Бром - биологическое значение и применение

Биологическая роль и токсичность соединений брома.

Многие аспекты биологической роли брома в настоящее время еще не выяснены. В организме человека бром участвует в регуляции деятельности щитовидной железы, так как является конкурентным ингибитором иода. Некоторые исследователи полагают, что соединения брома участвуют в деятельности эозинофилов - клеток иммунной системы. Пероксидаза эозинофилов окисляет бромид-ионы до бромноватистой кислоты, которая помогает разрушать чужеродные клетки, в том числе и раковые. Недостаток брома в пище приводит к бессоннице, замедлению роста и уменьшению числа эритроцитов в крови. Ежедневное поступление брома в организм человека с пищей составляет 2-6 мг. Особенно богаты бромом рыба, злаки и орехи.

Элементный бром ядовит. Жидкий бром вызывает трудно заживающие ожоги, при попадании на кожу его нужно смыть большим количеством воды или раствора соды. Пары брома в концентрации 1 мг/м3 вызывают раздражение слизистых оболочек, кашель, головокружение и головную боль, а в более высокой (>60 мг/м3) - удушье и смерть. При отравлении парами брома рекомендуется вдыхать аммиак. Токсичность соединений брома менее велика, тем не менее, при длительном употреблении бромсодержащих препаратов может развиться хроническое отравление - бромизм. Его симптомы - общая вялость, появление сыпи на коже, апатия, сонливость. Бромид-ионы, поступая в организм в течение длительного времени, препятствуют накоплению иода в щитовидной железе, угнетая ее деятельность. Для ускорения выведения брома из организма назначают диету с большим содержанием соли и обильное питье.

Применение брома и его соединений

Первым известным применением соединений брома было производство пурпурного красителя. Его добывали еще во втором тысячелетии до нашей эры из моллюсков вида «мурекс», накапливающих бром из морской воды. Процесс извлечения красителя был очень трудоемок (из 8000 моллюсков можно получить всего 1 грамм пурпура) и позволить себе носить окрашенную им одежду могли только очень богатые люди. В древнем Риме носить ее могли только представители высшей власти, поэтому он получил название «королевский пурпур». Структуру действующего начала этого красителя установили только во второй половине 19 в., им оказалось соединение брома - 6,6» - диброминдиго. Бромпроизводные индиго, синтезируемые искусственно, используются для окрашивания тканей (в основном, хлопковых) и сейчас.

В 19 в. главными областями использования соединений брома были фотография и медицина.

Бромид серебра AgBr стал применяться как светочувствительный материал около 1840. Современные фотоматериалы на основе AgBr позволяют делать снимки с выдержкой 10-7 секунды. Для изготовления фотопленки на основе бромида серебра, эта соль синтезируется в водном растворе желатина, при этом выпавшие кристаллики AgBr равномерно распределяются по всему объему раствора. После застывания желатина образуется тонкодисперсная суспензия, которую тонким слоем (толщиной от 2 до 20 мкм) равномерно наносят на поверхность носителя - прозрачной пленки, изготовленной из ацетата целлюлозы. В каждом квадратном сантиметре полученного слоя содержится несколько сот миллионов зерен бромида серебра, окруженных желатиновой пленкой. При попадании света на такую фотопленку происходит фотолитическое разложение AgBr:

AgBr + hv = Ag + Br

Протеканию в фотоэмульсии обратного процесса - окисления серебра бромом, препятствует желатина. Фотолиз приводит к образованию в микрокристаллах AgBr групп атомов серебра с размерами 10-7-10-8 см, так называемых центров скрытого изображения. Для получения видимого изображения бромид серебра на засвеченных участках восстанавливают до металлического серебра. Центры скрытого изображения катализируют (ускоряют) реакцию восстановления и позволяют провести ее, практически не затронув неосвещенных кристалликов AgBr. После растворения оставшегося бромида серебра на фотопленке получается черно-белое изображение (негатив), устойчивое к действию света. Для создания позитивного изображения нужно повторить процесс, освещая (обычно) фотобумагу через пленку, на которой с негативным изображением.

Соли брома оказались очень эффективными лекарственными средствами для лечения многих нервных болезней. Знаменитый русский физиолог И.П. Павлов сказал: «Человечество должно быть счастливо тем, что располагает таким драгоценным для нервной системы препаратом, как бром». Использование KBr в медицине в качестве седативного (успокоительного) и противосудорожного средства при лечении эпилепсии началось в 1857. В то время водные растворы бромида калия и натрия были известны под общим названием «бром». В течение долгого времени механизм действия препаратов брома оставался неизвестным, считалось, что бромиды уменьшают возбудимость, действуя аналогично снотворным. Лишь в 1910 один из учеников Павлова П.М. Никифоровский экспериментально показал, что бромиды усиливают процессы торможения в центральной нервной системе. Сейчас бромиды натрия и калия практически вышли из употребления при лечении нервных заболеваний. Они были вытеснены более эффективными броморганическими препаратами.

В начале 20 в. открылась новая область применения брома. С распространением автомобилей появилась нужда в больших количествах дешевого бензина, вместе с тем существующая в то время нефтяная промышленность не могла производить требуемые объемы высокооктанового горючего. Для улучшения качества топлива - уменьшения его способности к детонации в двигателе - в 1921 американский инженер Томас Мидгли (Thomas Midgley) предложил вводить в бензин дополнительный компонент - тетраэтилсвинец (Pb(C2H5) 4, ТЭС). Эта добавка оказалась очень эффективной, но при ее использовании возникла новая проблема - отложения свинца в двигателях. Чтобы избежать их образования, ТЭС растворяют в бромуглеводородах - 1,2 - дибромэтане (BrCH2CH2Br) и этилбромиде (C2H5Br), полученная смесь получила название «этиловая жидкость» (см. ОКТАНОВОЕ ЧИСЛО). Механизм ее действия заключается в том, что при совместном сгорании бромуглеводородов и ТЭС образуются летучие бромиды свинца, которые выносятся из двигателя вместе с выхлопными газами. В середине прошлого века на производство этиловой жидкости расходовалась большая часть производимого брома - 75% в 1963. Сейчас использование этиловой жидкости не соответствует современным требованиям экологической безопасности и ее мировое производство сокращается: в России, например, доля этилированного (содержащего этиловую жидкость) бензина в общем объеме автомобильного топлива составляла в 1995 более 50%, а в 2002 - 0,4%. В России использование ТЭС запрещено с 2003, а в некоторых регионах - еще раньше (в Москве - с 1993).

Теперь основной областью использования брома является производство антипиренов (от 40% мирового потребления брома). Антипирены - вещества, защищающие материалы органического происхождения от воспламенения. Их используют для пропитки тканей, изделий из древесины и пластмасс, производства негорючих красок. В качестве антипиренов применяются, в основном, ароматические бромпроизводные: дибромстирол, тетрабромфталевый ангидрид, декабромдифенилоксид, 2,4,6 - трибромфенол и другие. Бромхлорметан используется в качестве наполнителя огнетушителей, предназначенных для тушения электропроводки.

Значительная часть брома (в США - 24%) в форме бромидов кальция, натрия и цинка расходуется для изготовления буровых растворов, которые закачивают в скважины для увеличения объема добытой нефти.

До 12% брома идет на синтез пестицидов и инсектицидов, используемых в сельском хозяйстве и для защиты деревянных изделий (метилбромид).

Элементный бром и его соединения применяются в процессах водоочистки и водоподготовки. Бром иногда используют для мягкой дезинфекции воды в бассейнах при повышенной чувствительности к хлору. На эти цели расходуется 7% производимого брома.

Около 17% брома расходуется на производство фотографических материалов, фармацевтических препаратов и высококачественной резины (бромбутилкаучука).

Органические соединения брома применяют для ингаляционного наркоза (галотан - 1,1,1 - трифтор_2_хлор_2_бромэтан, CF3CHBrCl), в качестве обезболивающих, успокоительных, антигистаминных и антибактериальных препаратов, при лечении язвенных болезней, эпилепсии, сердечно-сосудистых заболеваний. Изотоп брома с атомной массой 82 находит применение в медицине при лечении опухолей и при изучении поведения бромсодержащих препаратов в организме.