Хлорноватистая кислота

редактировать
Хлорноватистая кислота
соединение хлорноватистой кислоты
заполнение пространства хлорноватистой кислотой
Имена
Название ИЮПАК хлорноватистая кислота, хлорноватистая (I) кислота, хлоранол, гидроксидохлор
Другие имена Гипохлорит водорода, гидроксид хлора, хлорноватистая кислота
Идентификаторы
Количество CAS
3D модель ( JSmol )
ЧЭБИ
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.029.302 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
PubChem CID
UNII
Панель управления CompTox ( EPA)
ИнЧИ
  • InChI = 1S / ClHO / c1-2 / div class="ht"H проверитьY Ключ: QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N проверитьY
  • InChI = 1 / ClHO / c1-2 / div class="ht"H Ключ: QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYAT
Улыбки
  • OCl
Характеристики
Химическая формула HOCl
Молярная масса 52,46 г / моль
Появление Бесцветный водный раствор
Плотность Переменная
Растворимость в воде Растворимый
Кислотность (p K a) 7,53
Основание конъюгата Гипохлорит
Опасности
Основные опасности коррозионный, окислитель
NFPA 704 (огненный алмаз) Health code 3: Short exposure could cause serious temporary or residual injury. E.g. chlorine gas Flammability code 0: Will not burn. E.g. water Instability code 4: Readily capable of detonation or explosive decomposition at normal temperatures and pressures. E.g. nitroglycerin Special hazard OX: Oxidizer. E.g. potassium perchlorateNFPA 704 четырехцветный алмаз 3 0 4 OX
Родственные соединения
Другие анионы Гипофтористая кислота Гипобромистая кислота Гипойодистая кислота
Родственные соединения Хлор Гипохлорит кальция Гипохлорит натрия
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверитьY  проверить  ( что есть    ?) проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Хлорноватистая кислота (HOCl или HClO) представляет собой слабую кислоту, которая образуется, когда хлор растворяется в воде, и сам частично диссоциирует с образованием гипохлорита, ClO -. HClO и ClO - окислители и первичные дезинфицирующие средства хлорных растворов. HClO нельзя выделить из этих растворов из-за быстрого уравновешивания с его предшественником. Гипохлорит натрия (NaClO) и гипохлорит кальция (Ca (ClO) 2) являются отбеливателями, дезодорантами и дезинфицирующими средствами.

Хлорноватистая кислота естественным образом содержится в лейкоцитах млекопитающих, в том числе в организме человека. Он нетоксичен и уже много лет используется в качестве безопасного раствора для ухода за ранами.

Было обнаружено, что растворенная в воде вода с хлорноватистой кислотой обладает сильными дезинфицирующими свойствами. Учитывая это и его нетоксичность, он был признан полезным чистящим средством и дезинфицирующим средством. Агентство по охране окружающей среды США определило его как дезинфицирующее средство, эффективное против COVID-19, что подтверждается клиническими исследованиями.

Благодаря своей способности проникать через мембраны патогенов, он также используется в качестве коммерческого дезодоранта.

СОДЕРЖАНИЕ
  • 1 История
  • 2 использования
  • 3 Образование, стабильность и реакции
    • 3.1 Основные реакции
    • 3.2 Реакционная способность HClO с биомолекулами
      • 3.2.1 Реакция с сульфгидрильными группами белка
      • 3.2.2 Реакция с аминогруппами белка
      • 3.2.3 Реакция с ДНК и нуклеотидами
      • 3.2.4 Реакция с липидами
  • 4 Режим дезинфицирующего действия
    • 4.1 Ингибирование окисления глюкозы
    • 4.2 Истощение адениновых нуклеотидов
    • 4.3 Ингибирование репликации ДНК
    • 4.4 Разворачивание и агрегация белков
  • 5 Гипохлоритов
    • 5.1 Производство гипохлоритов с помощью электролиза
  • 6 Безопасность
  • 7 Коммерциализация
  • 8 См. Также
  • 9 ссылки
  • 10 Внешние ссылки
История

Хлорноватистая кислота была открыта в 1834 году французским химиком Антуаном Жеромом Баларом (1802–1876) путем добавления в колбу с газообразным хлором разбавленной суспензии оксида ртути (II) в воде. Он также назвал кислоту и ее соединения.

Несмотря на то, что его относительно легко приготовить, трудно поддерживать стабильный раствор хлорноватистой кислоты. Лишь в последние годы ученые смогли рентабельно производить и поддерживать хлорноватистую воду для стабильного коммерческого использования.

Использует
  • В органическом синтезе HClO превращает алкены в хлоргидрины.
  • В биологии хлорноватистая кислота образуется в активированных нейтрофилах в результате опосредованного миелопероксидазой перекисного окисления хлорид-ионов и способствует уничтожению бактерий.
  • В медицине вода с хлорноватистой кислотой используется как дезинфицирующее и дезинфицирующее средство.
  • В области ухода за ранами, а с начала 2016 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США одобрило продукты, основным активным ингредиентом которых является хлорноватистая кислота, для использования при лечении ран и различных инфекций у людей и домашних животных. Он также одобрен FDA в качестве консерванта для солевых растворов.
  • При дезинфекции он использовался в форме жидкого спрея, влажных салфеток и аэрозольных аппликаций. Недавние исследования показали, что вода с хлорноватистой кислотой подходит для тумана и аэрозоля для дезинфекционных камер и подходит для дезинфекции помещений, таких как офисы, больницы и медицинские клиники.
  • В сфере общественного питания и распределения воды специализированное оборудование для производства слабых растворов HClO из воды и соли иногда используется для производства достаточного количества безопасного (нестабильного) дезинфицирующего средства для обработки поверхностей для приготовления пищи и водоснабжения. Он также часто используется в ресторанах из-за его негорючих и нетоксичных характеристик.
  • При очистке воды хлорноватистая кислота является активным дезинфицирующим средством в продуктах на основе гипохлорита (например, используемых в плавательных бассейнах).
  • Точно так же на кораблях и яхтах морские санитарные устройства используют электричество для преобразования морской воды в хлорноватистую кислоту для дезинфекции мацерированных фекальных отходов перед сбросом в море.
  • При дезодорации хлорноватистая кислота удаляет до 99% неприятных запахов, включая запах мусора, тухлого мяса, туалета, стула и мочи.
Образование, стабильность и реакции

Добавление хлора к воде дает как соляную кислоту (HCl), так и хлорноватистую кислоту (HOCl):

Cl 2 + H 2 O ⇌ HClO + HCl
Cl 2 + 4 OH - ⇌ 2 ClO - + 2 H 2 O + 2 e -
Cl 2 + 2 e - ⇌ 2 Cl -

Когда кислоты добавляются к водным солям хлорноватистой кислоты (например, гипохлориту натрия в коммерческом отбеливающем растворе), результирующая реакция сдвигается влево, и образуется газообразный хлор. Таким образом, образованию стабильных гипохлоритных отбеливателей способствует растворение газообразного хлора в основных водных растворах, таких как гидроксид натрия.

Кислоту можно также получить растворением монооксида дихлора в воде; в стандартных водных условиях безводную хлорноватистую кислоту в настоящее время невозможно получить из-за легко обратимого равновесия между ней и ее ангидридом:

2 HOCl ⇌ Cl 2 O + H 2 O K (при 0 ° C) =      3.55 × 10 −3  дм 3  моль −1

Присутствие оксидов легких или переходных металлов, меди, никеля или кобальта ускоряет экзотермическое разложение на соляную кислоту и кислород :

2 Cl 2 + 2 H 2 O → 4 HCl + O 2

Фундаментальные реакции

В водном растворе хлорноватистая кислота частично диссоциирует на анионный гипохлорит ClO -:

HOCl ⇌ ClO - + H +

Соли хлорноватистой кислоты называются гипохлоритами. Одним из самых известных гипохлоритов является NaClO, активный ингредиент отбеливателя.

В стандартных условиях HOCl является более сильным окислителем, чем хлор.

2 HClO (водн.) + 2 H + + 2 e - ⇌ Cl 2 (г) + 2  H 2O E  = +1,63 В 

HClO реагирует с HCl с образованием хлора:

HOCl + HCl → H 2 O + Cl 2

HOCl реагирует с аммиаком с образованием монохлорамина :

NH 3 + HOCl → NH 2 Cl + H 2 O

HOCl также может реагировать с органическими аминами с образованием N- хлораминов.

Хлорноватистая кислота находится в равновесии со своим ангидридом ; монооксид дихлора.

2 HOCl ⇌ Cl 2 O + H 2 O K (при 0 ° C) =      3.55 × 10 −3  дм 3  моль −1

Реакционная способность HClO с биомолекулами

Хлорноватистая кислота реагирует с широким спектром биомолекул, включая ДНК, РНК, группы жирных кислот, холестерин и белки.

Реакция с сульфгидрильными группами белка

Knox et al. первым отметил, что HClO является сульфгидрильным ингибитором, который в достаточном количестве может полностью инактивировать белки, содержащие сульфгидрильные группы. Это связано с тем, что HClO окисляет сульфгидрильные группы, что приводит к образованию дисульфидных связей, которые могут приводить к сшиванию белков. Механизм окисления сульфгидрила HClO аналогичен механизму монохлорамина и может быть только бактериостатическим, поскольку после того, как остаточный хлор рассеивается, часть сульфгидрильной функции может быть восстановлена. Одна сульфгидрилсодержащая аминокислота может поглощать до четырех молекул HOCl. В соответствии с этим было предложено, что сульфгидрильные группы серосодержащих аминокислот могут быть окислены в общей сложности три раза тремя молекулами HClO, причем четвертая молекула реагирует с α-аминогруппой. Первая реакция дает сульфеновую кислоту (R – SOH), затем сульфиновую кислоту (R – SO 2 H) и, наконец, R – SO 3 H. Сульфеновые кислоты образуют дисульфиды с другой сульфгидрильной группой белка, вызывая сшивание и агрегацию белков. Сульфиновая кислота и производные R – SO 3 H образуются только при высоком молярном избытке HClO, а дисульфиды образуются в основном на бактерицидных уровнях. Дисульфидные связи также могут быть окислены HClO до сульфиновой кислоты. Поскольку при окислении сульфгидрилов и дисульфидов выделяется соляная кислота, этот процесс приводит к истощению HClO.

Реакция с аминогруппами белка

Хлорноватистая кислота легко реагирует с аминокислотами, имеющими боковые аминогруппы, при этом хлор из HClO замещает водород, в результате чего образуется органический хлорамин. Хлорированные аминокислоты быстро разлагаются, но белковые хлорамины более долговечны и сохраняют некоторую окислительную способность. Thomas et al. на основании своих результатов пришли к выводу, что большинство органических хлораминов разлагается в результате внутренней перегруппировки и что меньшее количество доступных групп NH 2 способствует атаке на пептидную связь, что приводит к расщеплению белка. Маккенна и Дэвис обнаружили, что 10 мМ или больше HClO необходимо для фрагментации белков in vivo. В соответствии с этими результатами позже было предложено, что хлорамин подвергается молекулярной перегруппировке, высвобождая HCl и аммиак с образованием альдегида. Альдегидная группа может дополнительно взаимодействовать с другой аминогруппы с образованием основани Шиффа, в результате чего сшивание и агрегации белков.

Реакция с ДНК и нуклеотидами

Хлорноватистая кислота медленно реагирует с ДНК и РНК, а также со всеми нуклеотидами in vitro. GMP является наиболее реактивным, поскольку HClO реагирует как с гетероциклической группой NH, так и с аминогруппой. Аналогичным образом, TMP только с гетероциклической группой NH, которая реагирует с HClO, является вторым по активности реактивным веществом. AMP и CMP, которые имеют только медленно реагирующую аминогруппу, менее реагируют с HClO. Сообщается, что UMP реагирует только с очень низкой скоростью. Гетероциклические группы NH более реакционноспособны, чем аминогруппы, а их вторичные хлорамины способны отдавать хлор. Эти реакции, вероятно, мешают спариванию оснований ДНК, и, в соответствии с этим, Прюц сообщил о снижении вязкости ДНК при воздействии HClO, аналогичном тому, которое наблюдается при тепловой денатурации. Фрагменты сахара нереактивны, и основа ДНК не нарушена. НАДН может реагировать с хлорированным ТМП и УМФ, а также с HClO. Эта реакция может регенерировать UMP и TMP и приводит к 5-гидроксипроизводному NADH. Реакция с TMP или UMP медленно обратима с регенерированием HClO. Вторая более медленная реакция, которая приводит к расщеплению пиридинового кольца, происходит, когда присутствует избыток HClO. НАД + инертен по отношению к HClO.

Реакция с липидами

Хлорноватистая кислота реагирует с ненасыщенными связями в липидах, но не с насыщенными связями, и ион ClO - в этой реакции не участвует. Эта реакция происходит путем гидролиза с добавлением хлора к одному из атомов углерода и гидроксила к другому. Полученное соединение представляет собой хлоргидрин. Полярный хлор разрушает липидные бислои и может увеличить проницаемость. Когда образование хлоргидрина происходит в липидных бислоях эритроцитов, возникает повышенная проницаемость. Нарушение может произойти, если образуется достаточно хлоргидрина. Добавление предварительно сформированного хлоргидрина к эритроцитам также может повлиять на проницаемость. Также наблюдали холестерин хлоргидрин, но он не сильно влияет на проницаемость, и считается, что за эту реакцию отвечает Cl 2.

Режим дезинфицирующего действия

E. coli под воздействием хлорноватистой кислоты теряет жизнеспособность менее чем за 0,1 секунды из-за инактивации многих жизненно важных систем. Сообщается, что хлорноватистая кислота имеет LD 50 0,0104–0,156 частей на миллион и 2,6 частей на миллион вызывала 100% ингибирование роста за 5 минут. Однако концентрация, необходимая для бактерицидной активности, также сильно зависит от концентрации бактерий.

Подавление окисления глюкозы

В 1948 году Knox et al. предложил идею о том, что ингибирование окисления глюкозы является основным фактором бактерицидной природы растворов хлора. Он предположил, что активный агент или агенты диффундируют через цитоплазматическую мембрану для инактивации ключевых сульфгидрильных отработанных ферментов в гликолизе. Эта группа также первой отметила, что растворы хлора (HOCl) ингибируют сульфгидрильные ферменты. Более поздние исследования показали, что на бактерицидном уровне компоненты цитозоля не реагируют с HOCl. В соответствии с этим Макфетерс и Кампер обнаружили, что альдолаза, фермент, который Knox et al. proposes будут инактивированы, на него HOCl in vivo не повлияет. Далее было показано, что потеря сульфгидрилов не коррелирует с инактивацией. Остается вопрос, что вызывает ингибирование окисления глюкозы. Открытие того, что HOCl блокирует индукцию β-галактозидазы добавленной лактозой, привело к возможному ответу на этот вопрос. Поглощение радиоактивно меченных субстратов как гидролизом АТФ, так и совместным транспортом протонов может быть заблокировано воздействием HOCl, предшествующим потере жизнеспособности. На основании этого наблюдения было сделано предположение, что HOCl блокирует поглощение питательных веществ, инактивируя транспортные белки. Вопрос о потере окисления глюкозы был дополнительно исследован с точки зрения потери дыхания. Venkobachar et al. обнаружили, что янтарная дегидрогеназа in vitro ингибируется HOCl, что привело к исследованию возможности того, что нарушение транспорта электронов может быть причиной инактивации бактерий. Albrich et al. впоследствии было обнаружено, что HOCl разрушает цитохромы и кластеры железо-сера, и наблюдалось, что поглощение кислорода отменяется HOCl и теряются адениновые нуклеотиды. Было также замечено, что необратимое окисление цитохромов происходило параллельно с потерей дыхательной активности. Одним из способов решения проблемы потери поглощения кислорода было изучение эффектов HOCl на сукцинат-зависимый перенос электронов. Rosen et al. обнаружили, что уровни восстанавливаемых цитохромов в клетках, обработанных HOCl, были нормальными, и эти клетки не могли их снижать. HOCl также ингибирует сукцинатдегидрогеназу, останавливая поток электронов к кислороду. Более поздние исследования показали, что сначала прекращается активность убихинолоксидазы, а все еще активные цитохромы снижают оставшийся хинон. В цитохромы затем передать электроны с кислородом, что объясняет, почему цитохромы не может быть окисляется, как это было отмечено Rosen и соавт. Однако эта линия расследования была прекращена, когда Albrich et al. обнаружили, что клеточная инактивация предшествует потере дыхания с помощью системы перемешивания потока, которая позволяет оценить жизнеспособность в гораздо меньших временных масштабах. Эта группа обнаружила, что клетки, способные дышать, не могут делиться после воздействия HOCl.

Истощение адениновых нуклеотидов

Устранив потерю дыхания, Albrich et al. предполагает, что причиной смерти может быть метаболическая дисфункция, вызванная истощением адениновых нуклеотидов. Barrette et al. изучили потерю адениновых нуклеотидов, изучая энергетический заряд клеток, подвергшихся воздействию HOCl, и обнаружили, что клетки, подвергшиеся воздействию HOCl, не смогли увеличить свой энергетический заряд после добавления питательных веществ. Заключение заключалось в том, что подвергшиеся воздействию клетки утратили способность регулировать свой пул аденилата, основываясь на том факте, что поглощение метаболитов было недостаточным только на 45% после воздействия HOCl, и наблюдении, что HOCl вызывает внутриклеточный гидролиз АТФ. Было также подтверждено, что при бактерицидных уровнях HOCl цитозольные компоненты не затрагиваются. Было высказано предположение, что модификация некоторых мембраносвязанных белков приводит к обширному гидролизу АТФ, и это, в сочетании с неспособностью клеток удалять АМФ из цитозоля, снижает метаболическую функцию. Было обнаружено, что одним из белков, участвующих в потере способности регенерировать АТФ, является АТФ-синтетаза. Большая часть этих исследований дыхания подтверждает наблюдение, что соответствующие бактерицидные реакции происходят на клеточной мембране.

Подавление репликации ДНК

Недавно было высказано предположение, что инактивация бактерий под действием HOCl является результатом ингибирования репликации ДНК. Когда бактерии подвергаются воздействию HOCl, происходит резкое снижение синтеза ДНК, которое предшествует ингибированию синтеза белка и тесно связано с потерей жизнеспособности. Во время репликации бактериального генома источник репликации (oriC в E. coli) связывается с белками, которые связаны с клеточной мембраной, и было замечено, что обработка HOCl снижает сродство экстрагированных мембран к oriC, и это снижение сродства также происходит параллельно с потерей жизнеспособности. Исследование Rosen et al. сравнили скорость ингибирования HOCl репликации ДНК плазмид с различным происхождением репликации и обнаружили, что некоторые плазмиды проявляют задержку в ингибировании репликации по сравнению с плазмидами, содержащими oriC. Группа Розена предположила, что инактивация мембранных белков, участвующих в репликации ДНК, является механизмом действия HOCl.

Разворачивание и агрегация белков

Известно, что HOCl вызывает посттрансляционные модификации белков, наиболее заметными из которых являются окисление цистеина и метионина. Недавнее исследование бактерицидной роли HOCl показало, что он является мощным индуктором агрегации белков. Hsp33, шаперон, который, как известно, активируется окислительным тепловым стрессом, защищает бактерии от воздействия HOCl, действуя как холдаза, эффективно предотвращая агрегацию белков. Штаммы Escherichia coli и Vibrio cholerae, лишенные Hsp33, оказались особенно чувствительными к HOCl. Hsp33 защищает многие важные белки от агрегации и инактивации из-за HOCl, который, вероятно, является медиатором бактерицидных эффектов HOCl.

Гипохлориты
Основная статья: гипохлорит

Гипохлориты - это соли хлорноватистой кислоты; коммерчески важные гипохлориты являются гипохлорит кальция и гипохлорит натрия.

Производство гипохлоритов с помощью электролиза

Смотрите также: Хлорно-щелочной процесс

Растворы гипохлоритов могут быть получены на месте путем электролиза водного раствора хлорида натрия как в периодическом, так и в поточном процессах. Состав полученного раствора зависит от pH на аноде. В кислых условиях полученный раствор будет иметь высокую концентрацию хлорноватистой кислоты, но также будет содержать растворенный газообразный хлор, который может вызывать коррозию, при нейтральном pH раствор будет содержать около 75% хлорноватистой кислоты и 25% гипохлорита. Некоторая часть образующегося газообразного хлора растворяется, образуя ионы гипохлорита. Гипохлориты также образуются в результате диспропорционирования газообразного хлора в щелочных растворах.

Безопасность

HOCl классифицируется Агентством по охране окружающей среды США как неопасный. Как любой окислитель, он может вызывать разъедание или раздражение в зависимости от его концентрации и pH.

В клинических испытаниях вода с хлорноватистой кислотой была проверена на раздражение глаз, раздражение кожи и токсичность, они пришли к выводу, что она нетоксична, не вызывает раздражения глаз и кожи.

В недавнем исследовании было показано, что солевой гигиенический раствор, консервированный чистой хлорноватистой кислотой, значительно снижает бактериальную нагрузку, не изменяя разнообразие видов бактерий на веках. После 20 минут лечения количество бактерий стафилококков уменьшилось более чем на 99%.

Коммерциализация

Для дезинфекции, несмотря на то, что она была обнаружена давно, трудно поддерживать стабильность хлорноватистой воды, в растворе активные соединения быстро разлагаются обратно в соленую воду, теряя свои дезинфицирующие свойства, поэтому ее было трудно транспортировать для широкого использования. Несмотря на его более сильные дезинфицирующие свойства из-за стоимости, он обычно не используется в качестве дезинфицирующего средства по сравнению с отбеливателем и спиртом.

Технологические разработки снизили производственные затраты и позволяют производить и разливать хлорноватистую воду для домашнего и коммерческого использования. Однако большая часть хлорноватистой воды имеет короткий срок хранения и не подходит для длительного хранения. Хранение вдали от источников тепла и прямых солнечных лучей может замедлить ухудшение состояния. Дальнейшее развитие электрохимических ячеек с непрерывным потоком было реализовано в новых продуктах, что позволило коммерциализировать бытовые и промышленные устройства с непрерывным потоком для получения на месте хлорноватистой кислоты для целей дезинфекции.

Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
Последняя правка сделана 2023-03-27 10:59:23
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте