Введение

Гипохлористая кислота – неорганическое соединение с химической формулой ClOH, также записываемой как HClO, HOCl или ClHO. Её структура: H\sO\sCl. Это кислота, образующаяся при растворении хлора в воде, которая сама частично диссоциирует, формируя анион гипохлорита, ClO−. HClO и ClO− являются окислителями и основными дезинфицирующими агентами хлорных растворов. HClO нельзя выделить из этих растворов из-за быстрого установления равновесия с его предшественником – хлором. Благодаря сильным антимикробным свойствам, родственные соединения – гипохлорит натрия (NaOCl) и гипохлорит кальция (Ca(OCl)2) – входят в состав многих коммерческих отбеливателей, дезодорантов и дезинфицирующих средств. Белые кровяные клетки млекопитающих, в том числе человека, также содержат гипохлористую кислоту как средство борьбы с инородными телами. В живых организмах HOCl образуется в результате реакции пероксида водорода с ионами хлорида под катализом гемового фермента миелопероксидазы (MPO). Как и многие другие дезинфицирующие средства, растворы гипохлористой кислоты уничтожают патогены, такие как COVID-19, адсорбированные на поверхностях. В низких концентрациях такие растворы могут использоваться для дезинфекции открытых ран.

История

Гипохлористая кислота была открыта в 1834 году французским химиком Антуаном Жеромом Баларом (1802–1876) путем добавления к колбе с хлором разбавленной суспензии оксида ртути(II) в воде. Он также дал название этой кислоте и ее соединениям. Несмотря на относительную простоту получения, сложно поддерживать стабильный раствор гипохлористой кислоты. Лишь в последние годы ученые смогли экономически эффективно производить и стабилизировать воду, содержащую гипохлористую кислоту, для стабирного коммерческого применения.

Применение

В органическом синтезе HClO превращает алкены в хлорогидрины. В биологии гипохлористая кислота образуется в активированных нейтрофилах в результате перекисного окисления ионов хлорида под действием миелопероксидазы и способствует уничтожению бактерий. С начала 2016 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило продукты, основным действующим веществом которых является гипохлористая кислота, для лечения ран и различных инфекций у людей и домашних животных. Она также одобрена FDA в качестве консерванта для физиологических растворов. В дезинфекции она используется в виде жидких спреев, влажных салфеток и аэрозольного распыления. Недавние исследования показали, что вода с гипохлористой кислотой подходит для обработки в виде тумана и аэрозоля в дезинфекционных камерах, а также для дезинфекции помещений, таких как офисы, больницы и медицинские учреждения. В сфере общественного питания и водоснабжения иногда используется специализированное оборудование для получения слабых растворов HClO из воды и соли, чтобы обеспечить достаточное количество безопасного (нестабильного) дезинфицирующего средства для обработки поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами, и водоснабжения. Она также широко используется в ресторанах благодаря своим негорючим и нетоксичным свойствам. В очистке воды гипохлористая кислота является активным дезинфицирующим средством в продуктах на основе гипохлорита (например, используемых в бассейнах). Аналогично, на судах и яхтах санитарно-технические устройства используют электричество для преобразования морской воды в гипохлористую кислоту для дезинфекции измельченных фекальных отходов перед сбросом в море. При дезодорации гипохлористая кислота прошла испытания и показала способность удалять до 99% неприятных запахов, включая запахи мусора, гнилого мяса, туалета, фекалий и мочи.

Реактивность HClO с биомолекулами

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

Реакция с белковыми сульфидрильными группами

Нокс и др. обнаружили, что это может приводить к образованию перекрестных связей между белками. Механизм окисления сульфгидрильных групп HClO аналогичен механизму монохлорамина и может быть лишь бактериостатическим, поскольку после рассеивания остаточного хлора некоторая сульфгидрильная функция может быть восстановлена. Хлорированные аминокислоты быстро разлагаются, но белковые хлорамины более устойчивы и сохраняют некоторую окислительную способность. Было установлено, что для фрагментации белков in vivo необходимо 10 мМ или более HClO. В соответствии с этими результатами, позднее было предложено, что хлорамин претерпевает молекулярную перегруппировку, высвобождая HCl и аммиак с образованием альдегида. Альдегидная группа может далее реагировать с другой аминогруппой, образуя основание Шиффа, что вызывает перекрестные связи и агрегацию белков. GMP является наиболее реакционноспособным, поскольку HClO реагирует как с гетероциклической NH-группой, так и с аминогруппой. Аналогично, TMP, содержащий только реакционноспособную с HClO гетероциклическую NH-группу, является вторым по реакционной способности. АМФ и КМФ, имеющие только медленно реагирующую аминогруппу, менее реакционноспособны с HClO.

Способ действия дезинфицирующего средства

Бактерии кишечной палочки, подвергшиеся воздействию гипохлористой кислоты, теряют жизнеспособность менее чем за 0,1 секунды из-за инактивации многих жизненно важных систем. Гипохлористая кислота в концентрациях 0,0104–0,156 ppm и 2,6 ppm вызывала 100%-ное ингибирование роста за 5 минут. В соответствии с этим, МакФеттерс и Кампер обнаружили, что альдолаза, фермент, изучение которого Нокс и др. позволило предложить возможное объяснение этому вопросу. Поглощение радиоактивно меченых субстратов посредством гидролиза АТФ и ко-транспорта протонов может быть заблокировано воздействием HClO, предшествующим потере жизнеспособности. Вопрос об утрате окисления глюкозы был дополнительно изучен в контексте нарушения дыхания. Венкобачар и др. обнаружили, что сукцинатдегидрогеназа ингибируется in vitro HClO, что привело к исследованию возможности того, что нарушение транспорта электронов может быть причиной бактериальной инактивации. Альбрих и др., Розен и др.

Ингибирование репликации ДНК

Недавно было предложено, что бактериальная инактивация под действием HClO является результатом ингибирования репликации ДНК. При воздействии HClO на бактерии наблюдается резкое снижение синтеза ДНК, которое предшествует ингибированию синтеза белка и тесно коррелирует с потерей жизнеспособности. В процессе репликации бактериального генома, начало репликации (oriC у E. coli) связывается с белками, ассоциированными с клеточной мембраной, и было установлено, что обработка HClO снижает сродство экстрагированных мембран к oriC, и это снижение сродства также коррелирует с потерей жизнеспособности. В исследовании, проведенном Розеном и соавторами, сравнивалась скорость ингибирования репликации ДНК плазмидами с различными началами репликации, и было обнаружено, что некоторые плазмиды демонстрируют задержку ингибирования репликации по сравнению с плазмидами, содержащими oriC. Группа Розена предположила, что инактивация мембранных белков, участвующих в репликации ДНК, является механизмом действия HClO.

Раскрытие и агрегация белков

Известно, что HClO вызывает посттрансляционные модификации белков, наиболее заметными из которых являются окисление цистеина и метионина. Недавнее исследование бактерицидной роли HClO показало, что он является мощным индуктором агрегации белков. Hsp33, шаперон, известный своей активацией при окислительном тепловом стрессе, защищает бактерии от воздействия HClO, функционируя как холдаза и эффективно предотвращая агрегацию белков. Штаммы Escherichia coli и Vibrio cholerae, лишенные Hsp33, оказались особенно чувствительны к HClO. Hsp33 защищал многие важные белки от агрегации и инактивации, вызванных HClO, который, вероятно, является медиатором бактерицидного эффекта HClO.

Гипохлориты

Гипохлориты — это соли гипохлористой кислоты; наиболее важными в коммерческом отношении гипохлоритами являются гипохлорит кальция и гипохлорит натрия.

Производство гипохлоритов с использованием электролиза

Растворы гипохлоритов могут быть получены непосредственно на месте (in situ) путем электролиза водного раствора хлорида натрия как в периодическом, так и в непрерывном процессах. Состав полученного раствора зависит от pH на аноде. В кислых условиях полученный раствор будет иметь высокую концентрацию гипохлористой кислоты, но также будет содержать растворенный газообразный хлор, который может быть коррозионно-активным. При нейтральном pH раствор будет содержать примерно 75% гипохлористой кислоты и 25% гипохлорита. Часть образовавшегося хлорного газа растворится, образуя ионы гипохлорита. Гипохлориты также образуются при диспропорционировании хлора в щелочных растворах.

Безопасность

HClO классифицируется как неопасное вещество Агентством по охране окружающей среды США. Как и любой окислитель, он может обладать коррозионными или раздражающими свойствами в зависимости от концентрации и pH. В клиническом исследовании вода, содержащая гипохлористую кислоту, была протестирована на раздражение глаз, раздражение кожи и токсичность. Исследование показало, что она не является токсичной и не вызывает раздражения глаз и кожи. В исследовании 2017 года было продемонстрировано, что гигиенический раствор на основе физиологического раствора, консервированный чистой гипохлористой кислотой, значительно снижает бактериальную нагрузку, не изменяя разнообразие бактериальных видов на веках. После 20 минут обработки наблюдалось снижение количества бактерий стафилококка более чем на 99%.

Коммерциализация

Для дезинфекции, несмотря на то, что гипохлористая кислота была открыта давно, поддержание стабильности водного раствора гипохлористой кислоты представляет сложность. В растворе активные соединения быстро разлагаются обратно в соленую воду, теряя дезинфицирующую способность, что затрудняет её транспортировку и широкое применение. Несмотря на более высокую эффективность дезинфекции, гипохлористая кислота используется в качестве дезинфицирующего средства реже, чем отбеливатель и спирт, из-за её стоимости. Технологические усовершенствования снизили производственные затраты и сделали возможным производство и розлив гипохлористой кислоты в бутылки для использования в быту и в коммерческих целях. Однако большинство растворов гипохлористой кислоты имеют ограниченный срок годности. Хранение в прохладном месте, защищенном от прямых солнечных лучей, может замедлить процесс разложения. Дальнейшее развитие проточных электрохимических ячеек нашло отражение в новых продуктах, что позволило вывести на рынок бытовые и промышленные устройства непрерывного действия для получения гипохлористой кислоты непосредственно на месте для целей дезинфекции.