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2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺
化合物 来自维基百科，自由的百科全书
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2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺，簡稱DBNPA，是一種溴化乙酰胺，是一種速效殺生物劑。在常溫下它是一種白色的固體，稍微有消毒劑的氣味，一般以粉末狀出售。在酸性和鹼性條件下都容易水解。它因在水中不穩定而受到青睞，因為它會迅速殺死細菌，然後根據條件迅速降解形成多種產物，包括氨、溴離子、二溴乙腈和二溴乙酸[2]。該化合物的作用類似於典型的鹵素殺菌劑。
該化合物用於各種應用。它常被在工業水處理系統中作為殺藻劑、殺菌劑和殺真菌劑。在造紙作為紙張塗層和泥漿中的防腐劑。在粘膠、塗蓋、高級油回收系統和金屬加工中也作為防腐劑.[3]。它還用作造紙機上的黏液控制劑，以及水力壓裂井和冷卻水中的殺菌劑。[2]
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歷史
博爾恩哈得·康拉德·黑斯在1896年最早合成2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺是[3]。一直到1947年才開始有人使用2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺為種子和植物防腐[4]。但是當時人們還沒有意識到它作為殺菌劑的功能。
1970年代早期2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺在工業設施控制微生物污染的作用開始獲得重視。在造紙業、冷水處理和其它容易受生物腐化干擾的工業里它獲得大量使用[5]。根據其抗生作用1972年美國正式把它列為農藥。
近年來除作為抗生劑還有研究探討2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺的其它用途。比如有研究是否可以用它在乙醇發酵過程中最為抗生素的取代品.[6]。今天2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺常在工業過程和生產過程中被用作快速抗生素來消滅微生物污染。由於它在水裡快速分解因此假如需要快速分解的有效微生物控制劑的時候往往會使用2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺[6]。今天依然在研究它在不同工業的效率和安全性。
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解構和反應性
2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺是一種鹵化氰基乙酰胺化合物，它的特點是在碳骨幹的2,2位置上有兩個溴原子。在它的三碳鏈上附有一個氰基（-CN）和一個酰胺組（-CONH₂）。它的分子式是C
3H
2Br
2N
2O，分子量是每摩爾241.87克.[7]。
2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺的兩個吸附電子的溴原子和中間的碳上的氰基使得它非常活躍。這些基組成一個非常缺乏電子的核心，使得它非常容易被親核性攻擊破壞。氰基穩定電子的缺乏，更加加強了整個分子的反應率，而酰胺基（−CONH₂）則影響其融水性。2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺溴原子邊缺乏電子的碳是其抗生效應的關鍵，導致它能夠破壞微生物的細胞功能[8]。
作為一種非常容易反應的分子，由於它的碳溴鏈比較弱它非常容易在中性和鹼性的溶液里水解[9]。在還原環境中它會逐漸喪失其溴原子而瓦解。此外2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺對紫外線非常敏感，紫外線會加速它在水裡的分解[6]。
由於它易反應因此在產品中它必須被穩定來防止它在應用前就已經分解。由於2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺在水和光的作用下快速分解，因此對它的長期環境污染的顧慮比較小，但是對它的分解物如的毒性的顧慮比較大[10]。
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合成
合成2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺的過程叫做3-氰基乙酰胺的酸催化溴化[3]。聚乙二醇可以穩定地溶解反應物和反應產品，因此一般被用作溶液[11]。
反應的第二步是溴化，通過加溴（Br₂）或者另一種溴鹽比如溴化鈉（NaBr）和一種氧化劑來開始這一步。3-氰基乙酰胺的α-碳通過親電子溴化獲得2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺（C₃H₂Br₂N₂O）。反應的溶液被中立化，然後成品被提取和純化。下一步是乾燥，獲得穩定晶體的2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺。一般反應溫度在攝氏10到20度之間來減少不希望的副反應。溴的濃度需要密切控制，因為濃度太高會導致不希望的副產品，由此降低總產量[12]。
儲藏條件對2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺的穩定度有重要作用。由於它與金屬反應因此它不能被存放在金屬容器內[13]。它也必須儲存在沒有紫外線的地方，因為紫外線會導致它的分解[9]。
反應
2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺的分解主要有兩個反應過程：由酸鹼度決定的水解和光催化導致的親核還原[9]。吸引電子的溴和剝奪電子的氰基主要決定2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺的反應。一系列係數，包括溫度、pH值、曝光和還原劑，對它的分解速度和過程有重要影響。分解過程中會產生不同有機和無機化合物，它們會影響2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺的毒性和抗生效應[14]。
在水環境裡根據酸鹼度的情況2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺可以很快水解成不同的分解產物。在鹼環境下由於親核取代碳和溴的鍵很快分解成小的有機和無機化合物[9]。在酸環境下水解的速度比較低因此它可以比較長時間地保存。
酸鹼度對2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺的水解影響非常大。在pH值等於5的環境中最主要的分解產物是二溴乙酸，30.6%的分解產物是它。pH值提高的話分解的機制產生變化，在pH值達到7的時候二溴乙腈（54.5%）是主要產物，pH值繼續提高到9時二溴乙腈依然是主要產物，但是其百分比降低到38.6%。在中性或弱鹼性的環境下它繼續分解為氨、二氧化碳、溴離子和氰乙酸[10]。
2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺親電子的溴原子使得它與親核劑反應[15]。其中最重要的反應之一是形成含硫醇基團的硫醚衍生物（R-SH）。
R-SH+DBNPA→R-S-CH2C(Br)(NO2)NH2
類似的，2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺會和胺（R-NH₂）反應形成代胺複合物。
R-NH2+DBNPA→R-NH-C(Br)(NO2)NH2
在鹼環境裡2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺與氫氧離子產生親核反應，這是水解的開始。這個反應使得2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺被分解成小的分解產物，因此減少它對環境的長期影響[9]。
DBNPA+OH−→水解產物
在有還原劑的環境下2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺逐步去溴，導致少溴的或者完全去鹵化的化合物。
DBNPA + 還原劑 → 單溴或去溴產物
此外2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺容易被光分解，尤其在紫外線下它分解很快。光分解的產物是去溴和不那麼活躍的過度複合物，它們在水環境下會繼續分解[6]。
式樣
根據其工業用途在市場上2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺有不同形式出售。純的2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺是固態晶體，它的熔點在攝氏123至126度之間。在水裡它的溶解度不高（在25攝氏度每100克水裡可以溶化1.5克），但是在一些有機溶液如丙酮和乙醇里它的溶解度很高[7]。在實際應用中2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺最常見的是以20%的濃度溶解在水和聚乙二醇中，聚乙二醇可以提高它在水裡的穩定度[11]。固體狀態的2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺也有出售，但是一般被用作運輸和儲存。一般它被裝在25千克的袋子裡儲存在集裝箱內來防止儲存時潮濕入侵[16]。
作用機制
2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺中度親電子[11]。它作用廣泛，可以非氧化地快速破壞微生物如細菌、真菌和藻類的重要細胞功能，由此導致細胞死亡[8]。它作用的主要機制是穿透細胞膜，攻擊親核位置，並依靠溴與細胞內新城代謝關鍵的蛋白質里含硫的部分反應[17]。進入細胞後2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺與這些含硫的基反應，形成共價鍵，使得這些酶失效[8]。這個破壞是不可逆的，它終止能量生產，在5到10分鐘內導致細胞死亡[11][16]。2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺在水系統裡不斷攻擊微生物細胞，可以快速防止微生物聚集水腐化[11]。
2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺非氧化的機制使得它與漂白劑之類的氧化劑非常不同，氧化劑廣泛地氧化各種細胞組成部分，而2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺則只攻擊有特定的蛋白質組，使得它尤其對革蘭氏陰性細菌和真菌等特別有效[17]。比如在水降溫系統裡2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺可以在10分鐘內降低99.9%的革蘭氏陰性細菌嗜肺軍團菌，將其數量降低到每立升5毫克以下[18]。
也許2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺的氰基會和蛋白質和氨基酸上的親核基如氨基反應，不過這個機制至今為止沒有廣泛被研究，因此它的效應不明[17]。
與其它類似抗生劑如異噻唑啉酮不同的是2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺生效的時間非常短，其原因是因為它在水環境裡不穩定，會在數小時內瓦解[11]。這個不穩定使得微生物一開始會遭遇高濃度的襲擊，但是它們產生免疫效應的可能性卻非常小，因為倖存下來的微生物在長期里不會遭遇致命濃度的襲擊[16]。這同時也說明2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺只適用於短期微生物控制，長期的保存不適用，因此它的使用範圍與更加穩定的抗生劑不同[19]。
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應用和測量
2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺在不同工業使用中被用作消毒劑、殺菌劑、除藻劑、消濃劑和防霉劑。在油田注水系統和循環水冷卻系統裡它常被用來控制細菌、藻類和霉的生長。在造紙業中2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺被用作去霉劑、殺菌劑和除藻劑，來保持機器無菌和保持產品質量。此外它還用來防止塗色、蠟、墨、清潔劑、表面活性劑、漿料和樹脂的微生物腐蝕。在公共水域裡2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺被用作抗真菌和抗藻劑來保障水域的安全和清晰。在機械生產領域它被用作水和空氣清潔系統中的抗生劑[7][16]。在水中清除霉的時候使用的濃度為每立升30到50毫克。在水處理過程中被用作抗菌劑時的濃度為每升10到20毫克[7]。
配置紫外線探頭的高效液體光譜儀可以在工業和環境水樣品中通過測了在230納米的吸收非常敏感地探測到2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺的存在，其精確度達到每升0.1毫克。氣相色譜-質譜法也可以確認和定量環境樣本中的2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺及其分解物（下限為每升0.05毫克）[6]。
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效果和副作用
2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺被用在冷卻水和造紙業中控制細菌的繁殖[20][21][22]。在這些應用中2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺可以立即殺菌，並此後很快分解成相對而言無毒的分解物[14][15]。在乙醇工業這個應用可能也有用[6][23]。
在糧食發酵為酒精生產生物燃料的過程中很早就有人使用2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺來對付細菌，原因是它很快就分解[15][14]。在生產乙醇的過程中它可以防止細菌繁殖，節省原材料的投資，保護產品不被感染，也有人認為使用它可以防止細菌產生抗抗菌素的能力[6]。
接觸2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺會導致嚴重健康問題如急性中毒、皮膚和眼睛發炎以及呼吸問題。在生產、卸貨、儲存和準備地區有職業性接觸2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺的危險，在取樣和設備維護過程中也可能接觸，因為2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺有可能被添加在其它產品中。封閉的生產過程和經過訓練的工人大大降低接觸的可能性。向設施內吹的氣流可以防止2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺在空氣中的濃度高於限制值。此外朗盛建議在使用2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺時使用有邊防的眼鏡、耐化學物質的手套和防化學物質的工作服以及適當保護的工作鞋。吸入或者食入2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺對人體健康的危害非常大。長時間暴露會導致嚴重鼻、喉和肺發炎。2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺塵灰會導致皮膚、眼睛和呼吸系統發炎，會導致眼睛嚴重發炎，甚至會導致不可逆的角膜損害。皮膚接觸會導致過敏性皮膚反應。過度暴露在2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺會加強已有的皮膚病。根據動物實驗數據2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺的長期健康影響包括器官損傷。重複或長期暴露在2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺塵土中會導致慢性呼吸道病。皮膚對2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺過敏後下一次即使暴露在非常低的濃度下依然可能產生過敏[24]。
毒性
在穩定和一般使用情況下2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺顯示出一系列的毒性如口服毒性、皮膚接觸毒性和呼吸毒性。酸、氧化劑、鹼都不應該與強胺接觸。對鋼、鐵和鋁2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺有腐蝕作用。在使用2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺時要避免產生塵灰，並需要注意採取避免電弧的措施。避免熱、明火和其它可能導致燃燒的因素[24]。2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺對眼睛有腐蝕作用。口服或吸入的毒性中度，皮膚接觸的毒性輕。高濃度和長時間與2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺接觸會殺死兔皮膚組織。2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺也會導致皮膚過敏。在一次使用鼠的毒性研究中2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺導致肺或心疾病引起的呼吸困難和體重降低，在高濃度情況下死亡。在另一次使用鼠皮膚的研究中高濃度2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺導致身體化學變化和皮膚過敏。在兔體內2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺是發展毒劑。在對母體無毒的劑量下它已經導致胚胎的解構變化。2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺不導致基因變異。美國環保局獲得數次2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺濺溢或濫用導致的眼、喉和呼吸道發炎、流鼻涕和頭痛的事故[25]。
| 實驗（動物） | 結果 | 毒性等級 |
| 81-1口服毒性（鼠） | 致命劑量50 - 235微克/千克（雄性）；178微克/千克（雌性） | 2 |
| 81-2皮膚毒性（兔） | 致命劑量50 - >2克/千克 | 3 |
| 81-3呼吸毒性（鼠） | 致命劑量50 - 0.32毫克/升 | 2 |
| 81-4眼刺激（兔） | 腐蝕 | 1 |
| 81-5皮膚刺激（兔） | 中等發炎 | 3 |
| 81-6皮膚過敏（豚鼠） | 導致皮膚過敏 | 無 |
對動物的作用
2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺入侵自然水環境對野生動物有嚴重毒害。有觀測證明成年和幼年斑馬魚暴露在不同濃度的2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺後會導致巨大形態變化和高的死亡率。即使在濃度相對低的情況下它可以對斑馬魚的胚胎造成巨大破壞，高濃度會使得成魚和幼魚快速死亡[26]。吸入2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺對哺乳動物和鳥類有很高的毒性，對鳥類來說食用的毒性低。對淡水魚、河口魚和蝦它的毒性中等，對淡水甲殼類動物它的毒性中等到高，對河口的貝殼和幼魚它的毒性高到非常高。對水生生物的影響往往在被暴露24小時內就產生[10]。
肉里剩餘的抗菌素會延遲肉的腐爛、提高感染的可能性並使得細菌在醫學治療時容易產生對抗菌素的抵抗能力[27]。顯然在乙醇過程結束時的低抗菌素濃度會大幅度提高抗菌素抗藥性[28][29][30]。在乙醇生產過程中使用2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺取代抗菌素控制微生物可以避免這些問題。2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺在過程結束前就已經分解，因此不會含在餵給牲畜吃的酒糟飼料里，這給予它非常大的優點[6]。這說明使用2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺不必考慮美國食品藥品監督管理局對產生細菌抗生素抗藥性的顧慮，使得它稱為一個有效的抗生素取代物[31]。因為2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺很快分解因此它可以被使用在農業的飼料里來控制牛、豬和家禽飼料里細菌的繁殖，這樣就不再需要使用抗菌素了。
環境影響
和藥物在生物體內一樣2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺被化學分解，而不是被生物分解。生物和非生物過程均能導致2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺在水和土壤里分解[10]。在pH值為4.8到7.5的土壤內它的半衰期為4到25小時[9]。在有日光的地方2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺容易光分解，在潮濕的土壤里容易水分解[10]。
估計2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺不會被沉澱土壤或者懸浮在水中的固體吸附。在水裡在pH值是5的情況下，主要的分解物是二溴乙酸，在pH值為7和9之間是主要分解物是二溴乙腈[10]。其它分解物包括溴乙酰胺、溴乙酸和草酸。它的半衰期約為4小時[10]。2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺也容易被光分解2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺。
氣態的2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺在空氣里被光化學作用分解成為羥基自由基，這個過程的半衰期為約8天[10]。在空氣中2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺也容易直接被光分解[9]。
參考資料
Wikiwand - on
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