Gli isocianati sono composti organici in cui è presente il gruppo funzionale –N=C=O legato a un gruppo alchilico o arilico e, a seconda del gruppo R, possono essere sia solidi che liquidi ed in genere tossici. Questa disposizione conferisce al carbonio centrale un carattere fortemente elettrofilo, rendendolo suscettibile all’attacco di nucleofili come alcoli, ammine o addirittura l’acqua.
Gli isocianati sono generalmente composti volatili e reattivi, con un odore pungente e spesso sgradevole. A temperatura ambiente, si presentano per lo più come liquidi, ma alcuni isocianati ad alto peso molecolare possono essere solidi cristallini. La loro polarità li rende solubili in solventi organici polari, mentre sono scarsamente solubili in acqua, con cui tuttavia reagiscono liberando anidride carbonica e dando origine a composti secondari.
Le proprietà chimiche e fisiche sono strettamente legate alla loro struttura molecolare e alla natura del gruppo R. La loro versatilità li rende insostituibili in molte applicazioni industriali, ma proprio la loro reattività richiede un’attenzione scrupolosa nella manipolazione, nell’immagazzinamento e nella sicurezza dei processi.
Vanno maneggiati con le dovute norme di sicurezza tanto che la loro manipolazione richiede rigorose precauzioni.
Un evento tragico che ha segnato la storia della chimica industriale è il disastro di Bhopal (1984), in uno stabilimento chimico di proprietà della multinazionale Union Carbide, situato nella città di Bhopal, nello stato indiano del Madhya Pradesh.
L’evento comportò la fuoriuscita nell’atmosfera di circa 40 tonnellate di vapori di isocianato di metile (MIC), un composto estremamente tossico che causa danni irreversibili agli organismi che ha reso evidente la pericolosità potenziale di questi composti, soprattutto in condizioni di stoccaggio e gestione inadeguate.
Sintesi degli isocianati
Gli isocianati alchilici possono essere sintetizzati a partire da un alcol o da un tiolo in presenza di trifenilfosfina o per ossidazione degli isonitrili in presenza di dimetilsolfossido.
Possono essere ottenuti inoltre in una reazione a due stadi tra un’ammina e fosgene secondo la reazione:
RNH2 + COCl2 → HCl + RNHCOCl → RNCO + HCl
L’uso del fosgene, tuttavia, comporta severi protocolli di sicurezza a causa della sua elevata tossicità e dell’estrema reattività. Per questo motivo, nel corso degli anni sono state sviluppate vie alternative alla sintesi degli isocianati che non implicano l’impiego diretto di fosgene. Tra queste, meritano attenzione i metodi fosgene-free, che si basano sull’uso di reagenti meno pericolosi, come i derivati dell’urea, i carbonati organici o l’anidride carbonica.
Una delle alternative più promettenti consiste nella disidratazione di uree in condizioni controllate, per ottenere isocianati con emissioni ridotte di sottoprodotti nocivi.
Sebbene non ancora diffusamente impiegata su scala industriale, questa strategia si sta imponendo nell’ambito della chimica verde, per la sua maggiore sostenibilità ambientale.
Reazioni
A causa della presenza di due doppi legami cumulati gli isocianati sono molto reattivi in particolare nei confronti dei gruppi amminici, alcolici e carbossilici che agiscono da nucleofili. Gli isocianati reagiscono con:
- Gli alcoli per dare gli uretani
- L’acqua per dare un’ammina
- Le ammine per dare l’urea bisostituita
- Gli acidi carbossilici per dare un’ammide
Gli isocianati costituiscono importanti intermedi in molte reazioni chimiche che per la loro reattività danno luogo a vari prodotti di reazione.
Un esempio è costituito dalla degradazione di Hofmann in cui le ammidi primarie vengono trasformate in ammine primarie con un atomo di carbonio in meno per reazione, a caldo, con un alogeno in ambiente basico.
Tra gli isocianati assumono particolare importanza i diisocianati che presentando due gruppi funzionali –N=C=O danno una polimerizzazione per condensazione con i polioli con formazione di poliuretani.
Tali polimeri presentano caratteristiche molto diverse a seconda del diisociananto e del poliolo usati nella loro sintesi e variano dalla morbidezza delle schiume flessibili a bassissima densità, alla resistenza alle sollecitazioni di flessione dei poliuretani espansi, o alle proprietà di isolamento termico delle schiume rigide.
