ヒドラジン

ヒドラジンの最大の用途は、発泡剤の前駆体としてです。具体的な化合物としては、アゾジカルボンアミドやアゾビスイソブチロニトリルなどがあり、これらは前駆体1グラムあたり100～200mLのガスを生成します。関連する用途として、エアバッグのガス発生剤であるアジ化ナトリウムは、ヒドラジンと亜硝酸ナトリウムの反応によって製造されます。^{[ 9 ]}

ヒドラジンは、ケレスやベスタへのドーン探査ミッションなどの宇宙船に搭載される長期保存可能な推進剤としても使用され、大型工業用ボイラーで使用される水の溶存酸素濃度を下げ、pHを制御するためにも使用されます。F -16戦闘機^{[ 17 ]} 、スペースシャトル、U-2偵察機は、エンジン停止時に緊急始動システムを作動させるためにヒドラジンを使用します^{[ 18 ]} 。スペースシャトルとその固体ロケットブースターは、エンジンのジンバルと空力面の制御のための油圧を生成するために、補助動力装置にヒドラジンを使用しました。

ヒドラジンは、いくつかの医薬品や農薬の前駆体です。これらの用途では、ヒドラジンをピラゾールやピリダジンなどの複素環に変換することがよくあります。市販されている生物活性ヒドラジン誘導体の例としては、セファゾリン、リザトリプタン、アナストロゾール、フルコナゾール、メタザクロール、メタミトロン、メトリブジン、パクロブトラゾール、ジクロブトラゾール、プロピコナゾール、硫酸ヒドラジン^{[ 19 ]} 、ジイミド、トリアジメホン^{[ 9 ]}、およびジアシルヒドラジン系殺虫剤などがあります。

ヒドラジン化合物は、殺虫剤、殺ダニ剤、殺線虫剤、殺菌剤、抗ウイルス剤、誘引剤、除草剤、または植物成長調整剤の有効成分として効果的である。 ^{[ 20 ]}

イタリアの触媒メーカーである Acta (化学会社) は、燃料電池の水素の代替としてヒドラジンを使用することを提案している。ヒドラジンを使用する主な利点は、 (高価な)白金触媒を必要とせずに、同様の水素セルよりも200 m W /cm ²以上多く生成できることである。^{[ 21 ]}燃料は室温で液体であるため、水素よりも取り扱いや保管が容易である。二重結合炭素-酸素カルボニルで満たされたタンクにヒドラジンを保管すると、燃料が反応してヒドラゾンと呼ばれる安全な固体が生成される。次に、タンクを温水で洗浄すると、液体のヒドラジン水和物が放出される。ヒドラジンの起電力は1.56 Vで、水素の 1.23 V よりも高い。ヒドラジンはセル内で分解して窒素と水素を生成し、水素は酸素と結合して水を放出する。^{[ 21 ]}ヒドラジンは、アリス・チャルマーズ社が製造した燃料電池に使用されており、1960年代には宇宙衛星に電力を供給していたものもあった。

63%のヒドラジン、32%の硝酸ヒドラジン、5%の水の混合物は、実験的なバルク装填式液体推進砲の標準的な推進剤である。上記の推進剤混合物は、発射中の圧力プロファイルが平坦で、最も予測可能で安定したものの1つである。不発は通常、不十分な点火によって引き起こされる。不発後の砲弾の動きにより、点火表面積の大きい大きな気泡が発生し、ガスの発生速度が増加するため、非常に高い圧力が発生し、場合によっては壊滅的な砲身破損（爆発）が発生する。^{[ 22 ]} 1991年1月から6月にかけて、米国陸軍研究所は、初期のバルク装填式液体推進砲プログラムが電気熱化学推進プログラムと関連性があるかどうかを検討した。^{[ 22 ]}

アメリカ空軍（USAF）は、ゼネラル・ダイナミクスF-16ファイティング・ファルコン戦闘機とロッキードU-2「ドラゴンレディ」偵察機の運用において、70%ヒドラジンと30%水の混合物であるH-70を定期的に使用している。単発ジェットエンジンのF-16は、エンジン停止時に緊急電力と油圧を供給する緊急動力装置（EPU）の動力源としてヒドラジンを使用している。EPUは、油圧または電力の喪失時に自動的に、またはパイロットの制御により手動で作動し、緊急飛行制御を提供する。単発ジェットエンジンのU-2は、失速時に飛行中にエンジンを再始動するための非常に信頼性の高い方法を提供する緊急始動システム（ESS）の動力源としてヒドラジンを使用している。^{[ 23 ]}

ヒドラジンは第二次世界大戦中にロケット燃料の成分として初めて使用されました。重量比で30%のヒドラジンと57%のメタノール（ドイツ空軍ではM-Stoffと呼ばれていました）および13%の水を混合したものが、ドイツではC-Stoffと呼ばれていました。 ^{[ 24 ]}この混合物は、メッサーシュミットMe 163Bロケット戦闘機の動力源として使用され、ドイツでは高試験過酸化物T-Stoffが酸化剤として使用されました。混合されていないヒドラジンはドイツではB-Stoffと呼ばれ、この名称は後にV-2ミサイルのエタノール/水燃料にも使用されました。^{[ 25 ]}

ヒドラジンは、宇宙船の姿勢制御スラスタ（RCS/リアクションコントロールシステム）用の低出力単一推進剤として使用され、スペースシャトルの補助動力装置（APU）の動力源としても使用されました。さらに、ヒドラジンを燃料とする単一推進剤ロケットエンジンは、宇宙船の最終降下時にもよく使用されます。このようなエンジンは、 1970年代のバイキング計画の着陸機や、火星探査機フェニックス（2008年5月）、キュリオシティ（2012年8月）、パーセベランス（2021年2月）にも使用されました。

ソ連の宇宙開発計画では、ヒドラジンの代わりに非対称ジメチルヒドラジン（これも1875年にフィッシャーによって発見された）が使用された。硝酸酸化剤とともに、その非常に危険な性質から「悪魔の毒」として知られるようになった。 ^{[ 26 ]}

すべてのヒドラジン単一推進剤エンジンでは、ヒドラジンは高表面積アルミナ（酸化アルミニウム）に担持されたイリジウム金属などの触媒を通過し、次の 3 つの反応に従ってアンモニア（NH ₃）、窒素ガス（N ₂）、および水素（H ₂）ガスに分解されます。^{[ 27 ]}

_反応1：N₂H₄ → N₂ + _2H₂​

反応2：3 N ₂ H ₄ → 4 NH ₃ + N ₂

反応₃：4NH₃ + _N₂H₄ → _{3N₂ +} 8H₂_​

最初の 2 つの反応は極めて発熱性が高く(触媒室は数ミリ秒で800 °C (1,470 °F)に達することができる^{[ 28 ]} )、少量の液体から大量の高温ガスを生成するため^{[ 29 ]} 、ヒドラジンは真空比推力が約 220 秒とかなり効率的なスラスタ推進剤となる^{[ 30 ]} 。反応 2 は最も発熱性が高いが、反応 1 よりも分子数が少ない。反応 3 は吸熱性であり、反応 2 の効果を反応 1 単独の場合と同じ効果 (低温、分子数の増加) に戻す。触媒構造は反応 3 で解離するNH ₃の割合に影響を与える。ロケットスラスタでは高温が望ましいが、反応でより多くのガスを生成する場合は分子数が多い方が望ましい^{[ 31 ] 。}  

ヒドラジンは2 ℃（36 ° F）以下では固体であるため、軍事用途の汎用ロケット推進剤としては適していません。ロケット燃料として使用されるヒドラジンの他の_誘導体には、モノメチルヒドラジン、CH₃NHNH₂ _、別名MMH（融点-52 ℃（-62 °F））と、非対称ジメチルヒドラジン、（CH₃ _） ₂NNH₂ 、別名UDMH（融点-57 ℃（-71 °F））があります。これらの誘導体は、二成分ロケット燃料に使用され、多くの場合、_四酸化二窒素_、 N₂O₄と併用さ_れます。アポロ司令船および機械船のサービス推進システムのエンジン、アポロ月着陸船の上昇エンジンと下降エンジン、およびタイタンII ICBMに、ヒドラジンとUDMHの重量比50:50の混合物が使用され、エアロジン50として知られています。^{[ 24 ]}これらの反応は極めて発熱性であり、燃焼は自己着火性（外部からの点火なしに燃焼を開始する）でもあります。^{[ 32 ]}      

欧州連合全体でヒドラジンが禁止される可能性を考慮し、航空宇宙産業ではヒドラジンの代替品を見つけるための取り組みが続けられています。^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}有望な代替品としては、亜酸化窒素をベースとした推進剤の組み合わせがあり、開発は商業企業のDawn Aerospace、Impulse Space、^{[ 36 ]}、Launcherが主導しています。^{[ 37 ]}宇宙で初めて飛行した亜酸化窒素ベースのシステムは、2021年にD-OrbitがION Satellite Carrierに搭載したもので、6基のDawn Aerospace B20スラスタを使用しました。 ^{[ 38 ] [ 39 ]}もう一つの代替案は、蒸気圧がはるかに低く、吸入の危険性が低減された、より安全なヒドラジン混合物です。Aerojet Rocketdyneは、純粋なヒドラジンよりも蒸気圧が150分の1で、比推力は同じ、密度比推力が35%高いHPB-G28混合物を開発しました。 HPB-G28はヒドラジンと同じスラスタや触媒で使用できますが、凝固点が-55 ℃（-67 °F）であるため、推進剤ラインの加熱は不要です。HPB-G28は、65%（モル比）のヒドラジン、27%のヒドロキシエチルヒドラジニウム硝酸塩（HEHN）、および8%のヒドラジニウム硝酸塩を含んでいます。^{[ 40 ]}  

ヒドラジンへの曝露経路としては、皮膚接触、眼接触、吸入、経口摂取が考えられる。^{[ 41 ]}

ヒドラジンへの曝露は、皮膚刺激/接触性皮膚炎および灼熱感、目/鼻/喉の刺激、吐き気/嘔吐、息切れ、肺水腫、頭痛、めまい、中枢神経系の抑制、嗜眠、一時的な失明、発作および昏睡を引き起こす可能性があります。曝露は、肝臓、腎臓、および中枢神経系の臓器損傷も引き起こす可能性があります。^{[ 41 ] [ 42 ]}ヒドラジンは、最初の曝露後にヒドラジン誘導体に対する交差感作の可能性のある強力な皮膚感作物質として記録されています。^{[ 43 ]}上記の職業用途に加えて、タバコの煙から少量のヒドラジンに曝露する可能性もあります。^{[ 42 ]}

ヒドラジンの発がん性に関する米国の公式ガイダンスはまちまちだが、一般的には発がん性の可能性が認識されている。国立労働安全衛生研究所（NIOSH）はヒドラジンを「職業性発がん性の可能性あり」としている。国立毒性プログラム（NTP）は「ヒト発がん性物質であると合理的に予測される」としている。米国産業衛生専門家会議（ACGIH）はヒドラジンを「A3 - 動物発がん性物質であることが確認されているが、ヒトとの関連性は不明」と分類している。米国環境保護庁（EPA）は「B2 - 動物実験の証拠に基づくヒト発がん性物質の可能性が高い」と分類している。^{[ 44 ]}

国際がん研究機関（IARC）は、ヒドラジンを「2A—ヒトに対しておそらく発がん性がある」と評価しており、ヒドラジン曝露と肺がんの間には正の相関関係が観察されている。^{[ 45 ]}職業上のヒドラジン曝露に関するコホート研究および横断研究に基づき、米国科学・工学・医学アカデミーの委員会は、ヒドラジン曝露と肺がんの間には関連性を示唆する証拠があるが、他の部位のがんとの関連性の証拠は不十分であると結論付けた。^{[ 46 ]}欧州委員会の職業曝露限界に関する科学委員会（SCOEL）は、ヒドラジンを「グループB—遺伝毒性発がん物質」に分類している。委員会が引用した遺伝毒性メカニズムは、ヒドラジンと内因性ホルムアルデヒドの反応およびDNAメチル化剤の形成を指している。^{[ 47 ]}

ヒドラジン曝露に関連する緊急事態が発生した場合、NIOSHは汚染された衣服を直ちに脱ぎ、皮膚を石鹸と水で洗い、眼に曝露した場合はコンタクトレンズを外し、少なくとも15分間水で目を洗い流すことを推奨しています。NIOSHはまた、ヒドラジンに曝露した可能性のある人は、できるだけ早く医師の診察を受けることを推奨しています。^{[ 41 ]}曝露後の検査室や画像診断に関する具体的な推奨事項はなく、医学的検査は症状の種類と重症度によって異なる場合があります。世界保健機関（WHO）は、曝露の可能性については、肺や肝臓の損傷の可能性に特に注意を払いながら、対症療法を行うことを推奨しています。過去のヒドラジン曝露の症例では、ピリドキシン（ビタミンB6）による治療が成功したことが記録されています。^{[ 43 ]}

• NIOSH推奨曝露限界（REL）：0.03 ppm（0.04 mg/m ³）2時間天井値^{[ 44 ]}  
• OSHA許容曝露限界（PEL）：1  ppm（1.3  mg/m ³）8時間時間加重平均^{[ 44 ]}
• ACGIH許容濃度 (TLV): 0.01  ppm (0.013  mg/m ³ ) 8 時間加重平均^{[ 44 ]}

ヒドラジンの臭気閾値は3.7 ppmであるため、作業員がアンモニアのような臭いを嗅ぐことができれば、曝露限界を超えている可能性が高い。ただし、この臭気閾値は大きく変動するため、潜在的に危険な曝露を判断するために使用すべきではない。^{[ 48 ]}

航空宇宙関係者の場合、米国空軍は、一般市民の非定常的な曝露に利用される、米国科学アカデミー毒性委員会が策定した緊急曝露ガイドラインを使用しており、これは短期公衆緊急曝露ガイドライン（SPEGL）と呼ばれています。職業曝露には適用されないSPEGLは、一般市民の予測不能な単回短期緊急曝露に対する許容ピーク濃度として定義されており、労働者の生涯でまれな曝露を表しています。ヒドラジンの1時間SPEGLは2  ppm、24時間SPEGLは0.08  ppmです。^{[ 49 ]}

ヒドラジンの完全な監視プログラムには、生物学的モニタリング、医学的スクリーニング、および罹患率/死亡率情報の体系的な分析が含まれるべきである。CDCは、監視の概要と教育を監督者と労働者に提供することを推奨している。就業前および定期的な医学的スクリーニングは、ヒドラジンが目、皮膚、肝臓、腎臓、造血系、神経系、および呼吸器系の機能に及ぼす可能性のある影響に特に重点を置いて実施されるべきである。^{[ 41 ]}

ヒドラジンの取り扱いに一般的に使用される制御には、プロセスエンクロージャー、局所排気換気、個人用保護具（PPE）などがあります。^{[ 41 ]}ヒドラジンのPPEに関するガイドラインには、不透過性の手袋と衣服、間接換気式飛沫防止ゴーグル、フェイスシールド、場合によっては呼吸器が含まれます。^{[ 48 ]}ヒドラジンの取り扱いに呼吸器を使用することは、作業者の曝露を制御する方法として最後の手段であるべきです。呼吸器が必要な場合は、適切な呼吸器の選択と、OSHAガイドラインに準拠した完全な呼吸保護プログラムを実施する必要があります。^{[ 41 ]}

米空軍職員の場合、空軍労働安全衛生（AFOSH）基準48-8、添付資料8では、ミサイル、航空機、宇宙船システムにおけるヒドラジンへの職業曝露に関する考慮事項を検討しています。曝露対応に関する具体的なガイダンスには、必須の緊急シャワーおよび洗眼ステーション、防護服の除染手順が含まれます。ガイダンスでは、適切な個人用保護具（PPE）、従業員の訓練、健康監視、緊急対応に関する責任と要件も割り当てています。^{[ 49 ]}ヒドラジンの使用を必要とする米空軍基地では、通常、安全なヒドラジンの使用と緊急対応に関する現地の要件を規定する基地固有の規則があります。

ヒドラジンは、アンモニアと過酸化水素からケトン触媒を用いて合成することができ、この方法は過酸化物法（ペシネー・ウジン・クールマン法、アトフィナ-PCUKサイクル、またはケタジン法とも呼ばれる）と呼ばれる。^{[ 9 ]}正味の反応は次の通りである。 ^{[ 52 ]}

2 NH ₃ + H ₂ O ₂ → N ₂ H ₄ + 2 H ₂ O

この経路では、まずケトンとアンモニアが縮合してイミンを生成し、これが過酸化水素によって酸化されて、炭素、酸素、窒素を含む3員環であるオキサジリジンとなる。次に、オキサジリジンをアンモニアで処理するとヒドラゾンが得られ、この過程で窒素-窒素単結合が形成される。このヒドラゾンがさらに1当量のケトンと縮合する。

生成したアジンは加水分解されてヒドラジンとなり、ケトンであるメチルエチルケトンが再生される。

Me ( Et )C=N−N=C(Et)Me + 2 H ₂ O → 2 Me(Et)C=O + N ₂ H ₄

他のほとんどのプロセスとは異なり、この方法では副産物として塩が生成されません。^{[ 53 ]}

1907年に初めて発表されたオリン・ラシヒ法は、次亜塩素酸ナトリウム（多くの漂白剤の有効成分）とアンモニアからケトン触媒を使用せずにヒドラジンを生成する。レイクチャールズ工場で使用されているこの方法は^{[ 54 ]} 、モノクロラミンとアンモニアの反応を利用してN -N単結合と塩化水素副生成物を生成する^{[ 19 ]。}

NH₂Cl + _NH₃ → _N₂H₄ + _HCl​​

ラシヒ法に関連して、アンモニアの代わりに尿素を酸化することもできます。ここでも次亜塩素酸ナトリウムが酸化剤として機能します。正味の反応は次のとおりです。^{[ 55 ]}

(NH ₂ ) ₂ CO + NaOCl + 2 NaOH → N ₂ H ₄ + H ₂ O + NaCl + Na ₂ CO ₃

このプロセスでは大量の副産物が生成され、主にアジアで実施されている。^{[ 9 ]}

バイエルケタジン法は過酸化物法の前身である。過酸化水素の代わりに次亜塩素酸ナトリウムを酸化剤として用いる。すべての次亜塩素酸塩ベースの方法と同様に、この方法ではヒドラジン1当量につき塩1当量を生成する。^{[ 9 ]}

ヒドラジンは一水和物N₂H₄・H₂Oを形成し、_これは無水_物N₂H₄ （_1.021 g/cm³）よりも密度が高い（1.032 g / cm³）。_{ヒドラジン}^はアンモニアに^匹敵する塩基性（アルカリ性）化学的性質_を持つ：^{[ 56 ]}  

N₂H₄ + _H₂O → [ N₂H₅ ] ^⁺ + _OH⁻ ^、 Kb = 1.3 × ^10⁻⁶、_{pKb =} 5.9_​​_​​​

（アンモニアの場合、K _b = 1.78 × 10 ⁻⁵）。

二重プロトン化は困難である: ^{[ 57 ]}

[ N2H5 ] ⁺ + _H2O → [ N2H6 ] ²⁺ + _OH− ^、 Kb =8.4× ¹⁰⁻¹⁶、 pKb _{= 15​}​_​​​

極めて強い塩基やアルカリ金属に曝されると、脱プロトン化されたヒドラジド塩（例えば、ヒドラジドナトリウム）が生成される。これらのほとんどは、空気や湿気に曝されると爆発する。^{[ 58 ]}

理想的には、ヒドラジンを酸素中で燃焼させると、窒素と水が生成される。

N₂H₄ + _O₂ → _N₂ + 2H₂O_​​_​​

酸素が過剰に存在すると、一酸化窒素や二酸化窒素などの窒素酸化物が生成される。

N₂H₄ + _2O₂ → _2NO + _2H₂O​​

N₂H₄ + 3O₂ → _2NO₂ + _2H₂O​​_​​

ヒドラジンの酸素（空気）中での燃焼熱は19.41 MJ/kg（8345 BTU/lb）である。^{[ 59 ]}

ヒドラジンは、副生成物が通常窒素ガスと水であるため、便利な還元剤です。この特性により、抗酸化剤、酸素除去剤、および給湯ボイラーや暖房システムの腐食抑制剤として有用です。また、活性の低い金属（ビスマス、ヒ素、銅、水銀、銀、鉛、白金、パラジウムなど）の塩を直接元素に還元します。^{[ 60 ]} この特性は、無電解ニッケルめっきや原子炉廃棄物からのプルトニウム抽出に商業的に応用されています。一部のカラー写真プロセスでは、ヒドラジンの希薄溶液を安定化洗浄剤として使用し、染料カプラーと未反応のハロゲン化銀を除去します。ヒドラジンは、水熱処理により酸化グラフェン（GO）を還元酸化グラフェン（rGO）に変換するために使用される最も一般的で効果的な還元剤です。^{[ 61 ]}

ヒドラジンは、鉱酸で処理することにより、プロトン化されて_ヒドラジニウムカチオン[N2H5]+のさまざまな固体塩を形成する。一般的な塩は、硫酸水素ヒドラジニウム、[N2H5]+[HSO4]−である。[ ₆₂ ]硫酸水素ヒドラジニウム^は、癌誘発性悪液質^の治療薬として^研究され^た_が^、効果_がないことがわかった^。[ ₆₃ ^]

二重プロトン化によりヒドラジニウム二価カチオンまたはヒドラジンジウム、[ N ₂ H ₆ ] ²⁺が生成し、その様々な塩が知られている。^{[ 64 ]}

ヒドラジンは多くの有機合成の一部であり、医薬品（応用セクションを参照）や繊維染料、写真などにおいて実用的な重要性を持つものが多い。^{[ 9 ]}

ヒドラジンは、ケトンのカルボニル基をヒドラゾン中間体を介してメチレン架橋（またはアルデヒドをメチル基）に変換する反応であるウォルフ・キッシュナー還元に使用されます。遷移金属による触媒作用により、ヒドラゾンはCC結合形成のための有機金属試薬等価物（HOME化学）として使用されます。^{[ 65 ]}ヒドラジン誘導体から非常に安定な二窒素が生成されることで、反応が促進されます。

2つのアミンを持つ二官能性ヒドラジンは、さまざまな二官能性求電子剤との縮合により、多くの複素環式化合物を調製するための重要な構成要素です。2,4-ペンタンジオンと縮合すると、 3,5-ジメチルピラゾールが得られます。^{[ 66 ]}アインホルン-ブルンナー反応では、ヒドラジンはイミドと反応してトリアゾールを生成します。

優れた求核剤であるN ₂ H _4は、スルホニルハライドやアシルハライドを攻撃することができる。^{[ 67 ]}トシルヒドラジンはカルボニル化合物と反応するとヒドラゾンも生成する。

ヒドラジンはN-アルキル化フタルイミド誘導体の開裂に用いられる。この開裂反応により、フタルイミド陰イオンをガブリエル合成におけるアミン前駆体として用いることができる。^{[ 68 ]}

ヒドラジンは、アンモニアの嫌気性酸化（アナモックス）プロセスの中間体である。^{[ 70 ]}これは、一部の酵母と外洋性細菌アナモックス（Brocadia anammoxidans）によって生成される。^{[ 71 ]}

ニセモレルは、代謝プロセスによってモノメチルヒドラジンに変換されるヒドラジンの有機誘導体である毒物ジャイロミトリンを生成します。最も人気のある食用キノコ「ボタン」マッシュルームAgaricus bisporusでさえ、アミノ酸のヒドラジン誘導体であるアガリチンやジャイロミトリンなどの有機ヒドラジン誘導体を生成します。^{[ 72 ] [ 73 ]}