является газом и убивает при вдыхании. По этой причине при работе с цианистым водородом необходимо надевать респиратор с внешним источником кислорода. [11] Цианистый водород получают путем добавления кислоты к раствору, содержащему соль цианида. Щелочные растворы цианида безопаснее в использовании, поскольку они не выделяют газ цианистого водорода. Цианистый водород может образовываться при сгорании полиуретанов ; по этой причине полиуретаны не рекомендуются для использования в домашней и авиационной мебели. Пероральный прием небольшого количества твердого цианида или раствора цианида всего в 200 мг или воздействие цианида в воздухе в концентрации 270 частей на миллион достаточны для того, чтобы вызвать смерть в течение нескольких минут. [24]
Органические нитрилы не выделяют ионы цианида, поэтому обладают низкой токсичностью. Напротив, такие соединения, как триметилсилилцианид (CH 3 ) 3 SiCN, легко выделяют HCN или ион цианида при контакте с водой. [25]
Гидроксокобаламин реагирует с цианидом, образуя цианокобаламин , который может быть безопасно выведен почками. Этот метод имеет преимущество, поскольку позволяет избежать образования метгемоглобина (см. ниже). Этот набор антидотов продается под торговой маркой Cyanokit и был одобрен FDA США в 2006 году. [26]
Более старый набор антидотов цианида включал введение трех веществ: амилнитритных жемчужин (вводимых путем вдыхания), нитрита натрия и тиосульфата натрия . Целью антидота было создание большого пула трехвалентного железа ( Fe3 + ) для конкуренции за цианид с цитохромом a3 ( так что цианид будет связываться с антидотом, а не с ферментом). Нитриты окисляют гемоглобин до метгемоглобина , который конкурирует с цитохромоксидазой за ион цианида. Образуется цианметгемоглобин, и фермент цитохромоксидаза восстанавливается. Основной механизм удаления цианида из организма заключается в ферментативном превращении в тиоцианат митохондриальным ферментом роданезой . Тиоцианат является относительно нетоксичной молекулой и выводится почками. Для ускорения этой детоксикации вводят тиосульфат натрия, который служит донором серы для роданезы , необходимой для производства тиоцианата. [27]
Минимальные уровни риска (MRL) могут не защитить от отсроченных последствий для здоровья или последствий для здоровья, приобретенных после повторного сублетального воздействия, таких как гиперчувствительность, астма или бронхит . MRL могут быть пересмотрены после накопления достаточного количества данных. [28]
Цианид в основном производится для добычи серебра и золота : он помогает растворять эти металлы , позволяя отделять их от других твердых веществ. В цианидном процессе тонко измельченная высококачественная руда смешивается с цианидом (в соотношении около 1:500 частей NaCN к руде); низкосортные руды складываются в кучи и опрыскиваются раствором цианида (в соотношении около 1:1000 частей NaCN к руде). Драгоценные металлы образуют комплексы с анионами цианида , образуя растворимые производные, например, [Ag(CN) 2 ] − (дицианоаргентат(I)) и [Au(CN) 2 ] − (дицианоаурат(I)). [14] Серебро менее «благородно», чем золото, и часто встречается в виде сульфида, в этом случае окислительно-восстановительные процессы не требуются (не требуется O2 ). Вместо этого происходит реакция замещения:
«Богатый раствор», содержащий эти ионы, отделяется от твердых веществ, которые сбрасываются в хвостохранилище или отработанную кучу, при этом извлекаемое золото удаляется. Металл извлекается из «богатого раствора» путем восстановления цинковой пылью или путем адсорбции на активированном угле . Этот процесс может привести к проблемам с окружающей средой и здоровьем. Ряд экологических катастроф последовал за переполнением хвостохранилищ на золотых приисках. Загрязнение водных путей цианидом привело к многочисленным случаям гибели людей и водных видов. [29]
Водный цианид гидролизуется быстро, особенно на солнечном свете. Он может мобилизовать некоторые тяжелые металлы, такие как ртуть, если она присутствует. Золото также может быть связано с арсенопиритом (FeAsS), который похож на железный колчедан (золото дураков), в котором половина атомов серы заменена мышьяком . Золотосодержащие арсенопиритовые руды также реагируют с неорганическим цианидом. [30] [31]
Второе важное применение цианидов щелочных металлов (после добычи) — производство соединений, содержащих CN, обычно нитрилов. Ацилцианиды производятся из ацилхлоридов и цианида. Цианоген , хлорциан и тример цианурхлорида получаются из цианидов щелочных металлов.
Цианидное соединение нитропруссид натрия используется в основном в клинической химии для измерения кетоновых тел в моче, главным образом, в качестве последующего наблюдения за пациентами с диабетом . Иногда его используют в экстренных медицинских ситуациях для быстрого снижения артериального давления у людей; он также используется как вазодилататор в сосудистых исследованиях. Кобальт в искусственном витамине B12 содержит цианидный лиганд как артефакт процесса очистки; он должен быть удален организмом, прежде чем молекула витамина может быть активирована для биохимического использования. Во время Первой мировой войны соединение цианида меди недолго использовалось японскими врачами для лечения туберкулеза и проказы . [32]
Цианиды незаконно используются для отлова живой рыбы вблизи коралловых рифов для аквариумов и рынков морепродуктов. Эта практика является спорной, опасной и разрушительной, но она обусловлена прибыльным рынком экзотической рыбы. [33]
Известно, что браконьеры в Африке используют цианид для отравления водопоев, а также для убийства слонов ради их слоновой кости. [34]
Устройства с цианидом M44 используются в Соединенных Штатах для уничтожения койотов и других псовых. [35] Цианид также используется для борьбы с вредителями в Новой Зеландии , особенно с опоссумами , завезенными сумчатыми, которые угрожают сохранению местных видов и распространяют туберкулез среди крупного рогатого скота. Опоссумы могут стать пугливыми к приманке, но использование гранул, содержащих цианид, снижает пугливость к приманке. Известно, что цианид убивает местных птиц, включая находящегося под угрозой исчезновения киви . [36] Цианид также эффективен для борьбы с валлаби-дама , еще одним завезенным сумчатым вредителем в Новой Зеландии. [37] Для хранения, обращения и использования цианида в Новой Зеландии требуется лицензия.
Цианиды используются в качестве инсектицидов для фумигации кораблей. [38] Соли цианида используются для уничтожения муравьев, [39] а в некоторых местах использовались в качестве крысиного яда [40] ( более распространен менее токсичный яд мышьяк ). [41]
Ферроцианид калия используется для получения синего цвета на литых бронзовых скульптурах на заключительном этапе отделки скульптуры. Сам по себе он дает очень темный оттенок синего и часто смешивается с другими химикатами для достижения желаемого оттенка и тона. Он наносится с помощью горелки и кисти с использованием стандартного защитного оборудования, используемого для любого нанесения патины: резиновых перчаток, защитных очков и респиратора. Фактическое количество цианида в смеси варьируется в зависимости от рецептов, используемых каждым литейным заводом.
Цианид также используется в ювелирном деле и некоторых видах фотографии, например, для тонирования в сепию .
Хотя цианид и циангидрины обычно считаются токсичными, они усиливают прорастание различных видов растений. [42] [43]
Преднамеренное отравление людей цианидом случалось много раз на протяжении всей истории. [44] Обычные соли, такие как цианид натрия, нелетучи, но растворимы в воде, поэтому ядовиты при приеме внутрь. Цианистый водород — это газ, что делает его более опасным, однако он легче воздуха и быстро рассеивается в атмосфере, что делает его неэффективным в качестве химического оружия .
Из-за высокой устойчивости комплексообразования с железом ферроцианиды ( ферроцианид натрия E535, ферроцианид калия E536 и ферроцианид кальция E538 [45] ) не разлагаются до летальных концентраций в организме человека и используются в пищевой промышленности, например, в качестве антислеживающего агента в поваренной соли . [46]
Цианид количественно определяется потенциометрическим титрованием , методом, широко используемым в золотодобыче. Его также можно определить титрованием с ионами серебра. Некоторые анализы начинаются с продувки воздухом подкисленного кипящего раствора, в результате чего пары попадают в основной раствор абсорбера. Затем анализируется соль цианида, абсорбированная основным раствором. [47]
Из-за печально известной токсичности цианида было исследовано много методов. Бензидин дает синюю окраску в присутствии феррицианида . [48] Сульфат железа (II), добавленный к раствору цианида, такому как фильтрат из теста на плавление натрия , дает берлинскую лазурь . Раствор пара -бензохинона в ДМСО реагирует с неорганическим цианидом с образованием цианофенола , который флуоресцентен . Освещение УФ-светом дает зеленое/синее свечение, если тест положительный. [49]
и цианистый водород используются в гальванике, металлургии, производстве органических химикатов, проявке фотографий, производстве пластмасс, фумигации судов и некоторых процессах горнодобывающей промышленности.
натрия был первоначально зарегистрирован в качестве пестицида 23 декабря 1947 г. для борьбы с муравьями на необрабатываемых сельскохозяйственных и несельскохозяйственных территориях.
одна область, в которой цианид используется во все больших количествах, — это уничтожение крыс и других вредителей, особенно в борьбе с тифом.