テトラメチルシラン

テトラメチルシランとは

図1. テトラメチルシランの基本情報

テトラメチルシラン (Tetramethylsilane, TMS) とは、分子式Si(CH₃)₄、もしくはSiMe₄ (Me = CH₃) で表される有機ケイ素化合物です。

有機ケイ素化合物のなかではもっとも単純な構造を持つ化合物であり、正四面体構造をもつ非極性分子に分類されます。CAS登録番号は75-76-3です。

分子量88.23、融点-102.2℃、沸点26.6℃、密度0.648g/cm³ であり、常温では無色透明の液体です。揮発性で石油臭があります。エタノールやジエチルエーテルに極めて溶けやすい物質ですが、水にはほとんど溶けません。

極めて引火性の高い液体であり、0℃以下でも引火するとされます。そのため、消防法では第4類引火性液体、非水溶性液体、特殊引火物に指定されています。

通常の保管方法においては安定ですが、強酸化剤、強酸、強塩基などとの混触は厳禁です。

テトラメチルシランの使用用途

テトラメチルシランは主に、¹H、¹³C、²⁹Siを用いる核磁気共鳴分光法  (NMR分光法) の内部標準物質や、化学気相成長 (CVD) における二酸化ケイ素や炭化ケイ素の前駆体材料などに用いられます。テトラメチルシランのNMRピークは低周波数側に大きくシフトします。これは、テトラメチルシランのケイ素原子は炭素原子よりも電気陰性度が低く、水素原子・炭素原子を強く遮蔽化するためです。

つまり、有機化合物一般の試料ピークとは干渉しません。そのため、テトラメチルシランのシングレットピークはδ 0.0と定義されています。また、化学的に反応性に乏しく揮発性が高く、NMR測定後に簡単に除去することができることも利点です。NMRで標準物質として用いる場合は特に、空気中の水分を吸わせないよう、開封・使用時は手早く行わなくてはいけません。結果に影響を与えてしまう恐れがあります。

もう一つの用途である化学気相成長 (CVD) とは、様々な物質の薄膜を形成する蒸着法の一つです。石英などで出来た反応管内で加熱した基板物質上に、目的とする薄膜の成分を含む原料ガスを供給し、基板表面あるいは気相での化学反応により膜を堆積します。この方法においては、テトラメチルシランは二酸化ケイ素や炭化ケイ素の前駆体です。どちらの化合物になるかは、その成長条件に依存します。

テトラメチルシランの原理

テトラメチルシランの原理を合成方法と化学反応の観点から解説します。

1. テトラメチルシランの合成方法

図2. テトラメチルシランの合成方法

テトラメチルシランを実験室で合成するための方法の一つは、乾燥したジブチルエーテル中で調製した臭化メチルマグネシウムに、クロロトリメチルシランまたは四塩化ケイ素を加える方法です。この方法で生成したテトラメチルシランは一般的に充填塔を用いて2回精留精製されます。

2. テトラメチルシランの化学反応

図3. テトラメチルシランのリチオ化反応

クロロメタンとケイ素の直接反応によりメチルクロロシラン (SiClx(CH3)4-x  x = 1, 2, 3) を生成させる反応において、副生成物として生じます。

n-ブチルリチウムと反応させると、リチオ化されて Si(CH3)3CH2Li を与えます。この化合物はアルキル化試剤として調製され、広く利用される化合物です。

テトラメチルシランの種類

テトラメチルシランは、主に化学試薬として販売されています。その他には、工業用に薄膜作成用の薬液としての流通などがあります。

試薬としてのテトラメチルシランは、10mL , 25mL , 100mL , 10g , 50gなどの容量の種類があります。沸点が27.5℃と低いため、冷蔵での保管が必要な試薬です。生化学用試薬やNMR測定用試薬、内部標準試薬として、定量や測定用溶媒に用いられます。

参考文献
https://anzeninfo.mhlw.go.jp/anzen/gmsds/75-76-3.html
https://www.chemicoco.env.go.jp/
https://www.nite.go.jp/
https://www.nies.go.jp/kisplus/dtl/chem/HPV00065