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一氧化氮
無色無味、難溶于水的有毒氣體
一氧化氮化學式為NO，是一種氮氧化合物。常溫常壓下為無色氣體，微溶于水，溶于乙醇、二硫化碳。熔點是-163.6°C，沸點為-151.7°C。一氧化氮以無色氣體形式出現(xiàn)。不可燃，但會加速可燃材料的燃燒。蒸氣比空氣重。過量的NO被吸入或被皮膚吸收毒性很大。一氧化氮是一種不穩(wěn)定的自由基氣體，與氧氣迅速反應形成氮氧化物。NO在許多組織中正常產(chǎn)生，適量的NO被認為是細胞間通訊的介質(zhì);它在許多過程中起作用，包括血管舒張、炎癥和神經(jīng)傳遞。因此在免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)上都被廣泛應用。此外在工業(yè)、食品加工領域以及生命科學領域都有應用。
基本信息
中文名
一氧化氮
英文名
Nitric Oxide
別名
氧化氮
拼音
yī yǎng huà dàn
CAS號
10102-43-9
性質(zhì)
化學式
NO
結構式
外觀
無色氣體，高濃度為棕色，固體為藍白色。
氣味
尖銳、甜美的氣味
密度
1.04（相對氣體密度）
熔點
-163.6°C
沸點
-151.7°C
溶解性
7.38 ml/ 100 ml 0 °C; 4.6 ml/ 100 ml 20 °C; 2.37 ml/ 100 ml 60 °C
log P
0
黏度
0.0188 cP（25℃、101.325 KPa）
蒸氣壓
34.2 atm
危險性
警示術語
危險
安全術語
H270 （100%）： 可能引起或加劇火災;氧化劑 [危險 氧化氣體]
H280 （86.48%）： 含有加壓氣體;加熱時可能會爆炸[壓力下的警告氣體]
H314 （100%）： 造成嚴重的皮膚灼傷和眼睛損傷 [危險 皮膚腐蝕/刺激]
H318 （33.45%）： 造成嚴重眼損傷 [危險 嚴重眼損傷/眼睛刺激]
H330 （86.48%）： 吸入致命 [危險 急性毒性，吸入]
H331（13.52%）：吸入有毒[危險急性毒性，吸入]
H373（61.92%）：長期或反復接觸對器官造成損害[警告特定靶器官毒性，反復接觸]
NFPA 704
3-0-0-OX
研究歷史
NO的發(fā)現(xiàn)和19世紀的研究
人類與氮氧化物(NOx)之間的關系確實很古老，可以追溯到大約3000年前。毫無疑問，NOx的第一次使用是作為食品防腐劑，可以追溯到中國和印度使用洞穴“壁硝石”[Ca(NO3)2]腌制肉類。早期的腓尼基人、羅馬人和希臘人廣泛使用鹽腌制。除了固化，NOx對心血管的有益影響也得到了認可。1901年，英國探險家斯坦因爵士在中國的佛教圣地敦煌發(fā)現(xiàn)了一批了不起的手稿。大約在公元1000年，這些物品被藏在一個有墻的洞穴里，其中包括可能是世界上最古老的印刷書籍《金剛經(jīng)》，它描述了公元800年左右的中國醫(yī)療實踐。治療心絞痛的一種方法是將硝基(KNO3)放在舌下，用唾液浸泡，然后“保證”治愈。
簡·巴普蒂斯塔·范·赫爾蒙（Jan Baptista van Helmont）(1580-1644)是最著名的煉金術士之一。范赫爾蒙被認為是第一位醫(yī)學化學家，他也是“氣動化學”的創(chuàng)始人，并以希臘語“khaos”的名字創(chuàng)造了“gas”一詞。作為伽利略、哈維和培根的同代人，和伽利略一樣，范赫爾蒙也因他的著作而受到譴責，他提到了一種紅色氣體，它是由富爾蒂斯水(硝酸)與銀反應形成的，因此通常被認為是發(fā)現(xiàn)NO的人。當然，這種紅色氣體實際上不是NO本身，而是它與氧氣反應的直接產(chǎn)物，二氧化氮(NO2)。盡管包括博伊爾（Boyle）、斯塔爾（Stahl）和黑爾斯（Hales）在內(nèi)的幾位著名化學家觀察到硝酸與各種金屬反應生成了NO，但直到約瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）在1772年認識到NO是一種獨特的化學實體。1799年，呼吸生理學家漢弗萊·戴維（Humphry Davy）爵士測試了吸入NO對自己的影響，并發(fā)現(xiàn)了不良反應。他意識到NO與氧氣反應生成亞硝酸和硝酸，因此首先嘗試通過完全呼氣并吸入一氧化二氮來清除肺部的氧氣。他認為這救了他的命；他寫道“他再也不會設計這樣魯莽的實驗了”。
一般來說，NO與金屬的相互作用是一種主要的生物作用，約瑟夫·普里斯特利在1772年首次描述了NO與鐵的反應，他用鐵來產(chǎn)生一氧化二氮。NO和血紅素之間的相互作用可以追溯到19世紀中葉，赫爾曼在1865年發(fā)現(xiàn)了脫氧血紅蛋白的NO復合體。1897年，生理學家J.S.霍爾丹，證明了血紅蛋白將亞硝酸鹽還原為NO，后者與血紅蛋白結合形成亞硝基復合體。在一個明顯不同的領域，將NO與金屬聯(lián)系起來，1899年，基斯考特和雷曼獨立地發(fā)現(xiàn)，賦予腌肉紅色的鹽的成分是來自硝酸鹽的亞硝酸鹽，兩年后霍爾丹提出腌肉中的亞硝酸鹽與金屬之間的聯(lián)系，提出實際上是亞硝酸鹽產(chǎn)生的NO與肉類中的肌紅蛋白結合，從而產(chǎn)生理想的紅色。早在1817-1822年，科納就已確定腌制過程中硝酸鹽的遺漏是“香腸中毒”的原因，1910年霍格蘭解釋了硝酸鹽中亞硝酸鹽的微生物和/或酶學來源。
在1867年T.L.布倫頓描述了第一個硝基血管擴張劑，亞硝酸戊酯，并建議它作為一種治療心絞痛藥物。硝酸甘油(NTG)是由索布雷羅在1846年首次合成的，他寫道:“當我想到所有在硝酸甘油爆炸中喪生的受害者，以及已經(jīng)造成的可怕破壞，這些破壞在未來很可能還會繼續(xù)發(fā)生，我?guī)缀跣哂诔姓J自己是它的發(fā)現(xiàn)者。”盡管如此，阿爾弗雷德·諾貝爾申請了NTG在炸藥中的使用專利，他的科學遺產(chǎn)就是諾貝爾獎。1879年，穆雷爾發(fā)現(xiàn)NTG被用作另一種硝基血管擴張劑，當諾貝爾出現(xiàn)心臟問題時，醫(yī)生給他開了NTG，他在1896年的一封信中寫道:“命運給我開了N/G1 (NTG)內(nèi)服，這難道不是諷刺嗎?為了不嚇到化學家和公眾，他們叫它崔妮翠。”
1900-1986中對NO的研究
在1986年至1988年的發(fā)現(xiàn)之前的20世紀，關于NO和人類健康的唯一科學知識基本上是作為空氣污染和有毒氣體的重要組成部分，從來沒有人認為它實際上可以被內(nèi)源生產(chǎn)和利用。在1916年的一項綜合研究中，米切爾（Mitchel）等人證明了人類排出的硝酸鹽多于攝入的硝酸鹽，并得出結論：“人體組織能夠從未氧化的含氮自由基中產(chǎn)生硝酸鹽。”這是一項了不起的發(fā)現(xiàn)，他們評論說：“嘗試一種關于氧化是如何完成的、中間產(chǎn)物的形成、負責它的特定器官(如果其生產(chǎn)完全是本地化的)的理論，或者這一過程的生物學意義的理論，將是一種猜測。以我們目前對這個問題的了解，這樣的推測是無益的。1925年，霍爾丹（Haldane）證明了敗血癥患者血液中存在NO-血紅蛋白，盡管可以理解的結論是NO來自微生物。1927年，瓦爾堡（Warburg）發(fā)現(xiàn)NO抑制線粒體呼吸，包括可逆和不可逆機制。
20世紀60年代和70年代，關于NO的化學研究激增，與生物學無關，主要是與過渡金屬離子的相互作用。由于和氧氣僅一個原子序數(shù)不同，NO已被廣泛用作O2代謝生物系統(tǒng)的光譜探針。特別重要的是電子順磁共振(EPR)光譜學，始于1961年血紅蛋白的NO復合物的EPR光譜的最初報道。亞硝酰血紅蛋白復合物的EPR檢測已被證明在揭示血紅蛋白-O2結合的變構機制的細節(jié)方面至關重要，因為光譜對與其功能結果相關的蛋白質(zhì)構象(O2與血紅素鐵的結合)非常敏感。
1986-88:在免疫、心血管和神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性NO
在短短的3年時間內(nèi)，在三個主要器官系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性NO的突破顯著集中。在這些看似獨立的領域中的每一個領域，平行的進展都意外地發(fā)展到同時承認NO是功能的中心調(diào)解人的水平。
免疫系統(tǒng)
與之前米切爾描述的人類內(nèi)源性硝酸鹽合成的早期報告令人驚訝，因為與原核生物和植物不同，在1987年之前，沒有已知的在真核生物中合成無機氮氧化物的機制。1981年，坦南鮑姆使用穩(wěn)定同位素分析，最終證明了硝酸鹽的人類合成。坦嫩鮑姆（Tannenbaum）、赫格托恩（Hegesh）和夏伊洛（Shiloah） 在1982年獨立地報告了與免疫系統(tǒng)的第一個聯(lián)系，其中表明患有腹瀉的個體排泄的硝酸鹽比消耗的多得多。坦嫩鮑姆還表明，給大鼠注射脂多糖會導致硝酸鹽排泄顯著增加。在1985年，施圖爾（Stuehr）和瑪麗埃塔（Marletta）證明了至少在小鼠中，巨噬細胞是硝酸鹽的體內(nèi)來源，此外，用脂多糖（LPS）處理體外培養(yǎng)的巨噬細胞誘導了亞硝酸鹽和硝酸鹽的合成。隨后的研究表明，LPS處理的巨噬細胞誘導不依賴于亞硝酸鹽的亞硝化化學；這是首次表明哺乳動物細胞能夠產(chǎn)生亞硝酸鹽或硝酸鹽的活性前體。
心血管系統(tǒng)
1971年厄爾·薩瑟蘭因發(fā)現(xiàn)cAMP的信號特性而獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎后，人們對其他環(huán)核苷酸作為信使的可能性產(chǎn)生了濃厚的興趣。cGMP是唯一的另一種天然存在的環(huán)核苷酸，因此引起了特別的興趣。1975年，穆拉德（Ferid Murad）和他的同事揭示了cGMP形成的關鍵機理，證明了疊氮化合物(后來證明其代謝為NO，以及在較小程度上的亞硝酸鹽、苯肼和羥胺)有效地激活了可溶性鳥苷酸環(huán)化酶(sGC)。在1976年，芭芭拉·德魯波提斯（DeRubertis）和克雷文（Craven）證明了亞硝胺、羥胺和亞硝酸鹽的活化作用，并提出可能涉及這些化合物的“自由基形成”。1977年，穆拉德展示了亞硝酸鹽和NTG的激活作用，1978年展示了血紅蛋白和肌紅蛋白的滅活作用。重要的是，穆拉德顯示激活的化合物也能誘導平滑肌松弛。1977年，穆拉德首次將鳥苷酸環(huán)化酶暴露于NO，并提出由含氮氧化物的物質(zhì)激活 "可能是由于一氧化氮或另一種反應性物質(zhì)的形成，因為一氧化氮也增加了鳥苷酸環(huán)化酶的活性"，1978年推測各種激素可能通過誘導NO從 "內(nèi)源性前體 "形成而刺激sGC。
1979年，伊格納羅（Ignarro）證明，與穆拉德研究的非血管組織一樣，由氮氧化物化合物（硝普鈉和亞硝胺）誘導的血管平滑肌松弛是由于NO激活鳥苷酸環(huán)化酶。卡托維茲（Kadowitz）和伊格納羅還表明，硝基血管擴張劑是血小板聚集的有效抑制劑，這也是由NO誘導的鳥苷酸環(huán)化酶激活所介導的。
對sGC刺激機制的深入了解始于1978年，當時克雷文和芭芭拉·德魯波提斯提出，含氮氧化物的化合物激活sGC的機制涉及亞硝基血紅素，1981年蓋爾澤（Gerzer）等人表明，純化的sGC以1:1的比例含有血紅素，NO與血紅素鐵結合。通過與之前對NO/血紅素相互作用的研究進行比較，伊格納羅和沃林（Wolin）提出了NO與血紅素結合如何影響活化的機制解釋，包括鐵從血紅素平面的位移，從而削弱/破壞近端組氨酸─鐵鍵。這一結論在理論和實驗上都得到了強有力的支持，并說明了NO作為鐵配體的獨特性質(zhì)。
在1980年之前的27年里，弗奇戈特（Robert Furchgott）一直在利用體內(nèi)和體外系統(tǒng)研究血管活性藥物的作用機制。有一種藥劑在弗奇戈特1980年的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了至關重要的作用，那就是毒蕈堿激動劑乙酰膽堿(Ach)。眾所周知，乙酰膽堿在體內(nèi)是一種有效的血管擴張誘導劑，但使用孤立的血管制劑，它只引起收縮。在一篇開創(chuàng)性的論文中，F(xiàn)urchgott證明，在體外研究血管段的制備過程中，內(nèi)膜內(nèi)皮細胞被常規(guī)且不知情地去除。當注意保護內(nèi)皮細胞壁時，分離的制劑的反應類似于包括乙酰膽堿在內(nèi)的幾種血管活性藥物的體內(nèi)活性。也許最有見地的實驗是演示了對一個完整節(jié)段的內(nèi)皮細胞的刺激會引起第二個物理上相反的節(jié)段的放松，其中內(nèi)皮細胞已被移除(“三明治”實驗)。值得注意的結論是，內(nèi)皮細胞產(chǎn)生一種物質(zhì)[稱為“內(nèi)皮源性放松因子”(EDRF)，該物質(zhì)從內(nèi)皮細胞自由遷移到平滑肌細胞以誘導放松。穆拉德很快證明了EDRF誘導的平滑肌松弛涉及cGMP[。1986年蒙卡達（Moncada）證明了EDRF與超氧化物反應，對EDRF的性質(zhì)(以及對心血管病理生理學有很大影響的基礎知識)提供了重要的見解。
神經(jīng)系統(tǒng)
多年來，人們已經(jīng)知道，大腦的許多區(qū)域，包括小腦、大腦皮層、紋狀體和海馬體，都含有大量的sGC和cGMP。小腦含有最高水平的cGMP，是其他區(qū)域的10倍，谷氨酸鹽等興奮性神經(jīng)遞質(zhì)可誘導cGMP水平大幅升高。有趣的是，1977年出口（Deguchi）報道了神經(jīng)細胞瘤細胞粗提物中存在sGC活性激活因子的突觸體可溶性部分;隨后的研究發(fā)現(xiàn)，激活劑為氨基酸精氨酸，其機制與亞硝基化合物引起的機制相似(包括血紅蛋白的抑制)。1987年，加斯維特（Garthwaite）提出細胞與細胞之間的相互作用。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
熔點：-163.6℃
沸點：-151.7°C
密度：1.04（相對氣體密度）
蒸氣壓：34.2 atm
外觀：無色氣體，高濃度為棕色，固體為藍白色
溶解性：微溶于水（7.38 ml/ 100 ml 0 °C; 4.6 ml/ 100 ml 20 °C; 2.37 ml/ 100 ml 60 °C），溶于乙醇（26.6 CC/100 CC）、二硫化碳、硫酸（26.6 CC/100 CC）
氣味：尖銳、甜美的氣味。
汽化熱：3.293 Kcal/mole
電離勢：9.27 eV
粘度：0.0188 cP（25℃、101.325 KPa）
折射率：1.0002697 （25 °C）
形成熱：-21.5 Kcal/mole（18℃）
化學性質(zhì)
但NO與O2可與水反應，化學方程式為
物質(zhì)結構
一氧化氮為雙原子分子，分子構型為直線形。一氧化氮中，氮與氧之間形成一個σ鍵、一個2電子π鍵與一個3電子π鍵。氮氧之間鍵級為2.5，氮與氧各有一對孤對電子。有11個價電子，是奇電子分子，具有順磁性。反鍵軌道上(πp*)1易失去生成亞硝酰陽離子NO。
制備方法
實驗室采用銅和稀硝酸制備NO，這種方法安全簡單，但銅的價格昂貴所以不適用于工業(yè)制備。方程式如下：
工業(yè)上用以下方法：
此方法在反應原理上雖然可行，但是氮氣屬于惰性氣體且反應條件是放電，在現(xiàn)實生產(chǎn)中對設備要求高，局限性較大。
不過這種方法是催化劑昂貴，而且NO容易和氧氣反應形成NO2。
3．熱分解法:亞硝酸或亞硝酸鹽加熱到330℃以上，分解得到一氧化氮和二氧化氮。
這個方法會有二氧化氮副產(chǎn)物，而且亞硝酸和一氧化氮還有二氧化氮混合有爆照風險。
這種方法條件溫和，操作簡單，更加適合于工業(yè)生產(chǎn)。
應用領域
一氧化氮（NO）具有多種應用領域，以下是一些常見的應用：
醫(yī)療領域
一氧化氮可以用于醫(yī)療治療。內(nèi)源性NO，可以擴張血管，可以介導乙酰膽堿引起平滑肌舒張，從而調(diào)節(jié)血流和血壓。對于吸入式NO可以緩解成人呼吸窘迫綜合征，主要是因為NO可以降低肺內(nèi)分流和肺動脈壓力，從而不引起系統(tǒng)血管擴張。NO還可以治療肺動脈高壓。
工業(yè)領域
食品加工領域
一氧化氮可以作為食品防腐劑和食品色素使用，例如用于制造臘腸、火腿等肉制品，可使其保持紅色、提高保質(zhì)期。
生命科學領域
一氧化氮可以作為細胞信使分子在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，參與調(diào)節(jié)血壓、神經(jīng)傳遞等生理過程。此外，一氧化氮還被廣泛應用于生物技術、分子生物學等領域，例如用于細胞培養(yǎng)、蛋白質(zhì)合成等。
總之，一氧化氮是一種十分重要的化學品，在許多領域中都有著廣泛的應用和推廣價值。
安全事宜
NO的毒理作用
一氧化氮迅速進入血液，迅速與血紅蛋白反應，并被運送到全身。它能與氧合血紅蛋白結合形成高鐵血紅蛋白和硝酸鹽。高氧血紅蛋白不與氧氣結合，但如果血氧低，它可以與血紅蛋白結合形成亞硝基血紅蛋白。吸入一氧化氮毒性的一個主要原因是缺氧，這是由于甲氧血紅蛋白形成而導致血液中氧氣攜帶能力逐漸喪失。用于醫(yī)療的一氧化氮濃度取決于患者和疾病，但據(jù)報道，成人的一氧化氮濃度為20 - 80ppm，兒童為6 - 20ppm
健康危害
NO是一種常見的大氣污染物，人們在短時間內(nèi)接觸少量后可能導致死亡或永久性傷害。刺激眼睛，鼻子，喉嚨;可導致昏迷。一氧化氮在呼吸系統(tǒng)中形成酸，刺激并導致肺部充血。濃度為60-150 ppm會導致鼻子和喉嚨立即刺激，喉嚨和胸部咳嗽和灼熱。暴露后6-24小時，可能導致呼吸困難和失去知覺。濃度為 100-150 ppm 對于 30-60 分鐘的短時間暴露是危險的。200-700 ppm的濃度在非常短的暴露后可能是致命的。
火災危害
僅用氫氣加熱時才燃燒。與二硫化碳發(fā)生爆炸性反應，與光的發(fā)射發(fā)生爆炸性反應。與一氧化氯混合時，可爆炸。遇三氯化氮爆炸。與臭氧混合時，會爆炸。會與水或蒸汽反應，產(chǎn)生熱量和腐蝕性煙霧。與還原性材料發(fā)生劇烈反應。當加熱分解時，會釋放出劇毒的氮氧化物煙霧。可能點燃其他可燃材料（木材、紙張、油等）。與燃料的混合物可能會爆炸。容器可能會在火熱中爆炸。室內(nèi)、室外或下水道中的蒸汽爆炸和中毒危險。與氧氣反應生成有毒的二氧化氮。避免存放在陽光直射或火災危險高的地方。
包裝和運輸要求
包裝標志:易燃氣體。一氧化氮只能在通風良好的區(qū)域使用。不使用時蓋好氣瓶帽和閥出口塞。不可拖拉、滾動氣瓶。不可采用以加熱氣瓶方法來提高排氣速率。在排氣管路上安裝止回閥, 以防氣體倒灌入氣瓶。瓶應貯存在陰涼、干燥、通風良好的地方。CGA規(guī)定, 氣瓶貯存區(qū)溫度不允許超過51.7℃。空瓶和實瓶應分開豎放。
純一氧化氮采用高壓鋁合金瓶裝運, 不銹鋼鋼瓶閥。充裝壓力3.5MPa。運輸、貯存及標記應符合《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定。
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