Введение

использование этого химического вещества в качестве лекарственного средства Химическое соединение

Нитроглицерин (NG) (альтернативное написание нитроглицерина), также известный как тринитроглицерин (TNG), нитро, тринитрат глицерина (GTN) или 1,2,3-тринитроксипропан, представляет собой плотную, бесцветную, маслянистую, взрывоопасную жидкость, обычно получаемую путем нитрования глицерина концентрированной дымящей азотной кислотой в условиях, благоприятных для образования эфира азотной кислоты. Химически это органический нитрат, а не нитросоединение, однако традиционное название сохраняется. Открытый в 1847 году Асканио Собреро, нитроглицерин использовался в качестве активного ингредиента при производстве взрывчатых веществ, в частности динамита, и в связи с этим применяется в строительстве, при сносе зданий и в горнодобывающей промышленности. Он смешивается с нитроцеллюлозой для получения бездымного пороха двойной основы, который с 1880-х годов используется в качестве метательного заряда в артиллерии и стрелковом оружии. Нитроглицерин применяется в медицине уже более 130 лет в качестве мощного вазодилататора (вызывающего расширение кровеносных сосудов) для лечения сердечных заболеваний, таких как стенокардия и хроническая сердечная недостаточность. Хотя ранее было известно, что эти полезные эффекты связаны с превращением нитроглицерина в оксид азота – мощный венодилататор, фермент, ответственный за это преобразование, был идентифицирован только в 2002 году как митохондриальная альдегиддегидрогеназа (ALDH2). Нитроглицерин доступен в виде таблеток для сублингвального применения, спреев, мазей и пластырей.

История

Нитроглицерин был первым практически применимым взрывчатым веществом, превосходящим по силе чёрный порох. Он был синтезирован итальянским химиком Асканио Собреро в 1847 году, под руководством Теофиля Жюля Пелуза в Туринском университете. Собреро первоначально назвал своё открытие пироглицерином и настоятельно предостерегал от его использования в качестве взрывчатого вещества. Альфред Нобель внедрил нитроглицерин в качестве коммерчески полезного взрывчатого вещества, экспериментируя с более безопасными способами обращения с этим опасным соединением после того, как его младший брат, Эмиль Оскар Нобель, и несколько рабочих погибли при взрыве на оружейном заводе Нобелей в 1864 году в Хеленеборге, Швеция. Год спустя Нобель основал компанию «Альфред Нобель и Компания» в Германии и построил изолированный завод на холмах Крюммель в Гейсштахте, недалеко от Гамбурга. Это предприятие экспортировало жидкую смесь нитроглицерина и пороха под названием «Взрывное масло», однако она была крайне нестабильной и сложной в обращении, о чём свидетельствовали многочисленные катастрофы. Здания завода в Крюммеле были разрушены дважды. В апреле 1866 года несколько ящиков нитроглицерина были отправлены в Калифорнию, три из которых предназначались для Центральной тихоокеанской железной дороги, планировавшей испытать его в качестве взрывчатого вещества для ускорения строительства туннеля Саммит протяжённостью 506 метров через горы Сьерра-Невада. Один из оставшихся ящиков взорвался, уничтожив офис компании Wells Fargo в Сан-Франциско и убив 15 человек. Это привело к полному запрету на транспортировку жидкого нитроглицерина в Калифорнии. Для завершения строительства Первой трансконтинентальной железной дороги в Северной Америке потребовалось местное производство нитроглицерина для оставшихся работ по бурению и взрывным работам в твёрдых породах. В Рождество 1867 года попытка утилизировать девять канистр «Взрывного масла», незаконно хранившихся в гостинице «Белый лебедь» в центре Ньюкасла-на-Тайне, привела к взрыву на Городской лужайке, в результате которого погибли восемь человек. В июне 1869 года два вагона, загруженные нитроглицерином, тогда известным в округе как «Пороховое масло», взорвались на дороге в валлийской деревне Кюм-и-Гло. Взрыв повлёк за собой гибель шести человек, многочисленные ранения и значительный ущерб деревне. От лошадей практически не осталось следов. Правительство Великобритании было настолько обеспокоено нанесённым ущербом и потенциальными последствиями в городских условиях (эти две тонны были частью более крупной партии, прибывшей из Германии через Ливерпуль), что вскоре приняло Закон о нитроглицерине 1869 года. Жидкий нитроглицерин был широко запрещён и в других странах, и эти юридические ограничения привели к тому, что Альфред Нобель и его компания разработали динамит в 1867 году. Он создавался путём смешивания нитроглицерина с диатомовой землёй («Kieselguhr» на немецком языке), найденной на холмах Крюммель. Подобные смеси, такие как «дуалин» (1867), «литофрактор» (1869) и «гелигнит» (1875), получались путём смешивания нитроглицерина с другими инертными абсорбентами, и различные комбинации испытывались другими компаниями в попытках обойти строго охраняемые патенты Нобеля на динамит. Динамитные смеси, содержащие нитроцеллюлозу, которая повышает вязкость смеси, обычно называют «гелатинами». После открытия того, что амилнитрит помогает облегчить боль в груди, врач Уильям Мюррелл экспериментировал с использованием нитроглицерина для облегчения стенокардии и снижения артериального давления. Он начал лечить своих пациентов небольшими разбавленными дозами нитроглицерина в 1878 году, и это лечение вскоре получило широкое распространение после публикации Мюрреллом своих результатов в журнале The Lancet в 1879 году. За несколько месяцев до своей смерти в 1896 году Альфреду Нобелю был прописан нитроглицерин от сердечного заболевания, и он писал другу: «Не ирония ли судьбы, что мне прописали нитроглицерин для приёма внутрь! Они называют его Тринитрином, чтобы не пугать химиков и публику». Медицинское сообщество также использовало название «глицерилтринитрат» по той же причине.

Производственные показатели в военное время

Большое количество нитроглицерина было произведено во время Первой и Второй мировых войн для использования в качестве военных взрывчатых веществ и в военных инженерных работах. Во время Первой мировой войны HM Factory, Gretna, крупнейший завод по производству взрывчатых веществ в Соединенном Королевстве, производил около 800 тонн кордита RDB в неделю. Для этого требовалось не менее 336 тонн нитроглицерина в неделю (при условии отсутствия потерь в производстве). У Королевского флота был свой завод – Королевский завод кордита в Холтон-Хит, Дорсет, Англия. Во время Первой мировой войны в Канаде также был построен крупный завод по производству кордита. Завод кордита компании Canadian Explosives Limited в Нобеле, Онтарио, был спроектирован для производства кордита в месяц, что требовало около 286 тонн нитроглицерина в месяц.

Нестабильность и десенсибилизация

В неразбавленном виде нитроглицерин является контактным взрывчатым веществом, и физический удар вызывает его взрыв. Если он не был должным образом очищен в процессе производства, он может со временем разлагаться до еще более нестабильных форм. Это делает нитроглицерин чрезвычайно опасным для транспортировки или использования. В неразбавленном виде это одно из самых мощных взрывчатых веществ в мире, сопоставимое с более современными РДХ и ПЭТН. В начале своей истории было обнаружено, что чувствительность жидкого нитроглицерина можно снизить, замораживая его при температуре ниже определенной, в зависимости от его чистоты. Его чувствительность к удару в замороженном состоянии несколько непредсказуема: «В таком состоянии он менее чувствителен к удару от детонатора-фульмината или винтовочной пули, но, с другой стороны, кажется, более склонен к взрыву при разрыве, дроблении, трамбовке и т.п.». Замороженный нитроглицерин обладает значительно меньшей энергией, чем жидкий, поэтому его необходимо оттаивать перед использованием. Оттаивание может быть чрезвычайно чувствительным, особенно при наличии примесей или слишком быстром нагреве. Для снижения температуры плавления и устранения необходимости оттаивания замороженного взрывчатого вещества можно добавить динитрат этиленгликоля или другой полинитрат. Химическое снижение чувствительности нитроглицерина возможно до такой степени, что его можно считать столь же безопасным, как современные мощные взрывчатые вещества, например, путем добавления этанола, ацетона или динитротолуола. Нитроглицерин может быть извлечен из химического десенсибилизатора для восстановления его эффективности перед использованием, например, путем добавления воды для удаления этанола, используемого в качестве десенсибилизатора. При образовании водяного пара выделяется 1414 кДж/моль, а при образовании жидкой воды – 1524 кДж/моль. Скорость детонации нитроглицерина составляет 7820 метров в секунду, что примерно на 113% превышает скорость детонации тротила. Следовательно, нитроглицерин считается взрывчатым веществом с высокой бризантностью, то есть он обладает отличной разрушающей способностью. Тепло, выделяющееся при детонации, повышает температуру газообразных продуктов до примерно 5000 °C (9032 °F). В промышленном производстве нитроглицерина глицерин часто реагирует с почти 1:1 смесью концентрированной серной и концентрированной азотной кислот. Эту смесь можно получить путем смешивания бесцветной дымящейся азотной кислоты – дорогой чистой азотной кислоты, из которой удалены оксиды азота, в отличие от красной дымящейся азотной кислоты, содержащей оксиды азота, – и концентрированной серной кислоты. Чаще эта смесь получается более дешевым способом – смешиванием дымящейся серной кислоты, также известной как олеум (серная кислота, содержащая избыток триоксида серы), и азеотропной азотной кислоты (состоящей примерно из 70% азотной кислоты и остальной воды). Серная кислота образует протонированные виды азотной кислоты, на которые атакуют нуклеофильные атомы кислорода глицерина. Нитрогруппа добавляется в виде эфира C−O−NO2, и образуется вода. Это отличается от реакции электрофильного ароматического замещения, в которой электрофилом являются нитроний-ионы. Добавление глицерина приводит к экзотермической реакции (то есть выделяется тепло), что обычно происходит при смешанном кислотном нитровании. Если смесь перегреется, произойдет неконтролируемая реакция – состояние ускоренного нитрования, сопровождающееся разрушительным окислением органических материалов горячей азотной кислотой и выделением ядовитого диоксида азота с высоким риском взрыва. Поэтому глицериновую смесь медленно добавляют в реакционный сосуд, содержащий смешанную кислоту (а не кислоту в глицерин). Нитратор охлаждается холодной водой или другой охлаждающей смесью и поддерживается на протяжении всего добавления глицерина при температуре около 22 °C (72 °F) – достаточно высокой для быстрой этерификации, но достаточно низкой, чтобы избежать неконтролируемой реакции. Нитратор, обычно изготовленный из железа или свинца и обычно перемешиваемый сжатым воздухом, имеет аварийный люк в основании, который свисает над большим бассейном очень холодной воды, в который можно сбросить всю реакционную смесь (заряд) для предотвращения взрыва – этот процесс называется «затоплением». Если температура заряда превысит примерно 30 °C (86 °F) (фактическое значение варьируется в зависимости от страны) или в вентиляционном отверстии нитратора появится коричневый дым, то его немедленно затопляют.

Использование в качестве взрывчатого вещества и двигателя

Основное применение нитроглицерина, в тоннах, – в взрывчатых веществах, таких как динамит, и в ракетных топливах. Нитроглицерин – маслянистая жидкость, которая может взрываться при воздействии тепла, удара или пламени. Альфред Нобель разработал применение нитроглицерина в качестве взрывчатого вещества, смешивая его с инертными абсорбентами, в частности, с «кизельгуром» или диатомитовой землей. Он назвал это взрывчатое вещество динамитом и запатентовал его в 1867 году. Он поставлялся в виде готовых к использованию палочек, каждая из которых была обернута в смазанную водонепроницаемую бумагу. Динамит и подобные взрывчатые вещества широко применялись в гражданском строительстве, например, при бурении автомобильных и железнодорожных туннелей, в горнодобывающей промышленности, для расчистки сельскохозяйственных угодий от пней, в карьерах и при сносе зданий и сооружений. Военные инженеры также использовали динамит для строительных и разрушительных работ. Нитроглицерин также применялся в качестве компонента военных ракетных топлив для огнестрельного оружия. Нитроглицерин использовался в сочетании с гидравлическим разрывом пласта – процессом, применяемым для добычи нефти и газа из сланцевых формаций. Эта технология включает в себя вытеснение и детонацию нитроглицерина в естественных или гидравлически созданных системах трещин, либо вытеснение и детонацию нитроглицерина в гидравлически созданных трещинах с последующими зарядами в скважине с использованием гранулированного тротила. Нитроглицерин имеет преимущество перед некоторыми другими мощными взрывчатыми веществами, поскольку при детонации он производит практически отсутствие видимого дыма. Поэтому он полезен в качестве ингредиента при создании различных видов бездымного пороха. Его чувствительность ограничила применение нитроглицерина в качестве военного взрывчатого вещества, и менее чувствительные взрывчатые вещества, такие как тротил, РДХ и ОМТД, в значительной степени заменили его в боеприпасах. Он по-прежнему важен в военной технике, и боевые инженеры до сих пор используют динамит. Альфред Нобель затем разработал баллистит, объединив нитроглицерин и пироксилин. Он запатентовал его в 1887 году. Баллистит был принят рядом европейских правительств в качестве военного ракетного топлива. Первой его приняла Италия. Правительство Великобритании и правительства стран Содружества приняли кордит, разработанный сэром Фредериком Абелем и сэром Джеймсом Дьюаром из Великобритании в 1889 году. Оригинальный Cordite Mk I состоял из 58% нитроглицерина, 37% пироксилина и 5,0% вазелина. Баллистит и кордит производились в форме «шнуров». Бездымные пороха изначально разрабатывались с использованием пироксилина в качестве единственного взрывчатого ингредиента, поэтому они назывались одноосновными ракетными топливами. Также был разработан ряд бездымных порохов, содержащих как пироксилин, так и нитроглицерин, известных как двухосновные ракетные топлива. Бездымные пороха изначально поставлялись только для военного использования, но вскоре были разработаны и для гражданского применения и быстро получили распространение в спорте. Некоторые из них известны как спортивные пороха. Трехосновные ракетные топлива содержат пироксилин, нитроглицерин и нитрогуанидин, но в основном используются для боеприпасов чрезвычайно крупного калибра, таких как те, что применяются в танковых пушках и морской артиллерии. Взрывчатое желатиновое вещество, также известное как гелигнит, было изобретено Нобелем в 1875 году с использованием нитроглицерина, древесной массы и нитрата натрия или калия. Это было раннее, недорогое и гибкое взрывчатое вещество.

Медицинское применение

Нитроглицерин относится к группе лекарств, называемых нитратами, которые включают в себя многие другие нитраты, такие как изосорбида динитрат (Исордил) и изосорбида мононитрат (Имдур, Исмо, Монокет). Все эти препараты оказывают свое действие, превращаясь в оксид азота в организме под действием митохондриальной альдегиддегидрогеназы (ALDH2).

Нитроглицерин доступен в виде таблеток, мази, раствора для внутривенного введения, трансдермальных пластырей или спреев для сублингвального применения. Некоторые формы нитроглицерина сохраняются в организме значительно дольше, чем другие. Нитроглицерин, а также начало и продолжительность действия каждой формы различаются. Сублингвальный спрей или таблетка нитроглицерина начинают действовать через две минуты и оказывают эффект в течение двадцати пяти минут. Пероральная форма нитроглицерина начинает действовать через тридцать пять минут и оказывает эффект в течение 4–8 часов. Трансдермальный пластырь начинает действовать через тридцать минут и оказывает эффект в течение десяти–двенадцати часов. Показано, что непрерывное воздействие нитратов может привести к снижению чувствительности организма к этому лекарству. Эксперты рекомендуют снимать пластыри на ночь, чтобы дать организму несколько часов для восстановления чувствительности к нитратам. Препараты нитроглицерина с более коротким действием можно использовать несколько раз в день с меньшим риском развития толерантности. Нитроглицерин впервые был использован Уильямом Мюрреллом для лечения приступов стенокардии в 1878 году, а открытие было опубликовано в том же году.

Промышленная экспозиция

Нечастое воздействие высоких доз нитроглицерина может вызывать сильные головные боли, известные как "NG head" или "bang head". Эти головные боли могут быть настолько сильными, что приводят к потере трудоспособности у некоторых людей; однако при длительном воздействии у человека развивается толерантность и зависимость от нитроглицерина. Хотя это случается редко, синдром отмены может быть смертельным. Симптомы отмены включают боль в груди и другие сердечные проблемы. Эти симптомы можно облегчить повторным воздействием нитроглицерина или других подходящих органических нитратов. У работников предприятий по производству нитроглицерина (НТГ) последствия отмены иногда проявляются в виде "воскресных инфарктов" у тех, кто регулярно подвергается воздействию нитроглицерина на рабочем месте, что приводит к развитию толерантности к венодилатирующему эффекту. В выходные дни работники теряют эту толерантность, а при повторном воздействии в понедельник резкое расширение сосудов вызывает учащенное сердцебиение, головокружение и головную боль. Это явление называют "болезнью понедельника". Воздействие нитроглицерина на рабочем месте может происходить при вдыхании, абсорбции через кожу, проглатывании или попадании в глаза. Управление по охране труда установило юридический предел (допустимый предел воздействия) для воздействия нитроглицерина на рабочем месте – 0,2 ppm (2 мг/м3) при контакте с кожей в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт охраны труда и здоровья рекомендовал предел воздействия 0,1 мг/м3 при контакте с кожей в течение 8-часового рабочего дня. При концентрации 75 мг/м3 нитроглицерин представляет непосредственную угрозу для жизни и здоровья.