ایزوسیانات چیست؟

ایزوسیانات یک گروه عاملی با فرمول R−N=C=O می باشد. ترکیبات آلی که حاوی یک گروه ایزوسیانات هستند، ایزوسیانات نامیده می شوند. یک ترکیب آلی با دو گروه ایزوسیانات به نام دی ایزوسیانات شناخته می شود. دی ایزوسیانات ها برای تولید پلی یورتان ها مورد استفاده قرار میگیرند.

ایزوسیانات ها را نباید با استرهای سیانات و ایزوسیانیدها که خانواده های بسیار متفاوتی از ترکیبات هستند، اشتباه گرفت. گروه عاملی سیانات (استر سیانات) (R-O-C≡N) متفاوت از گروه ایزوسیانات (R-N=C=O) می باشد. ایزوسیانیدها دارای اتصال R-N≡C هستند و فاقد اکسیژن گروه های سیانات هستند.

ساختار و پیوند

از نظر پیوند، ایزوسیانات ها ارتباط نزدیکی با دی اکسید کربن (CO2) و کربودییمیدها (C(NR)2) دارند. واحد C-N=C=O که معرف ایزوسیانات ها می باشد مسطح است و پیوند N=C=O تقریباً خطی است. در فنیل ایزوسیانات، فاصله C=N و C=O به ترتیب 1.195 و 1.173 Å است.

نحوه تولید

ایزوسیانات‌ها معمولاً از آمین‌ها با فسژناسیون تولید می‌شوند، به‌عنوان مثال، ترکیب با فسژن:

RNH₂ + COCl₂ → RNCO + 2 HCl

این واکنش ها از طریق واسطه یک کاربامویل کلرید (RNHC(O)Cl) انجام می شود. با توجه به ماهیت خطرناک فسژن، تولید ایزوسیانات ها نیاز به اقدامات احتیاطی خاصی دارد.

راه دیگر تولید ایزوسیانات ها اضافه کردن اسید ایزوسیانیک به آلکن ها است. آلکیل ایزوسیانات ها با واکنش های جابجایی شامل آلکیل هالیدها و سیانات های فلز قلیایی تشکیل می شوند.

از طریق سه واکنش زیر که در واقع  بازآرایی  نیترن ها می باشند نیز ایزوسیانات تولید می شود:

واکنش اشمیت: واکنشی است که در آن یک اسید کربوکسیلیک با آمونیاک و اسید هیدرازوئیک ترکیب می شود و ایزوسیانات تولید می کند.

تجزیه کورتیوس: بازآرایی یک آسیل آزید به گاز ایزوسیانات و نیتروژن.

بازآرایی لوسن: تبدیل یک اسید هیدروکسامیک به ایزوسیانات از طریق تشکیل یک O-acyl، سولفونیل، یا فسفریل واسطه.

واکنش پذیری

با هسته دوست ها:

ایزوسیانات ها الکترون دوست هستند و به این ترتیب نسبت به انواع هسته دوست ها از جمله الکل ها، آمین ها و حتی آب واکنش نشان می دهند.

ایزوسیانات پس از ترکیب با الکل  یک پیوند یورتان ایجاد می کند:

(R و R’ گروه های آلکیل یا آریل هستند) ‘ROH + R’NCO → ROC(O)N(H)R

اگر دی ایزوسیانات با ترکیبی حاوی دو یا چند گروه هیدروکسیل مانند دیول یا پلی ال ترکیب شود، زنجیره های پلیمری تشکیل می شود که به عنوان پلی یورتان شناخته می شوند.

ایزوسیانات ها با آب واکنش داده و دی اکسید کربن تشکیل می دهند:

RNCO + H2O → RNH2 + CO2

این واکنش همزمان با تولید پلی اورتان برای تولید فوم های پلی یورتان مورد بهره برداری قرار می گیرد. دی اکسید کربن به عنوان یک عامل دمنده عمل می کند.

ایزوسیانات ها همچنین با آمین ها واکنش داده و اوره می دهند:

‘R2NH + R’NCO → R2NC(O)N(H)R

افزودن ایزوسیانات به اوره یک بیورت می دهد:

“R2NC(O)N(H)R’ + R”NCO → R2NC(O)NR’C(O)NHR

واکنش بین یک دی ایزوسیانات و یک ترکیب حاوی دو یا چند گروه آمین باعث تولید زنجیره‌های پلیمری طولانی به نام پلی اوره می‌شود.

کربودی ایمیدها از طریق دکربوکسیلاسیون آلکیل و آریل ایزوسیانات با استفاده از اکسیدهای فسفین به عنوان کاتالیزور تولید می شوند:

C6H11NCO → (C6H11N)2C + CO2

واکنش های بازآرایی

ایزوسیانات ها واسطه های رایج در سنتز آمین های اولیه از طریق هیدرولیز هستند:

بازآرایی هوفمن، واکنشی است که در آن یک آمید اولیه با یک اکسید کننده قوی مانند هیپوبرومیت سدیم  یا تترا استات سرب درمان می‌شود تا یک ماده واسط ایزوسیانات تشکیل شود.

انواع ایزوسیانات ها

انواع ایزوسیانات ها شامل موارد زیر می شوند:

• تولوئن دی ایزوسیانات(TDI)
• متیلن دی فنیل دی ایزوسیانات(MDI)
• هگزا متیلن دی ایزوسیانات(HDI یا HMDI)
• ایزوفرون دی ایزوسیانات(IPDI)

بازار جهانی دی ایزوسیانات ها در سال 2000، 4.4 میلیون تن بود که 61.3 درصد آن متیلن دی فنیل دی ایزوسیانات(MDI)، 34.1 درصد تولوئن دی ایزوسیانات(TDI)، 3.4 درصد کل هگزامتیلن دی ایزوسیانات(HDI) و ایزوفرن دی ایزوسیانات(IPDI)، و 1.2٪ کل برای موارد مختلف دیگر بود. همچنین یک ایزوسیانات تک عملکردی مهم صنعتی، متیل ایزوسیانات (MIC) است که در ساخت آفت کش ها استفاده می شود.

کاربردهای ایزوسیانات ها

ایزوسیانات ها در صنایع مختلفی از قبیل صنعت چسب، صنعت رنگ، صنعت خودروسازی و فوم، عایق، روکش و درزگیر، محصولات لاستیکی و پلاستیکی، روان کننده، گریس، مواد افزودنی سوخت و… کاربرد دارند.

معمولا ام دی آی را به شکل پلیمریک تبدیل کرده و در تولید فوم های سخت و چسب های پلی یورتان مورد استفاده قرار می دهند. ام دی آی اصلاح شده نیز در تولید فوم های نرم پلی یورتان کاربرد دارد. همچنین از تی دی آی برای تولید فوم های نرم و چسب استفاده می شود. HDI نیز اغلب در تولید رنگ خودرو ها مورد استفاده قرار میگیرد.

خطرات

سمیت

ایزوسیانات ها به صورت ذرات بخار یا ذرات معلق در هوا می توانند خطرات تنفسی را ایجاد کنند. کارگران مغازه‌های اتوموبیل معمولاً از نظر قرار گرفتن در معرض ایزوسیانات مورد بررسی قرار می‌گیرند، زیرا هنگام رنگ‌آمیزی خودروها مکرراً در معرض قرار می‌گیرند. آسم شغلی یک پیامد نگران کننده از حساسیت تنفسی به ایزوسیانات است زیرا می تواند به شدت کشنده باشد. تشخیص آسم شغلی به طور کلی با استفاده از تست عملکرد ریوی و توسط پزشکان ریه انجام می شود. آسم شغلی بسیار شبیه آسم است زیرا باعث تنگی نفس و خس خس سینه می شود. هم دوز و هم مدت زمان قرار گرفتن در معرض ایزوسیانات ها در میزان حساسیت تنفسی ایجاد شده موثر می باشد. مواجهه پوستی با ایزوسیانات ها می تواند فرد در معرض بیماری های تنفسی را حساس کند.

قرار گرفتن در معرض پوست می تواند از طریق مخلوط کردن، اسپری کردن پوشش ها یا اعمال و پخش پوشش ها به صورت دستی رخ دهد. مواجهه پوستی با ایزوسیانات ها منجر به ایجاد حساسیت تنفسی می شود. حتی زمانی که از تجهیزات حفاظت فردی مناسب  استفاده می‌شود، در نواحی بدن که کاملاً پوشانده نشده‌اند، تماس‌هایی ممکن است رخ دهد. ایزوسیانات‌ها همچنین می‌توانند به تجهیزات حفاظت فردی نامناسب نفوذ کنند، و در صورت باز شدن بیش از حد، نیاز به تعویض مکرر دستکش‌ها و لباس‌های یکبار مصرف می باشد.

اشتعال پذیری

اشتعال پذیری متیل ایزوسیانات (MIC) بسیار قابل اشتعال است. MDI و TDI بسیار کمتر قابل اشتعال هستند.