Введение

Бесцветная горючая жидкость с запахом аммиака, относящаяся к классу антидепрессантов. Гидразин – неорганическое соединение с химической формулой N2H4. Это простой пниктогенгидрид, бесцветная горючая жидкость с запахом аммиака. Гидразин высокотоксичен, если не используется в виде раствора, например, гидразингидрата (N2H4·xH2O). Гидразин в основном применяется в качестве пенообразователя при производстве полимерных пен, но также используется в качестве прекурсора для фармацевтических и агрохимических препаратов, а также в качестве длительно хранимого топлива для двигателей космических аппаратов. Кроме того, гидразин применяется в различных ракетных топливах и для получения газообразующих веществ, используемых в подушках безопасности. Гидразин используется в паровых циклах ядерных и обычных электростанций в качестве деаэратора для контроля концентрации растворенного кислорода и снижения коррозии. Ежегодно в мире производится около 120 000 тонн гидразингидрата (соответствующего 64%-ному раствору гидразина в воде по массе). Космический челнок и разведывательный самолет U-2 используют гидразин для питания системы аварийного запуска в случае остановки двигателя.

Прекурсор пестицидов и фармацевтических препаратов

Гидразин является предшественником ряда фармацевтических препаратов и пестицидов. Зачастую в этих применениях гидразин превращают в гетероциклические кольца, такие как пиразолы и пиридазины. Примеры коммерчески доступных биоактивных производных гидразина включают цефазолин, ризатриптан, анастрозол, флуконазол, метазахлор, метамитрон, метрибузин, паклобутразол, диклобутразол, пропиконазол и сульфат гидразина.

Маломасштабные, нишевые и исследовательские проекты

Итальянский производитель катализаторов Acta (химическая компания) предложил использовать гидразин в качестве альтернативы водороду в топливных элементах. Главное преимущество использования гидразина заключается в том, что он способен вырабатывать более 200 мВт/см² по сравнению с аналогичным водородным элементом, без использования (дорогих) платиновых катализаторов. Поскольку топливо находится в жидком состоянии при комнатной температуре, его легче обрабатывать и хранить, чем водород. Хранение гидразина в резервуаре, заполненном двойной связью углерод-кислород-карбонильным соединением, вызывает реакцию, в результате которой образуется безопасное твердое вещество – гидразон. Промывка резервуара теплой водой высвобождает жидкий гидразингидрат. Электродвижущая сила гидразина составляет 1,56 В, что выше, чем у водорода – 1,23 В. В топливном элементе гидразин разлагается на азот и водород, который соединяется с кислородом, высвобождая воду. С января по июнь 1991 года Исследовательская лаборатория армии США провела анализ ранних программ разработки пушек, использующих жидкое ракетное топливо, для оценки их возможной применимости к программе электротермического химического привода.

Влияние на здоровье

Потенциальные пути воздействия гидразина включают кожный, глазной, ингаляционный и пероральный. Воздействие гидразина может вызвать раздражение кожи/контактный дерматит и ожоги, раздражение глаз/носа/горла, тошноту/рвоту, одышку, отек легких, головную боль, головокружение, угнетение центральной нервной системы, вялость, временную слепоту, судороги и кому. Воздействие также может привести к повреждению органов, таких как печень, почки и центральная нервная система. Гидразин известен как сильный сенсибилизатор кожи с потенциалом перекрестной сенсибилизации к производным гидразина после первоначального воздействия. Помимо профессионального использования, описанного выше, воздействие гидразина в небольших количествах возможно также при вдыхании табачного дыма. Международное агентство по изучению рака (IARC) классифицирует гидразин как "2A – вероятно канцерогенный для человека", при этом наблюдается положительная связь между воздействием гидразина и раком легких. На основании когортных и поперечных исследований профессионального воздействия гидразина, комитет Национальных академий наук, инженерии и медицины пришел к выводу, что имеются данные, указывающие на связь между воздействием гидразина и раком легких, однако недостаточно доказательств связи с раком в других локализациях. Научный комитет Европейской комиссии по предельно допустимым концентрациям на рабочем месте (SCOEL) относит гидразин к генотоксическим канцерогенам группы B. Генетоксический механизм, на который ссылается комитет, связан с реакцией гидразина с эндогенным формальдегидом и образованием метилирующего агента ДНК. В случае возникновения чрезвычайной ситуации, связанной с воздействием гидразина, NIOSH рекомендует немедленно снять загрязненную одежду, вымыть кожу с мылом и водой, а при попадании в глаза – удалить контактные линзы и промывать глаза водой не менее 15 минут. NIOSH также рекомендует всем, кто подвергся возможному воздействию гидразина, как можно скорее обратиться за медицинской помощью. Для персонала аэрокосмической отрасли ВВС США использует руководящие указания по воздействию в чрезвычайных ситуациях, разработанные Комитетом по токсикологии Национальной академии наук, которые применяются к нерегулярному воздействию на население в целом и называются кратковременными руководящими указаниями по воздействию на население в чрезвычайных ситуациях (SPEGL). SPEGL, который не распространяется на профессиональное воздействие, определяется как допустимая пиковая концентрация для непредвиденных, разовых, кратковременных чрезвычайных ситуаций, воздействующих на население в целом, и представляет собой редкие случаи воздействия в течение трудовой жизни работника. Для гидразина 1-часовой SPEGL составляет 2 ppm, а 24-часовой SPEGL – 0,08 ppm.

Обработка и медицинский контроль

Полная программа наблюдения за гидразином должна включать систематический анализ биологического мониторинга, медицинского обследования и данных о заболеваемости и смертности. Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC) рекомендуют предоставлять сводки наблюдений и проводить обучение для руководителей и работников. Предварительные и периодические медицинские обследования должны проводиться с особым вниманием к потенциальному воздействию гидразина на функции глаз, кожи, печени, почек, кроветворной, нервной и дыхательной систем. Молекула принимает конформацию "гауш" с углом закрутки 91(2)° (диэдрический угол между плоскостями, содержащими связь N-N, и биссектрисами углов H-N-H). Энергетический барьер вращения в два раза выше, чем у этана. Эти структурные свойства схожи со свойствами газообразного пероксида водорода, который принимает "искривленную" антиклинную конформацию и также характеризуется значительным энергетическим барьером вращения. Структура твердого гидразина была определена методом рентгенодифракции. В этой фазе длина связи N-N составляет 1,46 Å, а ближайшие несвязанные расстояния равны 3,19, 3,25 и 3,30 Å.

Синтез и производство

Разработаны разнообразные методы синтеза гидразина. Ключевым этапом является формирование одинарной связи N–N. Все эти методы можно разделить на две группы: использующие хлорные окислители (с образованием соли) и не использующие их.

Соли гидразиниума

Гидразин может быть протонирован с образованием различных твердых солей катиона гидразиния [N2H5]+ при обработке минеральными кислотами. Распространенной солью является гидразиния гидрогенсульфат, [N2H5]+[HSO4]–. Гидразиния гидрогенсульфат исследовался в качестве средства для лечения кахексии, вызванной раком, но оказался неэффективным. Двойная протонация приводит к образованию дикатиона гидразиния или гидразинедия, [N2H6](2+), для которого известны различные соли.

Органическая химия

Гидразины участвуют во многих органических синтезах, часто имеющих практическое значение в фармацевтике (см. раздел "Применение"), а также в производстве текстильных красителей и в фотографии. В реакции Эйнхорна-Бруннера гидразины реагируют с имидами с образованием триазолов. Являясь хорошим нуклеофилом, N2H4 может атаковать сульфонилгалогениды и ацилгалогениды. Тозилгидразин также образует гидразоны при взаимодействии с карбонильными соединениями. Гидразин используется для расщепления N-алкилированных производных фталимида. Эта реакция расщепления позволяет использовать фталимид-анион в качестве предшественника аминов в синтезе Габриэля.

Биохимия

Гидразин является промежуточным продуктом в процессе анаэробного окисления аммиака (анаммокса). Он образуется некоторыми дрожжами и океанической бактерией анамокс (Brocadia anammoxidans). Ложный сморчок производит яд гиромитрин, который является органическим производным гидразина и преобразуется в монометилгидразин посредством метаболических процессов. Даже самый распространенный съедобный гриб "шампиньон" Agaricus bisporus производит органические производные гидразина, включая агартин – гидразиновое производное аминокислоты, и гиромитрин.

История

Название "гидразин" было предложено Эмилем Фишером в 1875 году; он пытался синтезировать органические соединения, состоящие из монозамещенного гидразина. К 1887 году Теодор Куртиус получил гидразинсульфат, обрабатывая органические диазиды разбавленной серной кислотой; однако, несмотря на многократные попытки, ему не удалось получить чистый гидразин. Чистый безводный гидразин впервые был синтезирован голландским химиком Лобри де Брюином в 1895 году.