Dušik-monoksid
Dušik-monoksid | |
---|---|
![]() ![]() ![]() ![]() | |
Općenito | |
Hemijski spoj | Dušik-monoksid |
Druga imena | Dušik(II)-oksid |
Molekularna formula | NO |
CAS registarski broj | 10102-43-9 |
Kratki opis | bezbojni gas |
Osobine1 | |
Molarna masa | 30,01 g/mol |
Agregatno stanje | gas |
Gustoća | 1,3402 kg/m3 (gas pri STP) |
Tačka topljenja | −164 °C (109 K) |
Tačka ključanja | −152 °C (121 K) |
Rastvorljivost | 74 cm3 / l vode |
Rizičnost | |
NFPA 704 | |
1 Gdje god je moguće korištene su SI jedinice. Ako nije drugačije naznačeno, dati podaci vrijede pri standardnim uslovima. |
Dušik-monoksid ili dušik(II)-oksid je hemijski spoj dušika i kisika koji ima hemijsku formulu NO. On je slobodni radikal[1][2][3] i važan je međuproizvod u hemijskoj industriji. On je bezbojni plin, slabo topljiv u vodi, ne gori i ne podržava gorenje. Nestabilan je na zraku. Dušik-monoksid je nusproizvod sagorijevanja određenih materija u prisustvu zraka, kao što je sagorijevanje unutar automobilskih motora, elektrana koje se pogone na fosilna goriva, a proizvodi se i u prirodi u procesima električkog pražnjenja u munjama. U organizmima sisara, kao i kod čovjeka, NO je važna molekula u ćelijama koja se nalazi u mnogim patološkim i fiziološkim procesima. On je moćan vazodilator (proširuje krvne sudove) sa kratkim poluvremenom djelovanja u krvi od nekoliko sekundi. Davno poznati farmaceutski preparati poput nitroglicerina ili amil-nitrita su okriveni gotovo stotinu godina nakon njihove prve primjene u medicini, a danas je poznato da su oni aktivni kroz mehanizme gdje su prethodnici dušik-monoksida. Manji nivoi NO su važni u zaštiti organa poput jetre za ishemičnih oštećenja. Dušik-monoksid se razlikuje od dušik-suboksida (dušik(I)-oksid ili N2O), koji je anestetski i staklenički plin, kao ni sa dušik-dioksidom (dušik(IV)-oksid ili NO2), koji je tamni, crvenosmeđi otrovni plin i jedan od velikih zagađivača zraka. Međutim, dušik-monoksid vrlo brzo oksidira u zraku i prelazi u dušik-dioksid. Ovaj proces je otkrio Humphry Davy kada je udisao ovaj plln u početku svoje naučne karijere. Iako je na prvi pogled jednostavna molekula, NO je važan biološki regulator i osnovna komponenta u oblastima neurologije, fiziologije i imunologije, čije je otkriće njegovih ključnih uloga dovelo do nekoliko Nobelovih nagrada istraživačima u ovoj oblasti. Proglašena je Molekulom godine 1992. godine.
Reakcije
[uredi | uredi izvor]Kada je izložen kisiku iz zraka, NO prelazi u dušik-dioksid (NO2)
- 2 NO + O2 → 2 NO2
Sumnja se da ova reakcija ima jedan međuproizvod u vidu spoja ONOONO. U vodi, NO reagira sa kisikom i vodom te daje HNO2 ili nitritnu kiselina. Smatra se da se reakcija odvija putem sljedeće stehiometrije.
- 4 NO + O2 + 2 H2O → 4 HNO2NO
NO može reagirati sa fluorom, hlorom i bromom te daje XNO spojeve (gdje je X= F, Cl ili Br), poznate kao nitrosil halidi, čiji je predstavnik nitrosil-hlorid. Moguće je napraviti i nitrosil-jodid ali je to vrlo nestabilan spoj koji teži prelasku u molekularni jod.
- 2 NO + Cl2 → 2 NOCl
Nitroksil (HNO) je redukovani oblik dušik-oksida.
Dušik-oksid reagira sa acetonom i alkoksidom dajući diazenijdiolat ili nitrozohidroksilamin i metil-acetat.
![](http://178.128.105.246/cars-http-upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/05/TraubeReaction.svg/418px-TraubeReaction.svg.png)
Ovo je veoma stara reakcija (1898) ali i danas je zanimljiva u istraživanju NO prolijekova. Dušik-oksid također može reagirati direktno sa natrij-metoksidom dajući natrij-format i NO2.[4]
Proizvodnja
[uredi | uredi izvor]Industrijski, dušik-monoksid se pravi oksidacijom amonijaka pri temperaturi od 750 °C do 900 °C (uobičajeno oko 850 °C) uz platinu kao katalizator:
- 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O
Postoji i nekatalizirana endotermna reakcija molekula O2 i N2, koja se odvija na vrlo visokoj temperaturi (iznad 2000 °C) unutar munja, ali takva metoda nije našla primjenu u industriji i praksi (pogledajte Birkeland–Eydeov proces):
- N2 + O2 → 2 NO
Laboratorijski, NO se lahko pravi redukcijom razrijeđene dušične kiseline sa bakrom:
- 8 HNO3 + 3 Cu → 3 Cu(NO3)2 + 4 H2O + 2 NO
ili redukcijom nitritne kiseline u obliku natrij-nitrita ili kalij-nitrita:
- 2 NaNO2 + 2 NaI + 2 H2SO4 → I2 + 4 NaHSO4 + 2 NO
- 2 NaNO2 + 2 FeSO4 + 3 H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 2 NaHSO4 + 2 H2O + 2 NO
- 3 KNO2 (t) + KNO3 (t) + Cr2O3(č) → 2 K2CrO4(č) + 4 NO (g)
Proces koji uključuje željezo(II)-sulfat je izuzetno lahak i najčešće ga koriste studenti u školskim laboratorijama. Takozvani spoj NONOat se također koristi za dobijanje dušik-monoksida.
Hemija kompleksnih spojeva
[uredi | uredi izvor]Dušik-monoksid reagira sa svim prelaznim metalima i s njima daje komplekse koji se nazivaju metalni nitrosili. Najčešći način vezivanja NO je preko terminalne linearne veze (M-NO). Ugao vezivanja u M-NO grupi se kreće između 160° to 180°, te se i pored toga naziva linearna veza. U ovom slučaju, NO grupa se smatra donorom tri elektrona pod kovalentnom (neutralnom) metodom brojanja elektrona, ili donorom dva elektrona ako se koristi ionska metoda.[5]
U slučajevima zakrivljene M-NO konformacije, smatra se da je NO grupa donor jednog elektrona koristeći neutralno brojanje, odnosno donor dva elektrona koristeći ionsko brojanje.[6] Neki smatraju ove komplekse derivatima NO+, koji su izoelektronski sa ugljik-monoksidom.
Dušik-monoksid može služiti i kao jednoelektronski pseudohalid. U takvim kompleksima, M-NO grupu karakterizira ugao između 120° i 140°. NO grupa može također služiti i kao most između metalnih atomskih centara kroz atom dušika u mnogo geometrijskih načina.
Mjerenje koncentracije
[uredi | uredi izvor]![](http://178.128.105.246/cars-http-upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/06/The_production_and_diffusion_of_nitric_oxide_%28NO%29_%28white%29_in_the_cytoplasm_%28green%29_of_clusters_of_conifer_cells_one_hour_after_mechanical_agitation.jpg/250px-The_production_and_diffusion_of_nitric_oxide_%28NO%29_%28white%29_in_the_cytoplasm_%28green%29_of_clusters_of_conifer_cells_one_hour_after_mechanical_agitation.jpg)
Koncentracija dušik-monoksida se može odrediti koristeći jednostavnu reakciju hemiluminescencije pomoću ozona.[7] Uzorak koji sadrži NO se pomiješa sa velikom količinom ozona. Dušik-monoksid reagira sa ozonom i daje kisik i dušik-dioksid. Ova reakcija proizvodi svjetlost (hemiluminescencija), a koja se može izmjeriti pomoću fotodetektora. Količina proizvedene svjetlosti je srazmjerna količini dušik-monoksida u uzorku.
- NO + O3 → NO2 + O2 + svjetlost
Druge metode ispitivanje uključuju elektroanalizu (amperometrijski pristup), kada NO reagira sa elektrodom inducirajući promjenu u naponu ili jačini struje. Detekcija NO radikala u biološkim tkivima je djelimično otežana zbog kratkog poluvremena djelovanja i koncentracije ovih radikala u tkivima. Jedna od malobrojnih praktičnih metoda je takozvano hvatanje spina dušik-monoksida sa željezo-ditiokarbamat kompleksima i naknadno otkrivanje mononitrosil-željezo kompleksa sa EPR (elektron paramagnetnom rezonansom).[8][9]
Grupa fluorescentnih indikatora boje također može poslužiti za dokazivanje prisustva dušik-monoksida. Oni su dostupni u acetiliranom obliku za mjerenja unutar ćelija. Najčešći spoj je 4,5-diaminofluorescein (DAF-2).[10]
Rasprostranjenost
[uredi | uredi izvor]Iz termodinamičke perspektive, NO je nestabilan u odnosu na O2 i N2, iako je ova konverzija veoma spora na normalnim temperaturama (20 °C) i bez prisustva katalizatora. Pošto je toplota spajanja NO endotermna, njegova sinteza iz molekularnog dušika i kisika zahtijeva povišenu temperaturu iznad 1000 °C. Osnovni prirodni izvor dušik monoksida su munje. Korištenje motora sa unutrašnjim sagorijevanjem izrazito povećava prisustvo NO u okolini. Jedna od funkcija automobilskih katalizatora je da svedu ispuštanje NO u atmosferu na minimum putem njegove katalitičke reverzije u O2 i N2.
Dušik-monoksid u zraku može preći u dušičnu kiselinu, što dovodi do pojave kisele kiše. Međutim, on je važan i kao izvor hrane za biljke u obliku nitrata. Pored toga, NO i NO2 učestvuju u procesu uništavanja ozonskog omotača. Dušik-monoksid je široko rasprostranjena bioaktivna molekula.
Upotreba
[uredi | uredi izvor]Iako dušik-monoksid ima relativno mali broj neposrednih načina upotrebe, proizvodi se u velikim količinama kao međuproizvod u Ostwaldovom procesu za sintezu dušične kiseline iz amonijaka. Tokom 2005. godine samo u SAD proizvedeno je oko šest miliona metričkih tona dušične kiseline.[11] Dušik-monoksid je pronašao upotrebu u industriji poluprovodnika za radne procese. Jedan od načina njegove upotrebe je korištenje zajedno sa dušik-oksidom za proizvodnju silikatnih oksinitridnih ulaza u CMOS uređajima. Dušik-monoksid se može koristiti za otkrivanje površinskih radikala na polimerima. Kaljenje površine radikala sa NO rezultira ugradnjom dušika, što se može izmjeriti pomoću fotoelektronske spektroskopije X-zracima.
Biološka uloga
[uredi | uredi izvor]Dušik-monoksid je jedan od malobrojnih poznatih signalnih molekula u gasovitom stanju. Pored toga, jedinstvena je u tome što je to radikalni gas. On je ključni biološki prijenosnik signala kod kičmenjaka i igra ulogu u raznim biološkim procesima.[12] On je poznati bioproizvod kod gotovo svih vrsta organizama, uključujući bakterije, biljke, gljive i životinjske ćelije.[13] Dušik-monoksid se ponekad izjednačava[14] sa EDRF (engl. endothelium-derived relaxing factor, opuštajući faktor deriviran u endotelu), mada se naknadno otkrilo da je on samo primarni EDRF te da postoje i određeni sekundarni.[15] On se endogeno sintetizira iz L-arginina, kisika i NADPH pomoću različitih enzima sintetaza dušik-monoksida (NOS). Redukcijom neorganskih nitrata se također može dobiti dušik-monoksid. Endotel (unutrašnje tkivo) krvnih sudova koristi NO za slanje signala okolnim glatkim mišićima da se opuste, što rezultira vazodilacijom (proširenjem krvnih sudova) i povećanjem protoka krvi kroz njih. Dušik-monoksid je izuzetno reaktivan (poluvrijeme života mu iznosi nekoliko sekundi), te se slobodno raspršava kroz membrane. Ove osobine čine NO idealnom za ulogu prolazne parakrine (između susjednih ćelija) i autokrine (unutar neke ćelije) signalne molekule.[16]
Farmakokinetika
[uredi | uredi izvor]Dušik-monoksid se sistematski apsorbira nakon udisanja. Veći dio se prenosi preko pulmonarnog kapilarnog korita gdje se spaja na hemoglobin koji je od 60% do 100% zasićen kisikom. Nitrat se identificira uglavnom kao metabolit dušik-monoksida a izbacuje se putem mokraće, na šta se odnosi preko 70% inhaliranog NO. Nitrati se uklanjaju iz plazme preko bubrega brzinom koja dostiže brzinu glomerularnog filtriranja.
Reference
[uredi | uredi izvor]- ^ Principles and Applications of ESR Spectroscopy, Anders Lund, Masaru Shiotani, Shigetaka Shimada 2010, ISBN 978-1-4020-5343-6
- ^ Outi Aikio Pulmonary nitric oxide in preterm and term infants with respiratory failure Department of Paediatrics, University of Oulu, 2002
- ^ Kerwin JF, Jr., Heller M (1994) The arginine-nitric oxide pathway: a target for new drugs. Med Res Rev 14:23-74.
- ^ Derosa, Frank; Keefer, Larry K.; Hrabie, Joseph A. (2008). "Nitric Oxide Reacts with Methoxide". The Journal of Organic Chemistry. 73 (3): 1139–42. PMID 18184006.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
- ^ Robert H. Crabtree: "The Organometallic Chemistry of the Transition Metals", John Wiley and Sons, 2005, ISBN 0-471-66256-9, str. 32.
- ^ Robert H. Crabtree: "The Organometallic Chemistry of the Transition Metals", John Wiley and Sons, 2005, ISBN 0-471-66256-9, str. 96–98.
- ^ Fontijn, Arthur; Sabadell, Alberto J.; Ronco Richard J. (1970). "Homogeneous chemiluminescent measurement of nitric oxide with ozone. Implications for continuous selective monitoring of gaseous air pollutants". Analytical Chemistry. 42 (6): 575. doi:10.1021/ac60288a034.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
- ^ Vanin A; Huisman A; Vanfaassen E. (2002). "Iron dithiocarbamate as spin trap for nitric oxide detection: Pitfalls and successes". Methods in enzymology. 359: 27–42. doi:10.1016/S0076-6879(02)59169-2. PMID 12481557.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
- ^ Nagano T., Yoshimura T. (2002). "Bioimaging of nitric oxide". Chemical reviews. 102 (4): 1235–70. doi:10.1021/cr010152s. PMID 11942795.
- ^ Kojima H, Nakatsubo N, Kikuchi K, Kawahara S, Kirino Y, Nagoshi H, Hirata Y, Nagano T (1998). "Detection and imaging of nitric oxide with novel fluorescent indicators: diaminofluoresceins". Anal. Chem. 70 (13): 2446–2453. doi:10.1021/ac9801723. PMID 9666719.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
- ^ “Production: Growth is the Norm” Chemical and Engineering News, 10. juli 2006, str. 59.
- ^ Weller, Richard, Could the sun be good for your heart? Arhivirano 16. 2. 2014. na Wayback Machine TedxGlasgow March 2012, posted January 2013
- ^ Roszer, T (2012) The Biology of Subcellular Nitric Oxide. ISBN 978-94-007-2818-9
- ^ L J Ignarro, G M Buga, K S Wood, R E Byrns, G Chaudhuri (1987) Endothelium-derived relaxing factor produced and released from artery and vein is nitric oxide Arhivirano 26. 6. 2012. na Wayback Machine, PNAS vol. 84 br. 24, decembar 1987, str.9265–9269
- ^ Fleming I, Busse R. (1999) NO: the primary EDRF, J Mol Cell Cardiol. 1999 Jan;31(1):5-14.
- ^ Stryer, Lubert (1995). Biochemistry, 4th Edition. W.H. Freeman and Company. str. 732. ISBN 0-7167-2009-4.
Vanjski linkovi
[uredi | uredi izvor]- Međunarodna kartica hemijske sigurnosti 1311
- Nacionalna arhiva zagađivača – Oksidi dušika
- Nobelova nagrada za fiziologiju/medicinu za 1998 za otkriće uloge NO u kardiovaskularnoj regulaciji Arhivirano 26. 1. 2002. na Wayback Machine
- Dušik-monoksid i njegova uloga u šećernoj bolesti, liječenju rana i periferalnoj neropatiji Arhivirano 22. 6. 2009. na Wayback Machine
- Gasna hemija u mikroskali: Eksperimenti sa dušik-monoksidom
- Vaš mozak se pali kao računar – novi pogledi oko biološke uloge dušik-monoksida.
- Nova otkrića u vezi NO daju otkriće prolijekova za shizofreniju
- Dušik monoksid u hemijskoj bazi podataka