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Hydrazine

L’hydrazine, de nom officiel diazane, de formule chimique N2H4 et de formule semi-dĂ©veloppĂ©e H2N-NH2, est un composĂ© chimique liquide incolore, avec une odeur rappelant celle de l’ammoniac. Elle est miscible Ă  l'eau en toutes proportions.

Hydrazine

Dimensions et modĂšle 3D de l'hydrazine
Identification
Nom UICPA hydrazine
Synonymes

diazane, diamine

No CAS 302-01-2
No ECHA 100.005.560
No CE 206-114-9
PubChem 8058
SMILES
InChI
Apparence liquide hygroscopique, incolore, fumant, d'odeur Ăącre[1].
Propriétés chimiques
Formule H4N2N2H4
Masse molaire[2] 32,045 2 ± 0,000 7 g/mol
H 12,58 %, N 87,42 %,
Moment dipolaire 1,75 D [3]
DiamÚtre moléculaire 0,390 nm [3]
Propriétés physiques
T° fusion 2 °C[1]
T° ébullition 114 °C[1]
Solubilité miscible à l'eau
et aux solvants organiques
polaires
ParamÚtre de solubilité Ύ 37,3 MPa1/2 (25 °C)[4]

36,2 J1/2·cm-3/2 (25 °C)[3]

Masse volumique 1 010 kg·m-3[1]
Point d’éclair 38 °C (c.f.) [1]
Limites d’explosivitĂ© dans l’air 1,8–100 %vol[1]
Pression de vapeur saturante anhydre :

21 mbar (20 °C),
33 mbar (30 °C),
80 mbar (50 °C);


solution Ă  64 %m :
10 mbar (20 °C),
31 mbar (40 °C),
85 mbar (60 °C)[6]

Viscosité dynamique 0,9 mPa·s à 25 °C
Point critique 147,0 bar, 379,85 °C [7]
Thermochimie
S0gaz, 1 bar 238,68 J·K-1·mol-1 [8]
S0liquide, 1 bar 121,52 J·K-1·mol-1 [8]
ΔfH0gaz 95,35 kJ·mol-1[8]
ΔfH0liquide 50,63 kJ·mol-1[8]
ΔvapH° 41,8 kJ·mol-1 (1 atm, 113,55 °C);

44,7 kJ·mol-1 (1 atm, 25 °C)[9]

Cp
PCS 667,1 kJ·mol-1 (25 °C, gaz)[10]
PCI −622,08 kJ·mol-1 (gaz)[8]
Propriétés électroniques
1re énergie d'ionisation 8,1 ± 0,15 eV (gaz)[11]
Propriétés optiques
Indice de réfraction 1,469 [3]
Précautions
SGH[12] - [13]
SGH02 : InflammableSGH05 : CorrosifSGH06 : ToxiqueSGH08 : Sensibilisant, mutagÚne, cancérogÚne, reprotoxiqueSGH09 : Danger pour le milieu aquatique
Danger
H226, H301, H311, H314, H317, H331, H350, H410, P201, P261, P273, P280, P301+P310 et P305+P351+P338
SIMDUT[14]
B3 : Liquide combustibleD1A : MatiÚre trÚs toxique ayant des effets immédiats gravesE : MatiÚre corrosive
B3, D1A, D2A, E,
NFPA 704
Autre Peut attaquer le systĂšme nerveux.
Mortel Ă  hautes doses.
Transport[6]
-








-

Classification du CIRC
Groupe 2B : Peut-ĂȘtre cancĂ©rogĂšne pour l'homme[15]
Écotoxicologie
LogP -3,1[1]
Seuil de l’odorat bas : 3 ppm
haut : 4 ppm[16]

Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Les hydrazines constituent également une famille de composés chimiques dérivés de l'hydrazine (H2N-NH2 par substitution d'un ou plus atomes H par des radicaux hydrocarbonés (par exemple la 2,4-dinitrophénylhydrazine).

La production annuelle de l'hydrazine est de 260 000 tonnes. La plus grande part de cette production est utilisĂ©e comme agent moussant pour la production de polymĂšres expansĂ©s. Le reste de cette production se rĂ©partit dans diffĂ©rents secteurs comme la chimie organique pour la synthĂšse de mĂ©dicaments ou la chimie inorganique pour la production d'azoture de sodium, l'agent explosif de gonflage des « airbags » (coussins gonflables de sĂ©curitĂ©). L'hydrazine est Ă©galement utilisable comme carburant des moteurs de fusĂ©e.

Structure moléculaire et propriétés

La structure de l'hydrazine se prĂ©sente sous l’aspect de deux molĂ©cules d’ammoniac accouplĂ©es l’une Ă  l’autre par enlĂšvement d'un hydrogĂšne pour chacune des deux molĂ©cules. Chaque sous-unitĂ© -NH2 se prĂ©sente sous une forme pyramidale. La distance entre les deux atomes d'azote est de 145 pm et la molĂ©cule adopte une conformation anticlinale[17]. Le moment de rotation est le double de celui de l’éthane. Ses propriĂ©tĂ©s structurelles ressemblent Ă  celles du peroxyde d'hydrogĂšne gazeux, qui adopte une conformation « asymĂ©trique » analogue Ă  une structure d'alcane linĂ©aire, avec un moment de rotation Ă©levĂ©.

Elle possĂšde les propriĂ©tĂ©s d’une base comparable Ă  l’ammoniaque, mais 15 fois plus faible.
Le substituant sur chaque amine rend le doublet électronique moins disponible pour capter un proton et donc moins basique[18]. L'hydrazine est un meilleur nucléophile que l'ammoniac à cause de la répulsion entre les doublets non liants des atomes d'azote adjacents[19].

N2H4 + H+ → [N2H5]+ ; K = 8,5 × 10-7 (pour l’ammoniaque, K = 1,78 × 10−5).

La deuxiĂšme protonation est plus difficile[20]:

[N2H5]+ + H+ → [N2H6]2+ ; K = 8,4 × 10-16

L'hydrazine est un rĂ©ducteur beaucoup plus fort en milieu basique qu'en milieu acide. (E=-0,23 V Ă  pH=0 et E=-1,16 V Ă  pH=14)[18]. Lorsque l'hydrazine rĂ©agit avec des oxydants, divers produits azotĂ©s peuvent se former mais en gĂ©nĂ©ral, il s'agit de diazote. La rĂ©action de l'hydrazine avec le dioxygĂšne forme du diazote et de l'eau, tout en dĂ©gageant une grande quantitĂ© de chaleur.

L'hydrazine N2H4 se dégrade sous l'action de la chaleur et des rayons ultraviolets en azote N2, hydrogÚne H2 et ammoniac NH3.

Certains sels d'hydrazine sont explosifs : nitrate d'hydrazine, chlorate d'hydrazine, perchlorate d'hydrazine et azoture d'hydrazonium[21].

Propriétés physico-chimiques

L'hydrazine anhydre est un liquide incolore fumant à l'air avec une odeur aminée. Le seuil olfactif est de 3 ppm.

SynthĂšse

Theodor Curtius synthĂ©tisa l’hydrazine simple pour la premiĂšre fois en 1889 par un biais dĂ©tournĂ©[22].

L’hydrazine est produite par le procĂ©dĂ© d’Olin Raschig Ă  partir de l’hypochlorite de sodium et de l'ammoniac, une mĂ©thode inventĂ©e en 1907. Ce procĂ©dĂ© repose sur la rĂ©action des chloramines avec l'ammoniac[23].

NH2Cl + NH3 → H2N–NH2 + HCl.
La monochloramine nécessaire étant préalablement produite par la réaction :
NH3 + HOCl → NH2Cl + H2O

Une variante du procĂ©dĂ© d’Olin Raschig est l'oxydation de l’urĂ©e par l’hypochlorite de sodium [24]:

(H2N)2C=O + NaOCl + 2 NaOH → N2H4 + H2O + NaCl + Na2CO3.

Dans le cycle Atofina-PCUK, l'hydrazine est fabriquĂ©e en plusieurs Ă©tapes Ă  partir d’acĂ©tone, d'ammoniaque et de peroxyde d'hydrogĂšne. L’acĂ©tone et l'ammoniaque rĂ©agissent d’abord pour donner une imine, rĂ©action suivie d’une oxydation par le peroxyde d'hydrogĂšne en oxaziridine, un hĂ©tĂ©rocycle Ă  trois atomes comportant un atome de carbone, un atome d'azote et un atome d'oxygĂšne, suivie d’une ammoniolyse qui conduit Ă  l’hydrazone, un processus qui assemble deux atomes d'azote. L’hydrazone rĂ©agit avec l'acĂ©tone en excĂ©dent, et l'acĂ©tone azine produite est hydrolysĂ©e pour former l'hydrazine, en rĂ©gĂ©nĂ©rant l’acĂ©tone. Contrairement au procĂ©dĂ© de Raschig, cette mĂ©thode ne gĂ©nĂšre pas de sel. PCUK est associĂ© Ă  Ugine Kuhlmann, un fabricant français de produits chimiques[25].

L’hydrazine peut aussi ĂȘtre produite par une mĂ©thode connue sous le nom de procĂ©dĂ© kĂ©tazine et peroxyde.

En 2001, Marc Strous, microbiologiste Ă  l'universitĂ© de NimĂšgue aux Pays-Bas, a dĂ©couvert que l'hydrazine est produite par des levures et une bactĂ©rie ocĂ©anique, Brocadia anammoxidans, par une rĂ©action d’anammox rĂ©alisĂ©e dans des organites spĂ©cialisĂ©s appelĂ©s anammoxosomes. Ce sont les seuls organismes vivants actuellement connus capables de produire naturellement de l’hydrazine[26] - [27].

Dérivés

On connaĂźt de nombreux dĂ©rivĂ©s par substitution de l’hydrazine, et plusieurs d’entre eux sont produits naturellement. Quelques exemples :

Utilisation en chimie

Les hydrazines sont utilisĂ©es dans la synthĂšse de nombreuses molĂ©cules organiques et beaucoup d’entre elles ont une importance pratique dans l’industrie pharmaceutique, comme antituberculeux, ainsi que dans les textiles comme colorant et dans la photographie.

On la trouve aussi dans l'industrie en général et plus particuliÚrement mélangée à l'eau alimentaire pour chaudiÚre vapeur. Elle a pour but de détruire les derniÚres molécules d'oxygÚne et ainsi éviter la corrosion des lignes de vapeur en acier.

RĂ©action avec les carbonyles

Pour illustrer la condensation de l'hydrazine avec un radical carbonyle, citons la rĂ©action avec l’acĂ©tone qui conduit Ă  la formation de diisopropylidĂšne hydrazine. Celle-ci rĂ©agit encore avec l'hydrazine pour former une hydrazone [28]:

2 (CH3)2CO + N2H4 → 2 H2O + [(CH3)2C=N]2.
[(CH3)2C=N]2 + N2H4 → 2 (CH3)2C=N–NH2.

L'acĂ©tone et la diisopropylidĂšne hydrazine sont des intermĂ©diaires dans la synthĂšse PCUK-Atofina. L’alkylation directe des hydrazines avec les halogĂ©noalcanes en prĂ©sence d’une base forme des dĂ©rivĂ©s alkylĂ©s des hydrazines, mais la rĂ©action est gĂ©nĂ©ralement inefficace en raison d’un mauvais contrĂŽle sur le niveau de substitution (comme pour les Amines ordinaires). La rĂ©duction de l’hydrazone en hydrazine constitue une façon Ă©lĂ©gante de produire des hydrazines 1,1 dialkylĂ©es.

Dans une autre rĂ©action, la 2-cyanopyridine rĂ©agit avec l'hydrazine pour former des hydrazides amidĂ©es qui peuvent ĂȘtre converties en triazines en utilisant les 1,2-dicĂ©tones.

RĂ©action de Wolff-Kishner

La réaction de Wolff-Kischner

L’hydrazine est utilisĂ©e en chimie organique dans la rĂ©duction de Wolff-Kishner, une rĂ©action qui transforme le groupe carbonyle d'une cĂ©tone ou d’un aldĂ©hyde en pont mĂ©thylĂšne (ou groupe mĂ©thyle) par l'intermĂ©diaire d'une molĂ©cule d’hydrazone. La production de diazote trĂšs stable Ă  partir de l'hydrazine favorise la rĂ©action.

SynthÚse des molécules polycycliques

Ayant deux fonctions amines, l’hydrazine est une piĂšce maĂźtresse pour la prĂ©paration de nombreux composĂ©s hĂ©tĂ©rocycliques via la condensation avec une partie possĂ©dant deux fonctions Ă©lectrophiles. Avec l’acĂ©tylacĂ©tone, il se condense pour donner le 3,5-dimĂ©thylpyrazole[29]. Dans la rĂ©action d’Einhorn-Brunner, les hydrazines rĂ©agissent avec les imides pour donner des triazoles.

Sulfonation

Étant un bon nuclĂ©ophile, N2H4 est vulnĂ©rable Ă  l'attaque des halogĂ©nures de sulfonyle et des halogĂ©nures d'acyle[30]. Le tosyl hydrazine forme aussi des hydrazones aprĂšs traitement avec des carbonyles.

DĂ©coupage des phthalimides

L’hydrazine est utilisĂ©e pour dĂ©couper la N-phthalimide en dĂ©rivĂ©s alkylĂ©s. Cette rĂ©action de scission permet Ă  l’anion phthalimide d'ĂȘtre utilisĂ© comme prĂ©curseur d'amine dans la synthĂšse de Gabriel[31].

Agent réducteur

L’hydrazine est un rĂ©ducteur apprĂ©ciĂ© parce que ses sous-produits de dĂ©composition sont gĂ©nĂ©ralement l'azote gazeux et l'eau. Ainsi, elle est utilisĂ©e comme antioxydant, dĂ©sactiveur d’oxygĂšne et inhibiteur de corrosion dans l'eau des chaudiĂšres et des circuits de chauffage (dans ce rĂŽle, on lui prĂ©fĂšre dĂ©sormais la N,N-diĂ©thylhydroxylamine, de moindre toxicitĂ©, mais elle est encore abondamment utilisĂ©es contre la corrosion dans les grandes centrales thermiques et nuclĂ©aires notamment[32]). Elle est aussi utilisĂ©e pour rĂ©duire les sels de mĂ©taux et d'oxydes de mĂ©taux Ă  l’état mĂ©tallique dans l’électrolyse du nickel ainsi que dans l’extraction du plutonium Ă  partir de combustibles nuclĂ©aires usĂ©s.

Sels d’hydrazine

L’hydrazine est convertie en sels solides au moyen d’un traitement par les acides minĂ©raux. Le sel le plus rĂ©pandu est l'hydrogĂ©nosulfate d'hydrazine, N2H5HSO4, qui devrait probablement ĂȘtre appelĂ© bisulfate d’hydrazine. Le bisulfate d’hydrazine est utilisĂ© comme traitement alternatif de la cachexie induite par le cancer. Le sel de l'hydrazine et de l’acide azothydrique N5H5 avait un intĂ©rĂȘt scientifique, en raison de sa forte teneur en azote et de ses propriĂ©tĂ©s explosives.

Utilisations industrielles

L’hydrazine est utilisĂ©e dans de nombreux procĂ©dĂ©s, par exemple la production de fibres d’élasthanne, comme catalyseur de polymĂ©risation, agent gonflant, pour les piles Ă  combustibles, comme flux de brasage pour le soudage, comme stabilisant dans certains procĂ©dĂ©s couleur argentiques, comme prolongateur de chaĂźne pour la polymĂ©risation du polyurĂ©thane, comme composĂ© rĂ©ducteur pour le conditionnement de l'eau des centrales thermiques et des circuits secondaires des centrales nuclĂ©aires et comme stabilisateur de chaleur. En outre, une technique utilisant des dĂ©pĂŽts d'hydrazine sur les semi-conducteurs a Ă©tĂ© rĂ©cemment expĂ©rimentĂ©e, avec une possible application Ă  la fabrication des thin-film transistors utilisĂ©s pour les Ă©crans Ă  cristaux liquides. L’hydrazine en solution Ă  70 % avec 30 % d'eau est utilisĂ©e pour alimenter l'EPU (unitĂ© d'alimentation d'urgence), sur les avions de chasse F-16 (General Dynamics F-16 Fighting Falcon).

En usage militaire, un dĂ©rivĂ© de l'hydrazine, la dimĂ©thylhydrazine asymĂ©trique (UDMH), combinĂ© avec du nitrate d'ammonium est l'ingrĂ©dient de base de l’astrolite (en), un explosif extrĂȘmement puissant inventĂ© dans les annĂ©es 1960.

Carburant pour fusées

L’hydrazine fut d'abord utilisĂ©e comme carburant pour fusĂ©es lors de la Seconde Guerre mondiale pour les avions Messerschmitt Me 163 (le premier avion-fusĂ©e), sous le nom de B-Stoff (en fait, de l'hydrate d'hydrazine). Ce B-Stoff Ă©tait mĂ©langĂ© Ă  du mĂ©thanol (M-Stoff) pour donner du C-Stoff, lequel Ă©tait utilisĂ© comme carburant avec du T-Stoff, un concentrĂ© de peroxyde d'hydrogĂšne, utilisĂ© comme comburant au contact duquel il s'enflammait spontanĂ©ment en une rĂ©action trĂšs Ă©nergĂ©tique.

Aujourd'hui, l'hydrazine est utilisĂ©e gĂ©nĂ©ralement seule comme monergol dans les moteurs Ă  faible poussĂ©e (mais grande prĂ©cision) permettant le positionnement sur orbite des satellites et des sondes spatiales ; dans ce cas, la poussĂ©e est assurĂ©e par dĂ©composition catalytique de l'hydrazine et non par combustion. Cette dĂ©composition est en effet une rĂ©action trĂšs exothermique. Elle est obtenue en faisant passer l'hydrazine sur un catalyseur dont le composant actif est l'iridium mĂ©tallique dĂ©posĂ© sur une grande surface d’alumine (oxyde d'aluminium), ou de nanofibres de carbone[33], ou plus rĂ©cemment le nitrure de molybdĂšne sur l'alumine[34], voire du nitrate de molybdĂšne. Sa dĂ©composition en ammoniac, diazote et dihydrogĂšne rĂ©sulte des rĂ©actions suivantes :

  1. 3 N2H4 → 4 NH3 + N2.
  2. N2H4 → N2 + 2 H2.
  3. 4 NH3 + N2H4 → 3 N2 + 8 H2.

Cette dĂ©composition se dĂ©clenche en quelques millisecondes et permet de doser la poussĂ©e de façon trĂšs prĂ©cise. Ces rĂ©actions sont trĂšs exothermiques (le catalyseur de la chambre peut atteindre 800 °C en quelques millisecondes[33]), et produisent un gros volume de gaz chauds Ă  partir d’un faible volume d’hydrazine liquide[34], ce qui en fait un bon propergol pour la propulsion spatiale.

Certains dĂ©rivĂ©s de l'hydrazine sont Ă©galement employĂ©s comme ergols liquides : la monomĂ©thylhydrazine H2N–NHCH3 (ou MMH), et la dimĂ©thylhydrazine asymĂ©trique, H2N–N(CH3)2 (ou UDMH). Ils sont gĂ©nĂ©ralement utilisĂ©s avec le peroxyde d'azote N2O4 comme oxydant, avec lequel ils forment un propergol liquide stockable hypergolique.

Piles Ă  combustible

Le fabricant italien de catalyseur Acta a proposĂ© d'utiliser l’hydrazine comme solution alternative Ă  l'hydrogĂšne dans les piles Ă  combustibles. Le principal avantage de ce produit est sa capacitĂ© Ă  produire plus de 200 mW/cm2, davantage qu’une pile Ă  hydrogĂšne similaire sans nĂ©cessitĂ© de recourir Ă  de coĂ»teux catalyseurs contenant du platine. Comme le combustible est liquide Ă  tempĂ©rature ambiante, il peut ĂȘtre manipulĂ© et stockĂ© plus facilement que l'hydrogĂšne. En stockant l'hydrazine dans un rĂ©servoir contenant un carbonyle avec une double liaison carbone oxygĂšne, le combustible rĂ©agit et forme une matiĂšre solide et sĂ»re appelĂ© hydrazone. Ensuite il suffit de remplir le rĂ©servoir avec de l'eau chaude pour libĂ©rer l’hydrate d'hydrazine sous forme liquide. La manipulation d’un combustible liquide est en pratique beaucoup plus sĂ»re que de celle de l'hydrogĂšne gazeux, et le liquide a un plus grand potentiel d'oxydo-rĂ©duction (1,56 V) comparativement Ă  1,23 V pour l'hydrogĂšne. La molĂ©cule d’hydrazine est cassĂ©e dans la pile pour former du diazote et des atomes d'hydrogĂšne qui se lient Ă  un atome d’oxygĂšne pour former de l’eau[35].

Sécurité

Toxicité, écotoxicité

L'hydrazine est hautement toxique et dangereusement instable, surtout sous sa forme anhydre. On l'utilise généralement sous forme de monohydrate stable.
Les symptĂŽmes d'une exposition aiguĂ« Ă  des niveaux Ă©levĂ©s d'hydrazine peuvent se manifester chez l'homme par l'irritation des yeux, du nez et de la gorge, des Ă©tourdissements, des cĂ©phalĂ©es, des nausĂ©es, un ƓdĂšme pulmonaire, des convulsions, un coma. Une exposition aiguĂ« peut Ă©galement endommager le foie, les reins et le systĂšme nerveux central chez l'homme. Le liquide est corrosif et peut produire un eczĂ©ma de contact chez les humains et les animaux. Des effets nocifs pour les poumons, le foie, la rate et la thyroĂŻde ont Ă©tĂ© rapportĂ©s chez des animaux exposĂ©s de façon chronique Ă  l'hydrazine par inhalation. Une augmentation du nombre de cas de tumeur du poumon, de la cavitĂ© nasale, et du foie a Ă©tĂ© observĂ©e chez les rongeurs exposĂ©s Ă  l'hydrazine.

Sa toxicité fait l'objet de réévaluations[36] périodiques, avec l'évolution des connaissances[37].

Un dĂ©rivĂ© de l’hydrazine a Ă©galement Ă©tĂ© mis en cause dans une Ă©tude scientifique, reliant la consommation d’un champignon contenant cette toxine Ă  un cluster de cas de SLA (anciennement appelĂ©e maladie de Charcot)[38].

Références

  1. HYDRAZINE (anhydre), Fiches internationales de sécurité chimique
  2. Masse molaire calculĂ©e d’aprĂšs « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
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  13. SIGMA-ALDRICH
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Articles connexes

Liens externes

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