Энтальпия химических соединений как критерий оценки токсичности химических веществ и их гигиенического нормирования

№ 2 (22), 2Q12

Медицинские науки. Организация здравоохранения

УДК 613.63

В. Ф. Трушков, К. А. Перминов, В. В. Сапожникова, О. Л. Игнатова, В. Н. Шевнин

ЭНТАЛЬПИЯ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ КАК КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И ИХ ГИГИЕНИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ

Аннотация. Приводятся данные определения токсичности, гигиенического регламентирования химических веществ. Выполнены токсикологические исследования в условиях острого и хронического эксперимента. Установлена связь энтальпии и токсичности химических соединений. При выполнении исследований определена связь термодинамических свойств и параметров токсичности химических веществ. Полученные данные использованы для оценки токсичности и гигиенического нормирования химических соединений.

Ключевые слова: воздействие, токсичность, опасность, регламент, норма.

Abstract. The article adduces the data on determing toxicity, regulation of chemical substances. The authors have carried out toxicological investigations in conditions of acute and chronic experiment and revealed a connection of enthalpy and toxicity of chemical combinations. The connection of thermodynamic properties and parameters of toxicity of chemical substances is determined. Obtained data are used for the evaluation of toxicity and hygienic rate setting of chemical combinations.

Key words: influence, toxicity, danger, regulations, norm.

Введение

В настоящее время в ряде исследований отмечена зависимость биологической активности химических соединений от строения и состава их молекул, наличия и вида заместителей, типа и кратности химической связи. Представлен расчетный способ установления предельно допустимых концентраций органических веществ в воздухе рабочей зоны [1]. Изложены методические подходы определения некоторых параметров токсикометрии расчетным путем [2]. Излагаются расчетные методы определения ориентировочных гигиенических нормативов в объектах окружающей среды [3, 4]. Проведен учет ряда физико-химических свойств в характеристике токсичности углеводородов [5]. Имеется ряд работ, характеризующих экспрессное определение токсичности и гигиенических нормативов химических веществ на основе термодинамических свойств [6]. В настоящей работе на основе анализа результатов среднесмертельных доз (ЛД50) и сопоставления их с данными энтальпии делается вывод о возможности корреляции между биологической активностью веществ и их термодинамическими характеристиками. При этом данные токсикологических исследований на животных, пороги острого действия, показатели термодинамических свойств веществ, материалы исследований у работающих в условиях производства положены в основу единого гигиенического нормирования химических соединений при комбинированном, комплексном, сочетанном воздействии на организм.

Целью настоящей работы явилось определение взаимосвязи энтальпии и среднесмертельной токсичности химических соединений для последующего гигиенического нормирования.

1. Материалы и методы исследования

В проводимой работе для использования взаимосвязи токсичности веществ и термодинамических свойств (энтальпии) использовался метод токсикологических поправок, основанный на следующих принципах:

- наличие исходных веществ в гомологических рядах соединений;

- введение поправок на замещение атомов водорода группами - СН3 с учетом типовых чисел атомов углерода;

- введение поправок на двойные и тройные связи;

- введение поправок на группы-заместители.

Величины соответствующих поправок были определены на основе анализа данных по среднесмертельным дозам соответствующих химических соединений с последующим учетом ЛД50 с величиной термодинамической поправки. В качестве эталона термодинамической поправки берутся величины поправок энтальпии (АН), так как эти величины наиболее полно согласуются

с ЛД50.

2. Результаты исследования и их обсуждение

На первом этапе исследований определены значения показателей энтальпии и среднесмертельной токсичности исходных веществ в гомологических рядах (табл. 1).

Таблица 1

Свойства исходных веществ в гомологических рядах

Вещество АН, ккал  моль ЛД50, г/кг

Метан -17,9 0,80*

Бензол 19,8 5,60

Нафталин 36,3 0,490

Метиламин -6,7 0,10

Диметиламин -6,6 0,316

Триметиламин -10,9 0,500

Диметиловый эфир -46,0 2,76

Формамид -49,5 3,10

Примечание. * - экстраполированное значение.

В последующем определены зависимости среднесмертельных доз и показателей энтальпии в следующих группах веществ (табл. 2-5).

Определена связь среднесмертельной токсичности при поступлении веществ пероральным путем: ЛД50 = а(АН)2 + 6 АН + с.

Значение коэффициентов а, Ь, с:

Зависимости а Ь с

1 6,8683  10-5 4,4738  10-3 4,8705  10-1

2 2,0990  10-4 2,5188  10-2 1,7432

3 2,9783  10-4 3,5364  10-2 4,7830

4 7,3880  10-5 -3,5335  10-3 8,7014

119

Особо ядовитые вещества (зависимость Ції

о

Название Энтальпия ДН, ккал  моль ДД50, г/кг Название Энтальпия ДН, ккал  моль -ІД'.:- г кг

4,4 - диаминодифещш оксид +30,8 0,69 Бутиламин -22,8 0,44

Дихлордифенилтрихлорэтан +26,4 0,20 М-крезод -23,9 0,27

Д.Л -диметиланил 419,4 ол о; 3,4-ксиленол -23;9 0,445

2-амино-1,3,5 -триметилбензол *4,5 0,59 3,5-ксиленол -23,9 0,477

Нитробензол +16,Ж 0,60 Нитроэтан -24,1 0,86

Этилендиамин +6,12 0,448 Триэтиламин -25,4 0,545

Диметилбензиламин '#4,72 0,50 П-крезол -25,4 ІЙЙ5

Диметиламин -6,6: 0,316 Т ринитрометан -28,3 0,50

Метиламин 6.7 0,10 Дипропиламин -28,5 0,46

П-фенетидин-солянокислый -10,3 1,18 2-нигропронан -30,7 0,80

П-аминофенетол -1© 0,54 Диизопропнламин -31,7 0,50

БисхлорметилксйДол -10,8 0,67 Аминная сол, /і.ихлорфеноксиуксуснбй кислоты -32,7 0,30

Триметиламин -10,9 0,50 Т етранитрометан -34,5 0,30

Фенол -17,4 0,43 Г ексахлорацетон -34,9 0,240

Пропиламин -17,6 0,58 Орто-крезол -38,7 0,436

2,4-ксиленол -38,7 ©02 2,6-ксщгенол -38,7 0,471

Трипропиламин 41.0 0,740 2.5-кси.течо.т -38,7 0,383

ДиметилзтилвйШіїїЩилкарбіІйол -44,8 0,59 Д йніїтрй-фтор-бутіше нфенол -60,4 0,016

Метанол -52,8 0,50 Пирокатехин -71,4 1,10

4,6-дішитріо-2-изопропилфеноЛ -55,4 0,45 Кротипин -85,4 0,49

Резорцин -56,6 0,57 Фталевый альдегид -177,1 1,50

Диэтиламин -18,1 0,648 4-хпор-2-бутинип-Аг-4-§§§1§рфенил- карбамат -12,5 0,630

«V

О/

к

й

а;

о

К

а;

'3

?

а

а;

й

00

1 2 со

^3

а

05

О

о

ьй

а

=с

то

=с

120

Таблица 3

Сильноядовитые вещества

Название Энтальпии. ДН, ккал  моль ДЦ50 г/кг Название Энтальпия АН, ккал  моль ЛД50 г/кг

Дифениламин +57,0 3,20 Метилметакрилат -52,3 1,00

3-метил нафталин 431,6 1.63 Бйдрохинон -58,1 1,05

Ь-метилнафталин +31,8 1,84 Пропанол ,-63,5 2,26

А^-дезил- Аг-циклогексилацетамид +14,7 Ибо Бутанол -67,7 1,0

П- аминоацетофенол +9,60 2,60 Изобутанол -68,6 1,0

Стирол +4,20 1,85 Этипацетамид 6*. 7 1,65

Изопропипбензол (кумол) +3,40 1,40 Пенганол -72,9 1,0

Ацетофенон -9,8 1,25 Изоамиловый спирт -74,5 3,0

Бешшметакргшат -20,7 2,70 Винилаадетат -75,0 1,6(3

Бензиловый спирт -23,5 3,10 Диэтилацетамид -79,0 1,65

Изопропила минодифениламин +30,0 1,82 Метилацетат -100,1 2,9

Фенипэтиловый. спирт -30,0 1,50 Линурой -100,6 2,4

Солан -31,2 1,80 Изопропил-З-хлорфенил-карбамат -103,6 3,10

Сантофлекс -32,0 1,70 Этипацетат -105,1 20

Дц-тнпо. |уам)м -орто -пара -мета Люмета крилоилизатин -34,5 -39,6 -55,1 -37,5 1,21 2,3 2,0 2,70 Октиловый эфир 2,4-дихлорфенокси- УКСуСНОЯ КИСЛО 1 1.1 -130Д 1,64

Дифешшолпропан -47,7 м Ацилат -108,5 2,08

Формамвд -49,5 3,10 Диэтил карбонат -109,6: 1,51

Дибутил фталат -170,4 5,28 Терефталевая кислот а -166,7 1,46

Диэтиловый эфир иерфторглутаровой кислоты НЙЙЦ? 4,20

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Среднеядовитые вещества

Название Энтальпия АП ккал  моль ЛД501- кт Название Энтальпия Д11 ккал  моль ЛД50 г/кг

Бензол +19,8 5,60 Толуол +15,3 7,0

Бензофенол -42,1 8,6 Ацетон -44,4 3,80

Нафтойная кислота -51,2 4,7 Диэтанолдиаминоизопропанол -104,2 7,2.

Этиловый эфир бензоил уксусной кислоты -83,5 6,8 Фениламиноэтиловый эфир метакриловей кислоты -101,4 5,66

Яр''!-диэтиламид- моно-П- бутиловый эфир фталевой кислоты 131.9 5.3И Карбэтоксиметтшовый эфир метакриловой кислоты -159,2 7,89

ТГМ-3 (триэтиленшикольдиметокрилат) -155,18 10,7 МГФ-1 (диметакрилат-бис-этиленгликольфталат -179,6 б,.67

Карбизопропоксиметиловый эфир метакриловой кислоты -165,8 9,0 Диметакриловыйэфир триэтиленгликоля -263,8 17,9

Диметакриловый эфир этилёншиколя -197,6 8,60 Т риэтиленгликольдиацетат -297,2 8,50

Таблица 5

Малоядовитые вещества

Название Энтальпия АН, ккал  моль ЛД50 г/кг Название Энтальпия ДН, ккал - моль ЛД50 г/кг

Фреон 114132 +Й8,3 16,0 Этриол -1ВД6 13,7

Вторичный ошмшвщй спирт -86,6 114 Бензотрифюрид (трифтортолуол) -110,8 10,0

Ь-аминоантрахиноц +11,4 Щ0© Дттхлоруксусная кислота 120.5 17,0

4,4-Диацетилдифенилоксид -44,0 йМ Дихлорангидрид дифентшокстшола 4,4-дикарбоновЩЩелоты +47,4 8,70

В исследованиях определена связь энтальпии и гигиенических нормативов - предельно допустимых концентраций веществ в воздухе рабочей зоны (ПДКРЗ), ориентировочных безопасных уровней воздействия (ОБУВ) по формуле ПДКРЗ = а(ЛН)2 + ЪАН + с, установлены значения коэффициентов

а, Ъ, с:

Зависимости а Ъ с

1 8,4775  10-6 -2,734  10-3 0,2499

2 2,2171  10-4 1,6650  10-2 1,3001

3 1,04  10-4 8,3743  10-3 10,7934

4 1,03  10-5 -2,984  10-4 16,7052

Пример расчета № 1.

Вещество - стирол. Относится ко второй группе - сильноядовитые вещества. АН = +4,10 ккал/моль. Подставляя АН в соответствующую формулу, проводится определение:

ЛД50 = 2,0990  10-4(4,10)2 + 2,5188  10-2  4,10 + 1,7432 = 1,86 г/кг.

Экспериментальные величины (для сравнения): ЛД50 = 1,85 г/кг.

Пример расчета № 2.

Анализируемое соединение - толуол. Зависимость № 3 (среднеядовитые вещества). АН = +15,30 ккал/моль.

По зависимости АН ЛД50:

ЛД50 = 2,9783  10-4  (Н)2 + 3,5364  10-2  (Н) + 4,7830 = 5,393 г/кг.

По экспериментальным данным проводимых ранее исследований (для сравнения) ЛД 50спер = 5,0-7,0 г/кг.

Пример расчета № 3.

Фенол. Относится к первой группе - особо ядовитые вещества:

АН = -17,4; ^дл = 41 °; ^ = 182 °; М = 94.

По номографической формуле с учетом данных энтальпии:

ОБУВ = 8,4775  10-6  (-17,4)2 - 2,734  10-3  (-17,4) + 0,2499 = 0,301 мг/м3.

По ранее принятым формулам математического анализа:

ПДКрз(^кип) = 0,567 мг/м3, ПДКрз(^пл) = 1,910 мг/м3.

Нормативные данные ПДКРЗ (для сравнения): 0,3 мг/м3.

Как видно, расхождение данных при использовании разработанного способа отсутствует. При применении ранее принятых формул расчета отличие результатов превышает 6,3 раза (в ходе расчетов необходимо введение дополнительных поправок).

Пример расчета № 4.

А,А-диэтиламид моно-Н-бутиловый эфир фталевой кислоты (ДЭБФК). Относится к третьей группе - среднеядовитые вещества:

АН = -131,9 ккал/моль; ^пл = 10,2 °С;

^кип = 286 °С; М = 277.

№ 2 (22), 2Q12

Медицинские науки. Организация здравоохранения

По номографической формуле с учетом данных энтальпии:

ОБУВ = 1,04  10-4  (-131,9)2 + 8,3743  10-3  (-131,9) + 10,7934 = 11,49 мг/см2.

ОБУВ, установленный экспериментальным путем для данного вещества, составляет 11,5 мг/м3. Ошибка результатов при применении разработанного метода минимальна (0,08 %).

Метод обеспечивает высокую сходимость расчетных и экспериментальных данных для сложных веществ с разветвленной структурой, большой молекулярной массой и может быть применен для определения ПДКРЗ.

Заключение

Установлена взаимосвязь показателей токсичности веществ, среднесмертельных доз и данных термодинамических свойств - энтальпии химических соединений. Показатели энтальпии химических веществ могут быть использованы для определения среднесмертельных доз веществ при перораль-ном воздействии и для последующего гигиенического регламентирования химических соединений.

Список литературы

1. Голубев, А. А. Расчетный способ установления ориентировочных ПДК органических веществ в воздухе рабочих помещений / А. А. Голубев, Е. И. Люблина // Гигиена труда и профессиональные заболевания. - 1962. - № 4. - С. 26-32.

2. Заева, Г. Н. Расчетное определение некоторых параметров токсикометрии. Гигиена и токсикология пестицидов и клиника отравлений / Г. Н. Заева // Материалы III Всесоюзной научной конференции по вопросам гигиены и токсикологии в связи с химизацией народного хозяйства. - Киев. - 1965. - С. 96-103.

3. Кротов, Ю. А. Применение расчетных методов для установления ориентировочных максимальных разовых ПДК атмосферных загрязнений / Ю. А. Кротов // Гигиена и санитария. - 1971. - № 12. - С. 8-12.

4. Кротов, Ю. А. Использование среднесмертельных концентраций вредных веществ для ориентировочного нормирования атмосферных загрязнений / Ю. А. Кротов // Здравоохранение Туркменистана. - 1972. - № 4. - С. 45-46.

5. Люблина, Е. И. О связях физико-химических свойств углеводородов с их токсичностью / Е. И. Люблина // Гигиена и санитария. - 1969. - № 7. - С. 20-25.

6. Перминов, К. А. Экспрессное определение гигиенических нормативов по данным энтальпии химических соединений / К. А. Перминов // Ежегодник медицинских инноваций: Конкурс на лучшую русскоязычную публикацию в области медицины 2008 - 2009 г. - Ганновер (Германия), 2009. - С. 138-140.

Трушков Виктор Федорович

доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой гигиены, Кировская государственная медицинская академия

Trushkov Viktor Fyodorovich Doctor of medical sciences, professor, head of sub-department of hygiene, Kirov State Medical Academy

E-mail: trushkov@kirovgma.ru

Перминов Константин Аркадьевич

старший преподаватель, кафедра гигиены, Кировская государственная медицинская академия

E-mail: perminov@kirovgma.ru

Сапожникова Вера Викторовна

клинический интерн, Кировская государственная медицинская академия

E-mail: perminov@kirovgma.ru

Игнатова Оксана Леонидовна аспирант, Кировская государственная медицинская академия

E-mail: perminov@kirovgma.ru

Шевнин Владимир Николаевич Директор, консультационнооздоровительный центр NEWAYS,

E-mail: perminov@kirovgma.ru

Perminov Konstantin Arkadyevich Senior lecturer, sub-department of hygiene, Kirov State Medical Academy

Sapozhnikova Vera Viktorovna Clinical intern, Kirov State Medical Academy

Ignatova Oksana Leonidovna Postgraduate student, Kirov State Medical Academy

Shevnin Vladimir Nikolaevich Director, Health Center “NEWAYS”

УДК 613.63

Энтальпия химических соединений как критерий оценки токсичности химических веществ и их гигиенического нормирования / В. Ф. Труш-ков, К. А. Перминов, В. В. Сапожникова, О. Л. Игнатова, В. Н. Шевнин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. - 2012. - № 2 (22). - С. 117-124.