Protoxidul de azot, denumit sistematic monoxid de diazot și cunoscut în mod obișnuit drept gaz ilariant sau, pe scurt, protoxid, este un compus chimic, mai precis un oxid al azotului, cu formula chimică . La temperatura camerei, este un gaz incolor și neinflamabil, cu miros și gust ușor dulceag. La temperaturi ridicate, protoxidul de azot este un agent oxidant puternic, asemănător oxigenului molecular.
Protoxidul de azot are importante utilizări medicale, în special în chirurgie și stomatologie, datorită proprietăților sale anestezice și analgezice, și figurează pe Lista medicamentelor esențiale a Organizației Mondiale a Sănătății. Denumirea sa colocvială, „gaz ilariant”, introdusă de Humphry Davy, descrie efectele euforice produse prin inhalare, care îl fac atractiv ca drog recreațional, provocând o scurtă stare de intoxicație cu caracter disociativ. Este cunoscut pentru efectele sale disociative. Consumul abuziv cronic poate provoca leziuni neurologice prin inactivarea vitaminei B12. Este utilizat și drept comburant în propergoli și în carburanții folosiți în automobilism, precum și ca gaz propulsor la prepararea frișcii.
Protoxidul de azot este și un poluant atmosferic, concentrația sa atmosferică ajungând în 2020 la 333 de părți per miliard (ppb) și crescând anual cu aproximativ 1 ppb. Este unul dintre principalii agenți care contribuie la distrugerea ozonului stratosferic, având un impact comparabil cu cel al clorofluorocarburilor (CFC). Aproximativ 40% din emisiile antropice provin din agricultură, deoarece compușii cu azot din îngrășămintele azotate sunt transformați în protoxid de azot de către microorganismele din sol. Fiind al treilea cel mai important gaz cu efect de seră, protoxidul de azot contribuie în mod semnificativ la încălzirea globală. Reducerea emisiilor sale reprezintă un obiectiv important al politicilor privind schimbările climatice.
Descoperirea și primele utilizări
Gazul a fost sintetizat pentru prima dată în 1772 de către filozoful englez al naturii și chimistul Joseph Priestley, care l-a numit aer nitros deflogisticat (vezi teoria flogisticului) sau aer nitros inflamabil. Priestley și-a publicat descoperirea în cartea Experiments and Observations on Different Kinds of Air (1775), în care a descris modul de obținere a preparatului numit „aer nitros diminuat”, prin încălzirea piliturii de fier umezite cu acid azotic.
upright=1.4|thumb|„Living Made Easy”: caricatură din 1830 în care Humphry Davy îi administrează unei femei o doză de gaz ilariant|left
Prima utilizare importantă a protoxidului de azot a fost posibilă datorită lui Thomas Beddoes și James Watt, care au colaborat la publicarea cărții Considerations on the Medical Use and on the Production of Factitious Airs (1794). Cartea a fost importantă din două motive. În primul rând, James Watt inventase un aparat nou pentru producerea „aerurilor artificiale” — inclusiv a protoxidului de azot —, precum și un „aparat de respirat” nou pentru inhalarea gazului. În al doilea rând, cartea prezenta și noile teorii medicale ale lui Thomas Beddoes, potrivit cărora tuberculoza și alte boli pulmonare puteau fi tratate prin inhalarea „aerurilor artificiale”.
thumb|right|Lucrarea lui Sir Humphry Davy, Researches, Chemical and Philosophical: Chiefly Concerning Nitrous Oxide (1800), paginile 556 și 557 (dreapta), în care sunt prezentate posibilele proprietăți anestezice ale protoxidului de azot pentru ameliorarea durerii în timpul intervențiilor chirurgicale
Aparatul pentru producerea „aerurilor artificiale” avea trei componente: un cuptor în care era ars materialul necesar, un vas cu apă prin care gazul produs trecea printr-o conductă spiralată, pentru îndepărtarea impurităților prin spălare, și, în cele din urmă, un recipient prevăzut cu gazometru, din care gazul produs, denumit „aer”, putea fi transferat în saci portabili confecționați din mătase uleiată și etanșă. Aparatul de respirat era alcătuit dintr-un astfel de sac portabil, conectat printr-un tub la o piesă bucală. Proiectarea și fabricarea acestui echipament nou până în 1794 au pregătit terenul pentru studii clinice, care au început în 1798, când Thomas Beddoes a înființat „Institutul Pneumatic pentru ameliorarea bolilor cu ajutorul aerurilor medicinale” la Hotwells (Bristol). În subsolul clădirii, o instalație de mari dimensiuni producea gazele sub supravegherea tânărului Humphry Davy, care era încurajat să experimenteze cu gaze noi pe care pacienții să le inhaleze. Prima lucrare importantă a lui Davy a constat în studierea protoxidului de azot și publicarea rezultatelor sale în cartea Researches, Chemical and Philosophical (1800). În această lucrare, Davy menționează efectul analgezic al protoxidului de azot la pagina 465 și posibilitatea utilizării sale în intervenții chirurgicale la pagina 556. Davy a introdus denumirea de „gaz ilariant” pentru protoxidul de azot.
În pofida descoperirii lui Davy că inhalarea protoxidului de azot putea ameliora durerea unei persoane conștiente, au mai trecut 44 de ani înainte ca medicii să încerce să-l folosească pentru anestezie. Utilizarea protoxidului de azot ca drog recreațional la „petrecerile cu gaz ilariant”, organizate în principal pentru clasa superioară britanică, a avut un succes imediat începând din 1799. Deși efectele gazului îi fac în general pe consumatori să pară apatici, visători și sedați, unii dintre ei sunt cuprinși de chicoteli într-o stare de euforie și izbucnesc frecvent în râs.
Unul dintre primii producători comerciali din Statele Unite a fost George Poe, vărul poetului Edgar Allan Poe, care a fost și primul ce a lichefiat gazul.
Protoxidul de azot a fost folosit pentru prima dată ca medicament anestezic în tratarea unui pacient atunci când dentistul Horace Wells, ajutat de Gardner Quincy Colton și John Mankey Riggs, și-a demonstrat insensibilitatea la durerea produsă de o extracție dentară, la 11 decembrie 1844. În săptămânile următoare, Wells a tratat cu protoxid de azot primii 12–15 pacienți la Hartford, Connecticut, iar, potrivit propriilor sale consemnări, procedura a eșuat numai în două cazuri. În pofida faptului că Wells prezentase aceste rezultate convingătoare societății medicale din Boston în decembrie 1844, noua metodă nu a fost adoptată imediat de ceilalți dentiști. Motivul a fost, cel mai probabil, faptul că prima demonstrație publică a lui Wells în fața corpului profesoral de medicină din Boston, desfășurată în ianuarie 1845, fusese parțial nereușită, ceea ce i-a făcut pe colegii săi să aibă îndoieli cu privire la eficacitatea și siguranța metodei. Metoda nu a intrat în uz general decât în 1863, când Gardner Quincy Colton a început să o folosească cu succes în toate clinicile sale „Colton Dental Association”, pe care tocmai le înființase în New Haven și New York. În următorii trei ani, Colton și colaboratorii săi au administrat cu succes protoxid de azot unui număr de peste 25.000 de pacienți. În prezent, protoxidul de azot este utilizat în stomatologie ca anxiolitic și ca adjuvant al anesteziei locale.
S-a constatat că protoxidul de azot nu era un anestezic suficient de puternic pentru a fi folosit în intervențiile chirurgicale majore efectuate în spitale. În schimb, eterul dietilic, un anestezic mai puternic și mai eficace, a fost demonstrat și acceptat pentru utilizare în octombrie 1846, urmat de cloroform în 1847. După ce Joseph Thomas Clover a inventat „inhalatorul cu gaz și eter” în 1876, în spitale a devenit o practică obișnuită ca toate procedurile de anestezie să înceapă cu un debit redus de protoxid de azot, după care profunzimea anesteziei era crescută treptat cu ajutorul eterului sau cloroformului, care erau mai puternice. Inhalatorul cu gaz și eter al lui Clover fusese conceput pentru a-i administra pacientului simultan protoxid de azot și eter, proporția exactă a amestecului fiind controlată de operatorul aparatului. Acesta a rămas în uz în numeroase spitale până în anii 1930. Deși spitalele utilizează în prezent aparate de anestezie mai avansate, acestea aplică în continuare același principiu introdus odată cu inhalatorul cu gaz și eter al lui Clover: inducerea anesteziei cu protoxid de azot înaintea administrării unui anestezic mai puternic.
Popularizarea protoxidului de azot de către Colton a dus la adoptarea acestuia de către mai mulți șarlatani cu reputație îndoielnică, care îl promovau drept remediu pentru oftică, scrofuloză, catar și alte boli ale sângelui, gâtului și plămânilor. Tratamentul cu protoxid de azot a fost administrat și autorizat ca medicament brevetat de persoane precum C. L. Blood și Jerome Harris din Boston și Charles E. Barney din Chicago.
Proprietăți chimice și reacții thumb|Protoxid de azot solid sub formă de pulbere Protoxidul de azot este un gaz incolor, cu un miros slab, dulceag. Se dizolvă în apă, formând o soluție neutră, și nu reacționează în mod semnificativ cu apa. La , protoxidul de azot se solidifică, formând un solid alb.
Protoxidul de azot întreține arderea prin eliberarea radicalului de oxigen legat printr-o legătură covalentă coordinativă și poate astfel reaprinde o așchie incandescentă.
este inert la temperatura camerei și participă la puține reacții. La temperaturi ridicate, reactivitatea sa crește. De exemplu, protoxidul de azot reacționează cu la , formând :
Această reacție este metoda utilizată de industria chimică pentru producerea azidelor, folosite ca detonatoare.
Mecanism de acțiune Mecanismul de acțiune farmacologic al inhalat nu este pe deplin cunoscut. Totuși, s-a demonstrat că acesta modulează direct o gamă largă de canale ionice dependente de ligand, ceea ce are probabil un rol important. Acesta blochează moderat receptorii NMDA și canalele receptorilor nicotinici pentru acetilcolină (nACh) care conțin subunitatea β, inhibă slab receptorii AMPA, receptorii de kainat, receptorii GABAA-ρ și receptorii 5-HT și potențează ușor receptorii GABA și receptorii pentru glicină. S-a demonstrat, de asemenea, că activează canalele de potasiu cu doi pori (K2P). Deși afectează mai multe canale ionice, efectele sale anestezice, halucinogene și euforizante sunt produse probabil în principal prin inhibarea curenților mediați de receptorii NMDA. Pe lângă efectele sale asupra canalelor ionice, poate acționa în mod asemănător monoxidului de azot (NO) în sistemul nervos central. Protoxidul de azot este de 30 până la 40 de ori mai solubil decât azotul.
Efectele inhalării unor doze subanestezice de protoxid de azot pot varia imprevizibil în funcție de împrejurări și de diferențele individuale; totuși, Jay (2008) sugerează că acesta induce în mod constant următoarele stări și senzații: Intoxicație Euforie/disforie Dezorientare spațială Dezorientare temporală Reducerea sensibilității la durere O minoritate dintre utilizatori prezintă și vocalizări necontrolate și spasme musculare. Aceste efecte dispar, în general, la câteva minute după îndepărtarea sursei de protoxid de azot.
Efect anxiolitic În testele comportamentale privind anxietatea, o doză redusă de este un anxiolitic eficient. Acest efect anxiolitic este asociat cu intensificarea activității receptorilor GABA, deoarece este antagonizat parțial de antagoniști ai situsului benzodiazepinic al receptorului GABA. În mod corespunzător, animalele care au dezvoltat toleranță la efectele anxiolitice ale benzodiazepinelor prezintă o toleranță parțială la . La oamenii cărora li s-a administrat în concentrație de 30%, antagoniștii situsului benzodiazepinic au redus relatările subiective privind senzația de „euforie”, dar nu au modificat performanța psihomotorie.
Efect analgezic