イソシアネート

有機化学において、イソシアネートは化学式R−N=C=Oで表される官能基である。イソシアネート基を含む有機化合物はイソシアネートと呼ばれる。2 つのイソシアネート基を持つ有機化合物はジイソシアネートと呼ばれる。ジイソシアネートは、ポリマーの一種であるポリウレタンの製造のために製造される。^{[1] [2] [ページが必要] [3] [ページが必要]}

イソシアネートは、全く異なる化合物群であるシアネートエステルやイソシアニドと混同しないでください。シアネート（シアネートエステル）官能基（R−O−C≡N）は、イソシアネート基（R−N=C=O）とは異なって配置されています。イソシアニドは、シアネート基の酸素を欠いた R−N≡Cの結合性を持っています。

結合の面では、イソシアネートは二酸化炭素（CO ₂）やカルボジイミド（C(NR) ₂）と密接な関係がある。イソシアネートを定義するC−N=C=O単位は平面であり、N=C=O結合はほぼ直線である。フェニルイソシアネートでは、C=NとC=Oの距離はそれぞれ1.195Åと1.173Åである 。C−N=C角度は134.9°、N=C=O角度は173.1°である。^[4]

イソシアネートは通常、アミンをホスゲン化、つまりホスゲンで処理することによって生成されます。

RNH ₂ + COCl ₂ → RNCO + 2 HCl

これらの反応は、カルバモイルクロリド（RNHC(O)Cl ）を介して進行する。ホスゲンの危険性のため、イソシアネートの製造には特別な注意が必要である。^[1] 実験室で安全なバリエーションでは、ホスゲンをオキサリルクロリドとしてマスクする。^[5]また、オキサリルクロリドは、ホスゲンによって通常脱水されてニトリルになる第一級アミドからアシルイソシアネートを形成するために使用できる。^[6]

イソシアネートを生成するもう一つの方法は、イソシアン酸をアルケンに付加することです。補足的に、アルキルイソシアネートはアルキルハライドとアルカリ金属シアネートを含む置換反応によって生成されます。^[7]

アリールイソシアネートはニトロアレーンおよびニトロソアレーンのカルボニル化から合成することができるが、ニトレン中間体の副反応を避けるためにパラジウム触媒が必要である。^{[8] [9]}

ニトレンが関与する 3 つの転位反応によりイソシアネートが生成されます。

• シュミット反応は、カルボン酸をアンモニアとアジ化水素酸で処理してイソシアネートを生成する反応です。
• アシルアジドからイソシアネートおよび窒素ガスへのクルチウス転位分解。
• ロッセン転位、O-アシル、スルホニル、またはホスホリル中間体の形成を介してヒドロキサム酸をイソシアネートに変換する反応。

イソシアネートもホフマン転位の直接生成物であるが、通常は反応条件下で加水分解される。^[10]

イソシアネートは求電子剤であり、構造的に類似したイソチオシアネートと比較して、アルコール、アミン、さらには水を含むさまざまな求核剤に対して反応性が高く、反応性が高い。^[11]

アルコールで処理すると、イソシアネートはウレタン結合を形成します。

ROH + R'NCO → ROC(O)N(H)R'

ここで、R および R' はアルキルまたはアリール基です。ジイソシアネートをジオールやポリオールなどの 2 つ以上のヒドロキシル基を含む化合物で処理すると、ポリウレタンと呼ばれるポリマー鎖が形成されます。

イソシアネートは水と反応して二酸化炭素を生成します。

RNCO + H ₂ O → RNH ₂ + CO ₂

この反応はポリウレタンの製造と並行して利用され、ポリウレタンフォームを生成します。二酸化炭素は発泡剤として機能する。^[12]

イソシアネートはアミンと反応して尿素も生成します。

R ₂ NH + R'NCO → R ₂ NC(O)N(H)R'

イソシアネートを尿素に加えるとビウレットが生成されます。

R ₂ NC(O)N(H)R' + R''NCO → R ₂ NC(O)NR'C(O)NHR''

ジイソシアネートと2つ以上のアミン基を含む化合物との反応により、ポリ尿素と呼ばれる長いポリマー鎖が生成されます。

カルボジイミドは、ホスフィンオキシドを触媒としてアルキルイソシアネートとアリールイソシアネートの脱炭酸反応によって生成される。^[13]

C ₆ H ₁₁ NCO → (C ₆ H ₁₁ N) ₂ C + CO ₂

イソシアネートは、それ自体と反応することもあります。脂肪族ジイソシアネートは、三量体化して置換イソシアヌル酸基を形成することがあります。これは、硬質断熱材として一般的に使用されるポリイソシアヌレート樹脂 (PIR)の形成に見られます。イソシアネートは、ディールス・アルダー反応に関与し、ジエノフィルとして機能します。

イソシアネートは加水分解による第一級アミンの合成において一般的な中間体です。

• ホフマン転位は、第一級アミドを次亜臭素酸ナトリウム^{[14] [15] [16]}や四酢酸鉛^[17]などの強力な酸化剤で処理してイソシアネート中間体を形成する反応である。

2000年のジイソシアネートの世界市場は440万トンで、そのうち61.3%がメチレンジフェニルジイソシアネート（MDI）、34.1%がトルエンジイソシアネート（TDI）、3.4%がヘキサメチレンジイソシアネート（HDI）とイソホロンジイソシアネート（IPDI）、1.2%がその他でした。^{[18]工業的に重要な単官能イソシアネートは}メチルイソシアネート（MIC） で、農薬の製造に使用されます。

MDIは、硬質フォームや表面コーティングの製造によく使用されます。^[1]ポリウレタンフォームボードは、建築の断熱材として使用されます。TDIは、家具や寝具など、軟質フォームが使用される用途でよく使用されます。MDIとTDIはどちらも耐候性があるため、接着剤やシーラントの製造に使用されます。イソシアネートであるMDIとTDIはどちらも、アプリケーションのスピードと柔軟性のため、断熱材のスプレー用途で広く使用されています。フォームは構造物にスプレーされ、その場で硬化するか、用途に応じてある程度の柔軟性を保持することができます。^[19] HDIは、自動車用塗料を含む高性能表面コーティング用途でよく使用されます。

イソシアネートの危険性は、1984年のボパール大惨事で世界的に注目されるようになった。この大惨事では、メチルイソシアネートの偶発的な放出により約4000人が死亡した。2008年には、同じ化学物質がウェストバージニア州の農薬製造工場で爆発した。^[20]

イソシアネートのLD50は通常、1キログラムあたり数百ミリグラムです。^[21]この低い急性毒性にもかかわらず、英国ではすべてのイソシアネート（メチルイソシアネート：0.02 mg/m ^{3を除く）の}短期暴露限界（STEL）は0.07 mg/m ³と極めて低く、法的限界となっています。 ^{[22]これらの限界は、}職業性喘息、接触性皮膚炎、または呼吸器の炎症などの慢性的な健康影響から労働者を保護するために設定されています。 ^[23]

これらは噴霧用途に使用されるため、エアロゾルの特性が注目を集めています。^{[24] [25]}米国では、OSHAが2013年からイソシアネートに関する国家重点プログラムを実施したため、雇用者と労働者に健康リスクについての認識が高まりました。^[26] ポリウレタンは硬化時間が一定ではなく、フォーム中の遊離イソシアネートの存在もそれに応じて変化します。^[27]

米国国家毒性プログラム（NTP）と国際がん研究機関（IARC）はともに、TDIを潜在的なヒト発がん物質と評価し、グループ2B「ヒトに対しておそらく発がん性がある」としている。^{[28] [29]} MDIは比較的安全で、ヒト発がん性がある可能性は低いと思われる。^[29] IARCはMDIをグループ3「ヒトに対する発がん性については分類できない」と評価している。^[30]

MDI および TDI のすべての主要製造業者は、MDI および TDI の安全な取り扱いを推進する国際イソシアネート協会の会員です。

イソシアネートは、粒子、蒸気、またはエアロゾルとして呼吸器系に危険を及ぼす可能性があります。自動車の塗装作業員は、自動車のスプレー塗装時に繰り返し曝露し、トラックの荷台ライナーを取り付ける際にも曝露される可能性があるため、イソシアネート曝露の検査が非常に頻繁に行われる集団です。[ ^{31 ] [32] [33]}過敏性肺炎は発症が遅く、肺の画像検査で確認できる慢性炎症が特徴です。職業性喘息は、イソシアネートに対する呼吸器感作の懸念される結果であり、急性で致命的となる可能性があります。^[34]職業性喘息の診断は、通常、肺機能検査（PFT）を使用して、呼吸器科医または産業医学の医師によって行われます。 ^[35]職業性喘息は、断続的な息切れと喘鳴を引き起こすという点で喘息によく似ています。イソシアネートへの曝露量と期間の両方が、呼吸器感作につながる可能性があります。^[36]イソシアネートへの経皮曝露は、曝露した人を呼吸器疾患に対して過敏症にする可能性があります。

皮膚への暴露は、塗料の混合、噴霧、または手作業による塗料の塗布と塗布によって起こる可能性があります。イソシアネートへの皮膚暴露は呼吸器感作を引き起こすことが知られています。^[37]適切な個人用保護具（PPE）を使用した場合でも、完全に覆われていない体の部位に暴露が起こる可能性があります。^[38]イソシアネートは不適切なPPEにも浸透する可能性があるため、使い捨て手袋とスーツが過度に暴露された場合は頻繁に交換する必要があります。

メチルイソシアネート（MIC）は非常に可燃性が高い。^[39] MDIとTDIは可燃性が低い。^[40]材料の可燃性は家具のデザインにおいて考慮すべき事項である。^{[41]特定のイソシアネートの特定の可燃性危険性は}安全データシート（SDS）に記載されています。

産業科学は、さまざまな技術を通じてイソシアネートの危険性を最小限に抑えようとしています。EPAは、イソシアネートを使用しないポリウレタン製造に関する研究を継続的に支援しています。^{[42] [43]} イソシアネートが避けられないが互換性がある場合は、危険性の低いイソシアネートに置き換えることで危険性を制御できる可能性があります。換気と自動化により、使用されるイソシアネートへの作業者の曝露を最小限に抑えることもできます。^{[24] [44]}

人間の労働者がイソシアネート汚染地域に立ち入らなければならない場合、個人用保護具（PPE）を使用することで摂取量を減らすことができます。一般的に、労働者は眼の保護具^[44]と皮膚への曝露を減らすために手袋とカバーオールを着用します^{[45] [46] [25] [47]} 一部の自動車ボディ塗装およびクリアコートのスプレー塗装では、フルフェイスマスクが必要です。^{[31] [32]}

米国労働安全衛生局（OSHA）は、イソシアネートの危険性が適切に最小限に抑えられるように頻繁な訓練を義務付けています。^{[48]さらに、OSHAは}職業上の暴露限界 に違反しないように標準化されたイソシアネート濃度測定を義務付けています。MDIの場合、OSHAは標準的な空気流量でガラス繊維フィルターを使用してサンプリングし、その後液体クロマトグラフィーを行うことを要求しています。^[49]

産業衛生と医療監視を組み合わせることで、職業性喘息の発生率を大幅に減らすことができます。^[50] イソシアネートへの曝露を特定するための生物学的検査があります。 ^[51]米海軍は定期的に肺機能検査とスクリーニング質問票を使用しています。^[52]

緊急事態管理は複雑な準備プロセスであり、大量の化学物質の放出が公衆の健康を脅かす可能性がある状況で考慮されるべきである。ボパール災害では、制御不能なMIC放出により数千人が死亡し、数十万人が影響を受け、現代の災害対策の発展に拍車がかかった。^[53]

暴露限界は、天井限界、最大値、短期暴露限界 (STEL)、15 分間暴露限界、または 8 時間加重平均限界 (TWA) として表すことができます。以下はサンプルであり、網羅的ではありません。米国では、あまり一般的ではないイソシアネートにも特定の限界があり、一部の地域では総イソシアネートに制限があり、純粋な化学物質暴露と比較した化学物質混合物の安全性に関する不確実性が認識されています。たとえば、HDI の OEL はありませんが、NIOSH は 8 時間 TWA の REL を 5 ppb、天井限界を 20 ppb としており、これは MDI の推奨事項と一致しています。^[54]

労働安全衛生局（ OSHA ）は労働者の安全を管轄する規制機関です。OSHAはMDIの許容暴露限界（PEL）20ppbと暴露評価に関する詳細な技術ガイダンスを提示しています。^[52]

国立衛生研究所（NIOSH）は職場の安全に関する研究と勧告を行う機関であり、OSHAは執行機関である。NIOSHは推奨暴露限界（REL）を導き出す科学的根拠を提供する責任があり、RELはPELよりも低い可能性がある。OSHAは執行限界（PEL）の執行と擁護を任務としている。1992年にOSHAがTDIのPELをNIOSH RELまで引き下げたとき、PELの引き下げは裁判で争われ、引き下げは取り消された。^[61]

環境保護庁（EPA）も環境や労働者以外が暴露する可能性のある人々に関するイソシアネートの規制に関与している。^[62]

アメリカ産業衛生専門家会議（ACGIH）は、化学物質に関する研究において、悪影響のない一定の作業暴露レベルとして閾値限界値（TLV） ^{[61]として知られるガイドラインを発行している非政府組織です[明確化]}。TLVは、PELと同じでない限り、OSHAが強制できる値ではありません。

欧州化学物質庁（ECHA）は、欧州連合内で使用される化学物質の規制監督を行っています。^[63] ECHAは、製品中の許容濃度の低減と労働者の義務的な訓練、行政管理による排除を通じて労働者の暴露を制限することを目的とした政策を実施しています。^[64]欧州連合内では、多くの国がイソシアネートの職業暴露限度を独自に設定しています。

国連は世界保健機関（WHO）を通じて、国際労働機関（ILO）、国連環境計画（UNEP）と協力し、国際化学物質安全性計画（IPCS）を通じて化学物質に関する概要文書を公表している。IPCSは2000年にMDIに関する科学的知識の現状をまとめた文書を公表した。^[65]

IARCは化学物質の危険性データを評価し、発がんリスクの評価を行っています。TDIの場合、最終評価はヒトに対して発がん性の可能性がある（グループ2B）となっています。^[66] MDIの場合、最終評価はヒトに対する発がん性について分類できない（グループ3）となっています。^[67]

国際イソシアネート協会は、ベストプラクティスを広めることでイソシアネートの安全な利用を促進することを目指す国際的な業界団体です。^[68]

• イソチオシアネート
• ポリメチレンポリフェニレンイソシアネート

• NIOSH 安全衛生トピック: イソシアネート、国立労働安全衛生研究所 (NIOSH) の Web サイトより
• 英国健康安全局、英国健康安全局のウェブサイト、このサイトで役立つ検索用語 - イソシアネート、MVR、喘息
• 国際イソシアネート研究所 | dii 国際イソシアネート研究所
• イソシアネート含有製品の安全作業手順、200 年 6 月。2016 年 3 月 9 日にWayback Machineにアーカイブされました。
• イソシアネート - 測定方法、曝露および影響、スウェーデン国立労働生活研究所ワークショップ (1999)
• 健康安全局、ガイダンスノート（EH16）イソシアネート：毒性の危険性と予防措置（1984）
• プラスチック工業会 – 技術速報 AX119 MDI ベースポリウレタン
• フォームシステム：安全な取り扱いと廃棄に関するガイドライン（1993）
• 英国におけるイソシアネートの使用と管理に関する職業衛生評価、Hilary A Cowie 他著。HSE 研究レポート RR311/2005。労働医学研究所が保健安全局のために作成。