三フッ化ホウ素とは
三フッ化ホウ素 (英: Boron trifluoride) とは、ホウ素のフッ化物の1種で、化学式BF3で表される無機化合物です。
無水和物の他、一般的には二水和物があります。それぞれCAS登録番号は、7637-07-2と13319-75-0です。
粘膜に対して刺激性を持つ気体であるため、取り扱いには注意が必要です。ジエチルエーテルと形成する錯体は液体であり、しばしばルイス酸として用いられます。
三フッ化ホウ素の使用用途
三フッ化ホウ素の主な使用用途は、触媒 (ルイス酸触媒など) 、半導体製造用途 (ドーピング用) 、重合開始剤、光ファイバー製造用途などです。
1. 触媒
三フッ化ホウ素はアンモニアやジエチルエーテルなどのルイス塩基と容易に複合体を形成し、ルイス酸触媒として有機合成分野で用いられる物質です。触媒する反応には、例えば異性化やアルキル化、エステル化、縮合反応などの反応があります。
特に、ジエチルエーテルとの錯体は蒸留が可能なほど安定であり、市販もされている物質です。
2. 半導体製造
三フッ化ホウ素は、半導体製造の分野では、イオン注入におけるドーパントや、エピタキシャル成長されたシリコンがP型半導体となる際のドーパントとして利用されています。ドーパントとは、半導体に混入させる不純物です。
三フッ化ホウ素は、電子機器や光ファイバーなどに用いられる半導体を製造する際にドーピング源として利用されています。
3. 重合開始剤
三フッ化ホウ素は、重合開始材としても利用されています。重合開始剤としての三フッ化ホウ素は、ビニルフェノールやその誘導体の重合をする際に、限定した分子量分布で重合を行うことができる重合開始材です。
また、三フッ化ホウ素を用いることでリビング重合性を有したカチオン重合を実現することができます。
三フッ化ホウ素の性質
図1. 三フッ化ホウ素の基本情報
三フッ化ホウ素は、分子量67.82、融点-126.8℃、沸点-100.3℃であり、常温では無色の気体です。なお、二水和物の分子量は103.837であり、常温では無色の液体です。
密度は0.00276g/mL (二水和物は1.64g/mL) であり、水に溶解する他、プロパン、ペンタン、ケロセン、ナフサ、クロロホルム、ベンゼン、ニトロベンゼン、ジクロロベンゼンなどの各種有機溶媒に溶けます。分子構造はホウ素原子に3つのフッ素原子が結合し、正三角形状に並んだ構造です。
三フッ化ホウ素の分子構造
三フッ化ホウ素の分子構造は正三角形状であり、共有結合は強く分極しています。ただし、分子自体は非極性です。これはホウ素原子がsp2軌道を取っており、分子が3回対称であるためです。
三フッ化ホウ素の種類
三フッ化ホウ素は、産業用高圧ガスとして販売されている他、メタノール錯塩 (メタノール溶液) としては研究開発用試薬製品としても販売されています。
1. 高圧ガス製品
産業用高圧ガス製品は、半導体製造、医薬中間体合成触媒、重合触媒等の用途を想定して販売され、1kg、30kgスチール製ボンベや300kgカードルで提供されます。保管、使用にあたっては高圧ガス保安法、毒劇法の規定に従う必要があります。
2. 研究開発用試薬製品
研究開発用試薬製品は、メタノール錯塩 BF3・CH3OHとして販売されています。5mL、100mL、250mL、500mL、25g、100g、400gなど、実験室で取り扱いやすい容量での提供です。通常室温で保管可能な試薬製品として取り扱われます。通常の試薬グレードの他、ガスクロマトグラフ用など分析用のグレードの製品も存在するため、用途に合わせて選択することが必要です。
三フッ化ホウ素のその他情報
1. 三フッ化ホウ素の合成
図2. 三フッ化ホウ素の合成
三フッ化ホウ素は、工業的には酸化ホウ素とフッ化水素の反応で合成されます。実験室スケールでは、テトラフルオロホウ酸のジアゾニウム塩の分解や、テトラフルオロホウ酸ナトリウムとフッ化水素酸と硫酸を用いた反応などにより合成されています。
2. 三フッ化ホウ素の反応性
図3. 三フッ化ホウ素の化学反応の例
三フッ化ホウ素は、腐食性がある物質です。ステンレス鋼やモネル、ハステロイなどは、水蒸気の存在下で腐食されます。ポリアミドとの反応性もありますが、テフロンやポリプロピレンなどは腐食されません。
ホウ素は電子不足であり、化学反応においてはルイス酸として働く物質です。例えば、フッ化物と反応してテトラフルオロホウ酸塩を生成します。また、他のハロゲン化ホウ素とは異なって加水分解を受けます。加水分解による生成物は、ホウ酸とホウフッ化水素酸です。
3. 三フッ化ホウ素の法規制情報
三フッ化ホウ素は、毒物及び劇物取締法における毒物です。その他、労働安全衛生法で名称等を表示すべき有害物質などに指定されており、PRTR法では第一種指定化学物質です。さらに、消防法では、貯蔵等の届け出を要する物質に指定されています。
参考文献
https://anzeninfo.mhlw.go.jp/anzen/gmsds/7637-07-2.html