В органической химии изоцианат — это функциональная группа с формулой R−N=C=O . Органические соединения , содержащие изоцианатную группу, называются изоцианатами . Органическое соединение с двумя изоцианатными группами известно как диизоцианат. Диизоцианаты производятся для производства полиуретанов , класса полимеров . [1] [2] [ нужна страница ] [3] [ нужна страница ]
Изоцианаты не следует путать с цианатными эфирами и изоцианидами , очень разными семействами соединений. Функциональная группа цианата (цианатного эфира) ( R−O−C≡N ) устроена иначе, чем изоцианатная группа ( R−N=C=O ). Изоцианиды имеют связь R−N≡C , лишенную кислорода цианатных групп.
С точки зрения связывания изоцианаты тесно связаны с диоксидом углерода (CO 2 ) и карбодиимидами (C(NR) 2 ). Блок C−N=C=O, определяющий изоцианаты, является плоским, а связь N=C=O почти линейна. В фенилизоцианате расстояния C=N и C=O составляют соответственно 1,195 и 1,173 Å . Угол C−N=C составляет 134,9°, а угол N=C=O составляет 173,1°. [4]
Изоцианаты обычно получают из аминов путем фосгенирования , т.е. обработки фосгеном :
Эти реакции протекают через промежуточное звено карбамоилхлорида ( RNHC(O)Cl ). В связи с опасной природой фосгена, производство изоцианатов требует особых мер предосторожности. [1] Безопасный для лабораторных условий вариант маскирует фосген как оксалилхлорид . [5] Кроме того, оксалилхлорид может быть использован для образования ацилизоцианатов из первичных амидов , которые фосген обычно дегидратирует до нитрилов . [6]
Другой путь к изоцианатам подразумевает добавление изоциановой кислоты к алкенам. Дополнительно, алкилизоцианаты образуются путем реакций замещения с участием алкилгалогенидов и цианатов щелочных металлов. [7]
Арилизоцианаты могут быть синтезированы путем карбонилирования нитро- и нитрозоаренов ; палладиевый катализатор необходим для предотвращения побочных реакций промежуточного нитрена . [8] [ 9]
Три реакции перегруппировки с участием нитренов дают изоцианаты:
Изоцианат также является непосредственным продуктом перегруппировки Гофмана , но обычно гидролизуется в условиях реакции. [10]
Изоцианаты являются электрофилами , и как таковые они реагируют с различными нуклеофилами, включая спирты , амины и даже воду, имея более высокую реакционную способность по сравнению со структурно аналогичными изотиоцианатами . [11]
При обработке спиртом изоцианат образует уретановую связь:
где R и R' — алкильные или арильные группы. Если диизоцианат обрабатывается соединением, содержащим две или более гидроксильных групп, например, диолом или полиолом , образуются полимерные цепи, которые известны как полиуретаны .
Изоцианаты реагируют с водой с образованием диоксида углерода :
Эта реакция используется в тандеме с производством полиуретана для получения полиуретановых пен. Диоксид углерода действует как вспенивающий агент . [12]
Изоцианаты также реагируют с аминами, образуя мочевины :
Добавление изоцианата к мочевине дает биурет :
Реакция между диизоцианатом и соединением, содержащим две или более аминогрупп, приводит к образованию длинных полимерных цепей, известных как полимочевины .
Карбодиимиды получают путем декарбоксилирования алкил- и арилизоцианатов с использованием фосфиноксидов в качестве катализатора: [13]
Изоцианаты также могут реагировать друг с другом. Алифатические диизоцианаты могут тримеризоваться с образованием замещенных групп изоциануровой кислоты . Это можно увидеть в образовании полиизоциануратных смол (PIR), которые обычно используются в качестве жесткой теплоизоляции . Изоцианаты участвуют в реакциях Дильса-Альдера , действуя как диенофилы .
Изоцианаты являются распространенными промежуточными продуктами в синтезе первичных аминов путем гидролиза :
Мировой рынок диизоцианатов в 2000 году составил 4,4 млн тонн, из которых 61,3% приходилось на метилендифенилдиизоцианат (МДИ), 34,1% — на толуилендиизоцианат (ТДИ), 3,4% — на гексаметилендиизоцианат (ГДИ) и изофорондиизоцианат (ИПДИ) и 1,2% — на различные другие вещества. [18] Монофункциональным изоцианатом промышленного значения является метилизоцианат (МИК), который используется в производстве пестицидов.
MDI обычно используется в производстве жестких пен и поверхностных покрытий. [1] Пенополиуретановые плиты используются в строительстве для изоляции. TDI обычно используется в приложениях, где используются гибкие пены, таких как мебель и постельные принадлежности. Как MDI, так и TDI используются в производстве клеев и герметиков из-за их стойких к атмосферным воздействиям свойств. Изоцианаты, как MDI, так и TDI, широко используются в качестве распыляемых изоляционных материалов из-за скорости и гибкости нанесения. Пены можно распылять в конструкции и затвердевать на месте или сохранять некоторую гибкость в зависимости от требований применения. [19] HDI обычно используется в высокопроизводительных поверхностных покрытиях, включая автомобильные краски.
Риски изоцианатов были доведены до сведения всего мира после катастрофы в Бхопале в 1984 году , в результате которой погибло около 4000 человек из-за случайного выброса метилизоцианата . В 2008 году тот же химикат был задействован при взрыве на заводе по производству пестицидов в Западной Вирджинии. [20]
LD50 для изоцианатов обычно составляет несколько сотен миллиграммов на килограмм. [21] Несмотря на эту низкую острую токсичность, чрезвычайно низкий предел краткосрочного воздействия (STEL) 0,07 мг/м 3 является допустимым пределом для всех изоцианатов (за исключением метилизоцианата: 0,02 мг/м 3 ) в Соединенном Королевстве. [22] Эти пределы установлены для защиты работников от хронических последствий для здоровья, таких как профессиональная астма , контактный дерматит или раздражение дыхательных путей. [23]
Поскольку они используются в распылительных приложениях, свойства их аэрозолей привлекли внимание. [24] [25] В США OSHA начала проводить Национальную программу акцента на изоцианатах, начиная с 2013 года, чтобы повысить осведомленность работодателей и работников о рисках для здоровья. [26] Полиуретаны имеют разное время отверждения , и присутствие свободных изоцианатов в пенах варьируется соответственно. [27]
И Национальная токсикологическая программа США (NTP), и Международное агентство по изучению рака (IARC) оценили TDI как потенциальный канцероген для человека и группу 2B, «возможно канцерогенную для человека». [28] [29] MDI, по-видимому, относительно безопаснее и вряд ли является канцерогеном для человека. [29] IARC оценивает MDI как группу 3, «не поддающуюся классификации по канцерогенности для человека». [30]
Все основные производители МДИ и ТДИ являются членами Международного института изоцианатов, который содействует безопасному обращению с МДИ и ТДИ.
Изоцианаты могут представлять опасность для органов дыхания в виде частиц, паров или аэрозолей. Работники автомастерских являются очень часто обследуемой группой на предмет воздействия изоцианатов, поскольку они неоднократно подвергаются воздействию при окраске автомобилей распылением [31] и могут подвергаться воздействию при установке облицовки кузова грузовика. [32] [33] Гиперчувствительный пневмонит имеет более медленное начало и характеризуется хроническим воспалением, которое можно увидеть на снимках легких. Профессиональная астма является тревожным результатом респираторной сенсибилизации к изоцианатам, поскольку она может быть острой и фатальной. [34] Диагностика профессиональной астмы обычно проводится с помощью исследования функции легких (PFT) и проводится пульмонологами или врачами по профессиональной медицине . [35] Профессиональная астма во многом похожа на астму тем, что она вызывает эпизодическую одышку и хрипы. Как доза, так и продолжительность воздействия изоцианатов могут привести к респираторной сенсибилизации. [36] Воздействие изоцианатов на кожу может привести к сенсибилизации человека к респираторным заболеваниям.
Воздействие на кожу может происходить при смешивании, распылении покрытий или нанесении и распределении покрытий вручную. Известно, что воздействие изоцианатов на кожу приводит к респираторной сенсибилизации. [37] Даже при использовании правильных средств индивидуальной защиты (СИЗ) воздействие может происходить на участки тела, которые не полностью закрыты. [38] Изоцианаты также могут проникать через ненадлежащие СИЗ, что требует частой смены как одноразовых перчаток, так и костюмов, если они подвергаются чрезмерному воздействию.
Метилизоцианат (МИЦ) очень огнеопасен. [39] МДИ и ТДИ гораздо менее огнеопасны. [40] Воспламеняемость материалов учитывается при проектировании мебели. [41] Конкретная опасность воспламеняемости указана в паспорте безопасности (SDS) для конкретных изоцианатов.
Промышленная наука пытается минимизировать опасности изоцианатов с помощью множества методов. Агентство по охране окружающей среды спонсировало текущие исследования по производству полиуретана без изоцианатов. [42] [43] Там, где изоцианаты неизбежны, но взаимозаменяемы, замена менее опасным изоцианатом может контролировать опасности. Вентиляция и автоматизация также могут минимизировать воздействие используемых изоцианатов на рабочих. [24] [44]
Если работникам приходится входить в загрязненные изоцианатом регионы, средства индивидуальной защиты (СИЗ) могут снизить их потребление. Как правило, работники носят защитные очки [44] , перчатки и комбинезоны, чтобы уменьшить воздействие на кожу [45] [46] [25] [47] Для некоторых видов окраски кузова автомобиля и распыления прозрачного покрытия требуется полнолицевая маска. [31] [32]
Управление по охране труда и промышленной гигиене США (OSHA) требует частого обучения, чтобы гарантировать, что опасности изоцианата должным образом минимизированы. [48] Более того, OSHA требует стандартизированных измерений концентрации изоцианата, чтобы избежать нарушения пределов воздействия на рабочем месте . В случае MDI OSHA ожидает отбора проб с помощью стекловолоконных фильтров при стандартных скоростях потока воздуха, а затем жидкостной хроматографии. [49]
Сочетание промышленной гигиены и медицинского наблюдения может значительно снизить заболеваемость профессиональной астмой . [50] Существуют биологические тесты для определения воздействия изоцианата; [51] ВМС США используют регулярные исследования функции легких и скрининговые анкеты. [52]
Управление чрезвычайными ситуациями — это сложный процесс подготовки, и его следует рассматривать в условиях, когда выброс крупных химических веществ может угрожать благополучию населения. В катастрофе в Бхопале неконтролируемый выброс MIC убил тысячи людей, затронул сотни тысяч и подстегнул развитие современных методов подготовки к катастрофам. [53]
Пределы воздействия могут быть выражены как предельные значения, максимальное значение, пределы краткосрочного воздействия (STEL), предел воздействия за 15 минут или средневзвешенный по времени предел за 8 часов (TWA). Ниже приведена выборка, не являющаяся исчерпывающей, поскольку менее распространенные изоцианаты также имеют определенные пределы в Соединенных Штатах, а в некоторых регионах существуют пределы для общего изоцианата, что признает некоторую неопределенность относительно безопасности смесей химикатов по сравнению с воздействием чистых химических веществ. Например, в то время как для HDI нет OEL, NIOSH имеет REL 5 ppb для 8-часового TWA и предельный предел 20 ppb, что соответствует рекомендациям для MDI. [54]
Управление по охране труда и промышленной безопасности (OSHA) является регулирующим органом, отвечающим за безопасность работников. OSHA устанавливает допустимый предел воздействия (PEL) 20 ppb для MDI и подробное техническое руководство по оценке воздействия. [52]
Национальные институты здравоохранения ( NIOSH ) — это агентство, ответственное за проведение исследований и предоставление рекомендаций по безопасности на рабочем месте, в то время как OSHA — это скорее орган принуждения. NIOSH отвечает за разработку научных данных, которые могут привести к рекомендуемым пределам воздействия (REL), которые могут быть ниже PEL. OSHA занимается обеспечением соблюдения и защитой обязательных пределов (PEL). В 1992 году, когда OSHA снизил PEL для TDI до NIOSH REL, снижение PEL было оспорено в суде, и снижение было отменено. [61]
Агентство по охране окружающей среды ( EPA ) также участвует в регулировании изоцианатов в отношении окружающей среды, а также лиц, не являющихся работниками, которые могут подвергаться воздействию. [62]
Американская конференция государственных промышленных гигиенистов (ACGIH) — неправительственная организация, которая публикует руководство, известное как предельные значения порога (TLV) [61] для исследований на основе химических веществ как постоянный уровень воздействия на рабочем месте без вредных последствий [ уточнить ] . TLV не является обязательным значением OSHA, если только PEL не является тем же самым.
Европейское химическое агентство (ECHA) осуществляет нормативный надзор за химическими веществами, используемыми в Европейском союзе. [63] ECHA реализует политику, направленную на ограничение воздействия на работников путем устранения путем снижения допустимых концентраций в продуктах и обязательного обучения работников, административного контроля. [64] В Европейском союзе многие страны устанавливают собственные пределы профессионального воздействия изоцианатов.
Организация Объединенных Наций , через Всемирную организацию здравоохранения (ВОЗ) совместно с Международной организацией труда (МОТ) и Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП), сотрудничают в рамках Международной программы по химической безопасности (МПХБ) для публикации сводных документов по химическим веществам. МПХБ опубликовала один такой документ в 2000 году, в котором суммируется состояние научных знаний по ДИ. [65]
IARC оценивает данные об опасности химических веществ и присваивает рейтинг риска канцерогенеза. В случае TDI окончательная оценка — возможно канцерогенно для человека (группа 2B). [66] Для MDI окончательная оценка не классифицируется как канцерогенное для человека (группа 3). [67]
Международный институт изоцианатов — это международный промышленный консорциум, который стремится содействовать безопасному использованию изоцианатов путем распространения передовой практики. [68]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )Практическая органическая химия Коэн Юлиус.
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )