（环境科学专业论文）一种n亚硝基化合物总量筛选方法的可行性实验研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t n - u i t r o s ec o m p o u n d s ，b e h a v ec a r c i n o g e n i ca c t i v i t y , d e f o r r m i t ya n dv i r u l e n c e t oh u m a na n da n i m a ls p e c i e s n - u i t r o s oc o m p o u n d sa r eu b i q u i t o u si nt h eh u m a n e n v i r o n m e n t ，f o o d s ，c o s m e t i c sa n dm a n yi n d u s t r i a lp r o d u c t s t h u s ，t h em e t h o d sf o r t h er a p i d l ys i m p l es c r e e n i n go fn - u i t r u s oc o m p o u n d sa r ee s s e n t i a lt ot h es a f e t yo f c o n s n m e l p r o d u c t s a l t h o u g h , m u c hp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei n “舭n ty e a r so nt h em e t h o d o l o g y f o rt h ea n a l y s i so ft o t a ln - n i t r o s oc o m p o u n d s ，an u m b e ro fd e f e c t se x i s t i n g ，f a r t h e r w o r ki sr e q u i r e db e f o r ei tc a nb ea p p l i e dr o u t i n e l y i nt h i st h e s i s ，t h ea d v a n t a g e sa n d d e f e c t so fm e t h o d sa r es u m m a r i z e d t h ea u t h o rp r e s e n t e dap r o c e d u r ef o rt h e a n a l y s i s ：o ft o t a ln - u i t r o s oc o m p o u n d ss u i t a b l ef o rr o u t i n ea p p l i c a t i o n , s u c ha st h e s c r e e n i n go fm a n u f a c t u r e dp r o d u c t s ，c o n s u m e rp r o d u c t s n e wm e t h o d sf o r t h e s c r e e n i n g o f t o t a l ”n u i t r o s oc o m p o u n d su s i n gc h e m i c a ld e n i t r o s a t i o nw i t h h b r ，a c o hi nab o i l i n go r g a n i cs o l v e n t f o l l o w e db yc h e m i l u m i n e s c e n c ed e t e c t i o n o f r e l e a s e dn o ，h a v eb e e nd e v e l o p e db yi n v e s t i g a t i n gs o l v e n te f f e c t sa n da l t e r n a t i v e s o u r c 4 ：so fh b r 1 tw a sf o u n dt h a tt h eb s eo fac o m b i n a t i o no fh b r a c o hi nb o i l i n g n - p r o a cs o l v e n tp r o v i d e sam e t h o df o rt h er a p i ds c r e e n i n go f t o t a l ”n n i t r o s o c o m p o u n d s t h e u s e o f l e w i s a c i d s ，p a r t i c u l a r l y m e t a l c h l o r i d e s ( s n c l 4 ) ，i n p l a c eo f h b r a c o ha f f e c t ss e l e c t i v ea n a l y s i so fn - a c y l - n - n i t r o s oc o m p o u n d s0 q a n c ) b u t n o to f d i a l k y la n dh e t e r o c y e l i cn - n i t r o s a m i n e s i n o r g a n i cn i t r i t ea n da l k y ln i t r i t e s w h i c hq u a n t i t a t i v e l yr e l e a s en ow h e n i n j e c t e di n t oh b r a c o ha n ds 删c 1 4i nb o i l i n gn - p r o a ew e r er e m o v e dp r i o rt ot h e a s s a yo f n - n i t r o s oc o m p o u n d su s i n gs u l p h a m i ca c i d s - n i t r o s oc o m p o u n d s a l s og i v e as i g n i f i c a n ti n t e r f e r e n c ew h e na s s a y e db yh b r a c o ho rs n c l i nn - p r o a c t h e c o n t r i b u t i o nf r o mt h e s ec o m p o u n d sc a nb ee s t i m a t e du s i n gh c i a e o hi nb o i l i n g n - p r o a c t h et e s t sp r o v i d et h eg r o u n df o rr o u t i n ea p p l i c a t i o n so f n e wc h e m i c a lm e t h o d s ， w h i c hw o u l dc o n t r i b u t et ot h em a n u f a c t u r eo fs a f e rc o n s u m e rp r o d u c t s k e yw o r d s ：n - n i l r o s oc o m p o u n d s ；c h e m i c a ld e n i t r o s a t i o n ；a n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：要墟日期：主! 丑：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公稀论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丑肄导师签名：倒日期：犁f 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 n 一亚硝基化合物是一类具有独特结构和物理化学性质的化合物，对人和动 物剧毒性、致突变性和致癌性。因此，寻找快速筛选n 一亚硝基化合物的方法对 保证消费品安全非常重要。到上世纪八十年代，n 一亚硝基化合物的分析方法已 逾百种。1 9 8 2 年，t a p a h i 和g r u s h k a 对卅亚硝基化合物测定方法进行了阐述， 如分光光度法、色谱法、极谱法等。随着现代检测手段不断出现，检出水平及 准确度也不断提高，g c 法、h p l c 法、质谱联用和联机技术已普遍应用于一些 实验研究。目前，对于n 一亚硝基化合物的测定，国内外均以h p l c 法、质谱联 用和联机技术为主。但因这些方法本身的限制，其作用主要以单一化合物的定 性和定量分析为主，服务于病因学和流行病学专业分析研究，尚不能用于常规 检测。对于n 一亚硝基化合物的总量( t n o c ) 和主要成分的认识，既是流行病学和 病因学研究的基础，也是确证n 一亚硝基化合物和进一步研究的第一步。因此， 迫切需要寻找新的、更便捷、更经济的检测方法。w a i t e r s 、p i g n a t e l l i 和b a v i n 等人以总量测定为出发点，提供了测定该类物质的另一思路。通过实验研究和 方法的进一步完善，可沿着总量检测方向进一步研究，寻找实用的常规筛选n 一 亚硝基化合物的实验分析方法，应是当前可行之路。 1 2n 一亚硝基化合物的生物学特性 1 9 3 7 年，f r e u n d 首先报导了亚硝胺对人的急性毒性1 1 】，n 亚硝胺化合物的 危害开始为人类所重视。b a r n e s 和m a g e e 在1 9 5 4 年通过对大型二甲基亚硝胺 生产企业工作人员流行病学调查，并用大鼠、豚鼠、兔和猪等动物进行实验， 进一步证实了二甲基亚硝胺是一种能使动物肝脏急性中毒的化合物【2 】。可导致 肝脏出现出血、急性坏死、胆管增生和纤维化等病理改变，并引起动物肾、肺、 睾丸和胃等部位损害。石馆等学者对n 亚硝基化合物做体外染色体试验表明， 一些亚硝酰胺类会导致染色体畸变。对n 亚硝基化合物危害性的进一步研究证 实，n 亚硝基化合物具慢性毒性、致癌性、致突变性和致畸胎作用。n 亚硝基 北京工业大学工学硕士学位论文 化合物致癌性的突出特点是对所有脏器和组织都诱发肿瘤，其器官亲和性与化 合物结构有一定关系。n - 亚硝基化合物既可以长期慢性诱发致癌，也可以因致 癌“冲击量”迅速导致肿瘤发生；既可通过口服、接触致癌，也可以通过胎盘垂 直作用致癌。动物实验表明，在3 0 0 多种不同的n 一亚硝基化合物的致癌试验中， 9 0 以上的n 一亚硝基化合物对动物体表现强致癌性。目前，包括哺乳动物、鸟 类、鱼类和昆虫在内，还没有发现哪一种系可以对抗n 一亚硝基的致癌性0 1 。国 内学者通过研究食管癌高发区总亚硝基化合物、挥发性亚硝胺、亚硝基氨基酸 和还原型v c 等相关危险因素得出结论，膳食中t n o c 的高含量是最重要的致 癌危险因素 4 j 。在我国，胃癌死亡率居恶性肿瘤之首，n 一皿硝酰胺类化合物( n a d ) 被认为是人胃癌的主要启动因素“1 。邓大君等选用胃癌高发区居民食用鱼露， 在类似胃内的条件下进行皿硝化，成功地诱发大鼠腺癌的试验，并以 h p l c - p h p s - t e a 法分离确证，直接证明亚硝化鱼露样品中存在n 一亚硝基脲( n m u ) ”，进一步明确了n m u 与人类胃癌的因果关系。n 一亚硝基化合物的危害巨大， n 一亚硝胺亲和靶器官为肝、食道、胃等，引起人类癌症发生州；n 一亚硝基肽是 潜在的直接诱变剂和致癌剂。另外，在农作物化肥以及新鲜蔬菜中，虽然亚硝 酸盐含量通常低于l m g k g ，但硝酸盐含量可达数干毫克每公斤，硝酸盐在胃内 还原成亚硝酸盐而进一步产生n 一皿硝基化合物，引起严重后果“”。化学致癌物 的致癌机理，传统上认为是在体内经过新陈代谢，形成亲电子化合物，这些化 合物具有强大的烷化物反应性，与体内靶细胞核酸以共价键结合，从而导致细 胞恶变1 。n 亚硝基化合物具有这种生物学特性，如二烷基n 一亚硝胺在新陈代 谢过程中，通过a 碳原子的初始羟化酶作用形成羟化中间物，然后分解成重氮 烷基氢氧化物和碳酰基化合物，重氮烷基氢氧化物是强大的烷基化反应物，它 可与细胞的组分如d n a 的n 一7 、o 6 发生烷化反应1 。而n 一酰基一n 一亚硝基化合 物( n a n c ) 不需在体内进行代谢活动，它可以直接通过水解反应生成重氮烷基氢 氧化物，与d n a 中的氧、氮原子发生共价结合，引起突变。诸多证据表明，n 一 亚硝基化合物能引起人类癌症。 1 3n 一亚硝基化合物的分类 从结构上，n 一亚硝基化合物可以分为对称性二烷基亚硝胺、不对称二烷基 第1 苹绪论 亚硝胺、具有功能团的亚硝胺、环状亚硝胺和烷基亚硝酰胺。从性质和分析观 念上，n 一亚硝基化合物被分为三大类：( 1 ) 挥发性n 一亚硝胺；( 2 ) 不挥发n - 亚硝胺；( 3 ) n - 酰基一n 一亚硝基化合物( n a n c ) 挥发性n - 亚硝胺： m em e n i 不挥发n 一亚硝胺： h v n 八尸 i 羟化n - 亚硝胺 n 一酰基一n 一亚硝基化合物( n a n c ) 且n 户 m e i o 曰 k 产 h 2 n n l h n 一亚硝基氨基酸 n 一亚硝基氨基甲酸酯( 类) n 一亚硝基脲( 取代脲类) n - 亚硝基肽 h 戡 d 卢 n 山 e 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4n 一亚硝基化合物的产生途径 自然界中存在数量巨大的、不同种类的n 一亚硝基化合物，h e l d e r 等报导了 在麦杆、面粉、消毒牛奶中存在二乙基亚硝胺，w a r m 和r o a c h 发现人迹罕至的 非洲中南部地区生长的浆果中也存在二甲基亚硝胺。此外，一些仲氮原子通过 亚硝基化反应形成n 一亚硝基化合物的数量也相当大。其前( 身) 体物如亚硝酸 盐和二级胺在自然界中普遍存在，尤以肉类、蔬菜、谷物及烟草中含量丰富， 在变质的蔬菜和食物中含量更高。亚硝酸盐是鱼类及肉类的防腐剂、着色剂和 腌制剂，二级胺是植物和动物蛋白质的中间产物，在鱼类、烟草等物中均可发 现。亚硝酸盐还可以由硝酸盐还原而来，硝酸盐在自然界、工农业生产中使用 广泛，硝酸盐的产量也相当大。实验证明，亚硝酸盐和二级胺可在人和哺乳动 物胃内酸性环境中合成亚硝胺“”，在泌尿和生殖系统中同样可以合成n 一亚硝 基化合物。 1 4 1 在亚硝酸盐水溶液中形成 在酸性水溶液中，特别是活体胃酸环境中，通过亚硝酸盐进行亚硝化反应 生成n 一亚硝基化合物。 n o ；= = * h o n o = = eh 。o + n o - x n o 44 n o + n 魄；= 2 一n ：晚+ h 2 0 il n 也* = ；en 籼 x - = c l 一、b r - 、i 一、s c n - 胃液中存在i 一，而吸烟者的唾液中含大量s c n - “”，而唾液腺会主动吸收血 循环内的外源性硝酸盐“”。n 。侥、x u o 均为强亚硝化剂，亲核体具正催化作用， 它们存在时，亚硝化反应活性增高；在无亲核体时，主要的亚硝化试剂为n 她。 第1 章绪论 1 4 2 通过n 。0 和n ：0 。气体的形成 氮氧化物是常见和重要的环境污染物，气态n 舢和n 2 0 3 在水溶液中是强亚 硝化反应物。在这种条件下，胺形成n 一亚硝基化合物仅需几分钟m 。因此，气 态n 舢和n t o ，形成n _ 亚硝基化合物的方式受到人类广泛关注。其反应机理如下： r 1 = = r 2 n - - n 卜r 2 7n & +r+ h + y = o n 0 2 ，o n o ，s c n ，i ，b r ，c 1 而n a n c 的生成是在亚硝化反应时在氧位点发生内部重排而形成，反应限速 步骤是质子的丢失“，亲核体对n a n c 的生成没有催化作用。 i 1 打一搀n 二o 1 4 3 通过烷基亚硝酸盐形成 烷基亚硝酸盐如m e o n o 和e t o n o 在酸性条件下，与二级胺发生亚硝化反应。 如果带有1 3 位分离的电子群时，其反应活性更高，在中性溶液中即可亚硝化二 级胺m 1 。 h 必= 一，= f站4 x c h ：c h ：0 n 0 + r 0 哪- x c h ：c h 2 0 h + r ：n n 0 x = e t 0 一、h 0 - 、c f 、( c h 。) 3 n + 1 4 4 在醛溶液中生成n 一亚硝胺 在化妆品生产中，经常用到二级胺和亚硝酸盐在中性和醛溶液( 如甲醛、 乙醛：苯甲醛、吡哆醛等) 中生成n 一亚硝胺的反应口0 1 。反应分二步进行，首先 是亲核体攻击亚硝酸盐，形成一个中间物，然后亚硝化生成n 亚硝胺。溴硝丙 二醇在化妆品生产中作为杀菌剂被广泛使用。同时，它作为一种强亚硝基化反 应物，在催化水解反应中释放甲醛和亚硝酸盐”“。 酽一：净 。一 f e c h z n c l 2 f e c l 2 ，这个顺序与s a t c h e l l 列出的l e w i s 酸顺序相似。同 样，p e a r s o n 把s n c h 定为强酸、把f e c l 2 定为较弱酸也从侧面说明脱亚基反应 受强l e w i s 酸影响较大。其中s n c h 反应最具代表性，而且s n c l 4 对n - 亚硝胺 ( 除p h 2 n n o ) 不发生脱亚硝基反应，见表4 一1 5 。 表4 1 4 不同l e w i s 酸与几种n a n c 得到的n o 反应( 峰商t o n a n 0 2 ) n or e s p o n s e ( p e a kh e a g h tr e l a t i v et on a n 0 9 f r o mt h ed e c o m p o s i t i o no f n a n c b yl e w i sa c i d s l e w i s 酸( 溶液) n 一亚硝基- 2 一吡咯烷酮n 亚硝基- n 乙n 一亚硝基- n 一甲基n 一正一酰基- n 一亚硝基 ( 5 0 n g n o ) 基氨基甲酸酯脲( 6 7 n g n o )醋酰胺( 3 4 n g n o ) o 5 m f e c l 3 ( a ) 5 25 8 2 9o o 5 mf e c l 3 ( b 1 7 47 92 l 0 o 5 mf e c l 3 ( c ) 8 9 9 25 3 0 o 5 mf e c l 3 ( d ) 3 94 5 5 9 88 0 5 m f e b r 3 ( c ) 8 1 9 1 5 77 o 5 ms n c h ( a 1 9 9 8 6 7 9o 0 5 ms n b r 4 ( h ) 9 75 58 3 1 8 0 5 m z n c l 2 ( b ) 2 400 0 1 5 m z n c h ( b ) 8 7 00 0 5 m z n b r 2 ( b ) 8 7 一 一一 0 5 m c o c l 2 ( b ) 1 900 0 1 ：! 坚! ! 竺! 堑2 11 11 溶剂：a ：乙酸丙酯b ：t 腈c ：i ，4 - 二曝烷d ：二甘醇二甲醚 表4 - 1 5 不同l e w i s 酸与几种n 亚硝胺得到的n o 反应( 峰高t on a n 0 2 ) n or e s p o n s e ( p e a kh e a g h tr e l a t i v et on a n 0 2 ) f r o m t h ed e c o m p o s i t i o no f n - n i t r o s a m i n eb yl e w i sa c i d s l e w i s 酸( 溶液) e h n n o ( 3 5 n g n o ) i - p r 2 n n o ( 3 5 n g n o ) n - 亚硝基毗咯烷( 3 5 n g n o ) p h 2 n n o ( 3 8 n g n 0 1 o 5 mf e c b ( 0 00 8 8 0 5 m f e c l 3 f b l 00 08 8 0 5 m f e c l 3 ( c 、0 0 08 8 5 0 第四章实验结果与讨论 溶剂：a ：乙酸丙酯b ：丁腈c ：i , 4 - 二嚼烷d ：- 甘醇二甲醚 在此基础上，选择f e c l 3 、z n c l 2 、z n b r 2 和s n c h 四种酸，进行了单独的试 验研究。分别将f e c l 3 浆溶于1 , 4 二嗯烷、丁腈和二甘醇二甲醚中进行脱亚硝基 反应。结果表明，f e c l 3 仅与n a n c 发生低n o 反应，峰宽而不稳定，受反应 条件、时间限制大，并不是n a n c 筛选的理想试剂。同样z n c l 2 和z n b r 2 实验 结果表明，与n a n c 或不发生反应、或产生低n o 反应、或存在其他问题，作 为n a n c 分析的反应试剂不理想。 1 、f e c l 3 ： ( 1 ) 以n - p r o a c 作为分析溶剂，将0 5 m f e c l 3 加入2 5 u o n g n o ) n a n 0 2 中，会产生一个尖反应峰，持续时间3 分钟；同样，当加入n 一亚硝基2 吡咯烷 ( 2 5 u 1 3 4 - - 6 7 n g n o ) 时，会产生一个宽峰，表明反应缓慢，提高反应温度时， 反应速度无明显变化。 ( 2 ) 以1 ，4 二嚼烷、丁腈和二甘醇二甲醚作分析溶剂：在1 , 4 二嗯烷、丁 腈和二甘醇二甲醚中，f e c l 3 溶解性增加，但同样的试验表明：a ；在丁腈中， 加入( 1 2 5u 1 4 0 n g n o ) n a n 0 2 会得到一个变化的反应峰，重复1 0 次进行，会出 现一个恒定峰。在加入n 亚硝基2 吡咯烷时，产生相似的情况，且峰宽达7 分 钟，而且，随着此反应的继续进行，反应液会慢慢变绿，反应峰变宽变低，表 明反应液中出现了二价铁化合物，加入f e c l 2 以提高n o 反应无效；b ：在1 、4 二嗯烷中，f e c l 3 与n a n c ( n 亚硝基一2 一吡咯烷) 会产生一个尖峰，但随着 反应时间的延长，载气入口出现晶体物而阻塞，导致实验必须终止；c ：在二甘 醇二甲醚中，做了与在n - p r o a c 中相同的实验，结果显示该组反应缓慢，反应 峰宽而低，较1 , 4 二嚼烷、丁腈和n p r o a e 均低，反应峰宽而低，而且随着反 北京工业大学工学硕士学位论文 应的进行，反应器内压力增大，出现反应液自载气入口喷出的现象，其原因可 能是： ( 1 ) 温度增高，n a n c 发生脱氨反应； ( 2 ) 温度提高，导致溶液蒸发。这些限制因素表明f e c l 3 并非理想的脱亚 基试剂。 2 、z n c l 2 和z n b r 2 ：z n c l 2 和z n b r 2 不溶于乙酸丙酯( n - p r o a e ) 和1 4 二嗯烷， 在丁腈中，两种l e w i s 溶解性高，因此未在n - p r o a c 和1 ，4 二嗯烷中进行实验 比较，仅以丁腈为分析溶剂进行了试验。 ( 1 ) z n c l 2 ：a ：将o 5 m z n c l 2 和丁腈加入反应瓶，随后加入2 5 1 1l 、9 2 n g n a n 0 2 ，会产生一个持续3 分钟的尖峰，与溴化氢乙酸( h b r a e o h ) 分析n a y 0 2 时产生的反应峰相似；同样的实验，z n c l 2 与二乙基亚硝胺、二丙基亚硝胺和 n 亚硝基吡咯烷不发生反应。b ：向0 5 m z n c l 2 丁腈反应瓶中注入n 亚硝基2 吡咯烷酮，仅产生相当于n a n 0 2 2 4 的n o 反应，而且峰较宽。将z n c l 2 浓度 提高到1 5 m ，进行相同的实验，则产生相当于n a n 0 2 8 7 的n o 反应，提示 该脱亚硝基反应依赖于n a n 0 2 浓度，继续均匀加入氯离( 3 91 4 ml i c i ) 进反应 瓶，反应峰无明显变化。c ：向0 5 m z n c l 2 丁腈中注入n - 亚硝基- n 乙基氨基甲 酸酯、n 亚硝基n 甲基脲、n 正酰基n 亚硝基醋酰胺观察不到n o 反应。 实验表明：z n c l 2 作用于一些n a n c ( 如n 亚硝基- n 乙基脲、n - 亚硝基- n 一 甲脲) ，观察不到n o 反应；对一些n a n c ( 如n 一亚硝基一2 一吡咯烷酮) 则表现 低反应性。 ( 2 ) z n b r 2 ：同样，向0 5 m z n b & 丁腈反应瓶中加入丙基亚硝胺和n 一亚硝 基一2 吡咯烷，丙基亚硝胺产生相当于n a n 0 2 6 0 的n o 反应，n - 亚硝基2 - 吡咯 烷产生8 7 的反应，继续观察两组反应，发现在1 小时后，n o 反应均消失。 实验表明：z n b r 2 对大多n a n c 表现低反应性，对一些n - 亚硝胺同样产生脱亚 硝基反应。 4 2 2s n c l 4 与n a n c 反应的进一步分析 第四章实验结果与讨论 1 、s n c l 4 在1 , 4 二嗯烷和丁腈( n p 吒n ) 中会迅速生成白色晶体，向此反 应瓶中注入2 5 i l l 、9 2 n g 的n a n 0 2 会发生缓慢n o 释放，因此，不在继续进 行。 2 、s n c h 在乙酸丙酯( n = f r o a c ) d p 完全溶解，对n a n 0 2 和几种n a n c