ホウ素化合物
少なくとも1つのホウ素原子を含む化合物
三フッ化ホウ素(III)の構造。π型配位共有結合における「空の」ホウ素p軌道を示す。

ホウ素化合物は、ホウ素元素を含む化合物です。最も一般的な化合物では、ホウ素の正式な酸化数は+3です。これには、酸化物、硫化物、窒化物、ハロゲン化物が含まれます。[1]

ハロゲン化物

三ハロゲン化物は平面三方晶構造をとる。これらの化合物は、ルイス塩基と呼ばれる電子対供与体と容易に付加物を形成することから、ルイス酸である。例えば、フッ化物（F −）と三フッ化ホウ素（BF 3）は結合してテトラフルオロホウ酸アニオンBF 4 −を生成する。三フッ化ホウ素は石油化学産業において触媒として用いられる。これらのハロゲン化物は水と反応してホウ酸を生成する。[1]

酸素化合物

ホウ素は地球上の自然界では、ほぼすべてが様々なB(III)酸化物として存在し、他の元素と結合していることが多い。100種類以上のホウ酸塩鉱物が、酸化数+3のホウ素を含む。これらの鉱物はケイ酸塩といくつかの点で類似しているが、ホウ素は酸素と四面体配位しているだけでなく、三方平面配位していることも多い。ケイ酸塩とは異なり、ホウ素鉱物は配位数が4を超えるホウ素を含むことはない。典型的なモチーフは、左に示す一般的な鉱物ホウ砂の四ホウ酸アニオンで例示される。四面体ホウ酸塩中心の形式上の負電荷は、ホウ砂中のナトリウム（Na +）などの鉱物中の金属陽イオンによってバランスが保たれている。[1]ホウ酸塩ケイ酸塩のトルマリングループもまた、非常に重要なホウ素含有鉱物グループであり、多くのホウケイ酸塩も自然界に存在することが知られている。[2]

ボラン

ボラン クラスターのホウ素骨格構造を示すボール・アンド・スティックモデル。この構造は多面体骨格電子対理論によって合理化できる。[3]

ボランはホウ素と水素からなる化合物で、一般式はB x H yです。これらの化合物は自然界には存在しません。多くのボランは空気と接触すると容易に酸化され、中には激しく酸化されるものもあります。親化合物であるBH 3はボランと呼ばれますが、気体状態でのみ存在することが知られており、二量化してジボラン（B 2 H 6 ）を形成します。より大きなボランはすべて多面体状のホウ素クラスターで構成されており、その一部は異性体として存在します。例えば、B 20 H 26の異性体は、2つの10原子クラスターが融合した構造をしています。

最も重要なボランは、ジボランB 2 H 6とその熱分解生成物であるペンタボランB 5 H 9とデカボランB 10 H 14である。[B 12 H 12 ] 2−など、多数のアニオン性水素化ホウ素化合物が知られている。

ボランの形式酸化数は正であり、活性金属水素化物と同様に水素を-1と数えるという仮定に基づいています。したがって、ホウ素原子の平均酸化数は、分子中の水素とホウ素の比に等しくなります。例えば、ジボランB 2 H 6ではホウ素の酸化数は+3ですが、デカボランB 10 H 14では7/5 、つまり+1.4です。これらの化合物では、ホウ素の酸化数は整数ではないことがよくあります。

窒化物

窒化ホウ素は、その多様な構造で知られています。グラファイト、ダイヤモンド、ナノチューブなど、さまざまな炭素同素体に類似した構造を呈します。ダイヤモンドに似た構造を持つ立方晶窒化ホウ素（商品名ボラゾン）では、ホウ素原子はダイヤモンドの炭素原子の四面体構造の中に存在しますが、BN結合の4つに1つは配位共有結合と見なすことができ、ルイス塩基として働く窒素原子から2つの電子がルイス酸性ホウ素(III)中心への結合に供与されます。立方晶窒化ホウ素は、他の用途の中でも、ダイヤモンドに匹敵する硬度を持つ（2つの物質は互いに傷をつけることができる）ため、研磨剤として使用されます。グラファイトのBN化合物類似体である六方晶窒化ホウ素（h-BN）では、各平面で正に帯電したホウ素原子と負に帯電した窒素原子が、次の平面で反対に帯電した原子と隣接しています。その結果、グラファイトとh-BNはどちらも潤滑剤であるにもかかわらず、非常に異なる特性を持ちます。なぜなら、これらの面は互いに容易に滑り合うからです。しかし、h-BNは平面方向の電気伝導性と熱伝導性は比較的低いのです。[4] [5]

有機ホウ素化学

多数の有機ホウ素化合物が知られており、その多くは有機合成において有用である。多くは、単純なボラン化合物であるジボラン（B 2 H 6 ）を用いるヒドロホウ素化反応によって生成される。有機ホウ素(III)化合物は通常、四面体または三方平面構造をとる。例えば、テトラフェニルボレート（[B(C 6 H 5 ) 4 ] − ）とトリフェニルボラン（B(C 6 H 5 ) 3 ）である。しかし、複数のホウ素原子が互いに反応すると、完全にホウ素原子からなる、あるいは様々な数の炭素ヘテロ原子を含む、新規な十二面体（12面体）や二十面体（20面体）の構造を形成する傾向がある。

有機ホウ素化合物は、ホウ素-炭素クラスターの陰イオンと陽イオンからなる非常に硬い複合セラミックである炭化ホウ素（下記参照）から、ハロゲン化することで超酸であるカルボラン酸などの反応性構造を形成できる炭素-ホウ素クラスター化合物であるカルボランまで、実に多様な用途に利用されてきました。例えば、カルボランは、がんに対するホウ素中性子捕捉療法に用いられるホウ素含有化合物を合成するために、他の生化学物質に相当量のホウ素を付加する有用な分子部位を形成します。

B(I)とB(II)の化合物

ホウ素は水素化物クラスターから予想されるように、形式酸化数が3未満の様々な安定化合物を形成します。B 2 F 4とB 4 Cl 4はよく特徴付けられています。[6]

超伝導体二ホウ化マグネシウムの球棒モデル。ホウ素原子は六方晶系芳香族グラファイトのような層状構造をしており、各ホウ素原子は-1の電荷を帯びている。マグネシウム(II)イオンは層間に存在する。

二成分金属ホウ素化合物である金属ホウ化物は、負の酸化状態のホウ素を含む。例として二ホウ化マグネシウム（MgB 2）が挙げられる。各ホウ素原子は形式電荷 -1 を持ち、マグネシウムは形式電荷 +2 に割り当てられている。この材料では、ホウ素中心は三方平面であり、各ホウ素に対して余分な二重結合があり、グラファイト中の炭素に似たシートを形成している。しかし、共有結合原子の平面内に電子がない六方晶窒化ホウ素とは異なり、二ホウ化マグネシウムでは電子が非局在化しているため、等電子グラファイトに似た電気伝導性を示す。2001 年、この材料は高温超伝導体であることが判明した。[7] [8]これは現在開発が進められている超伝導体である。CERNのMgB2ケーブル製造プロジェクトでは、大型ハドロン衝突型加速器の高輝度バージョンなど、非常に高い電流分布用途向けに20,000アンペアを流せる超伝導試験ケーブルが開発されました。[9]

他の特定の金属ホウ化物は、切削工具用の硬質材料として特殊な用途に使用されています。[10]ホウ化物中のホウ素は、六ホウ化カルシウム（CaB 6）の-1/3のように、分数酸化状態をとることがよくあります。

構造的観点から見ると、ホウ素の最も特徴的な化合物は水素化物である。この系列には、クラスター化合物である十二ホウ酸塩（B
12H2−12
​）、デカボラン（B 10 H 14）、およびC 2 B 10 H 12などのカルボランが挙げられる。これらの化合物は、配位数が4を超えるホウ素を含むのが特徴である。[1]

参照

参考文献

  1. ^ abcd ホレマン、アーノルド F.;ウィバーグ、エゴン。ヴィバーグ、ニルス (1985)。 「ボル」。Lehrbuch der Anorganischen Chemie (ドイツ語) (91–100 版)。ウォルター・デ・グルイテル。ページ 814–864。ISBN​​ 978-3-11-007511-3。
  2. ^ “Mindat.org - 鉱山、鉱物、その他”. mindat.org . 2011年4月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年8月4日閲覧。
  3. ^ Welch, Alan J. (2013). 「ウェイド則の重要性と影響」. Chem. Commun . 49 (35): 3615– 3616. doi :10.1039/C3CC00069A. PMID  23535980.
  4. ^ Engler, M. (2007). 「六方晶窒化ホウ素（hBN）- 冶金から化粧品への応用」（PDF） . Cfi/Ber. DKG . 84 : D25. ISSN 0173-9913. 2013年6月13日時点のオリジナルより アーカイブ（PDF） . 2012年1月8日閲覧。
  5. ^ Greim, Jochen & Schwetz, Karl A. (2005). 「炭化ホウ素、窒化ホウ素、および金属ホウ化物」.炭化ホウ素、窒化ホウ素、および金属ホウ化物, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . Wiley-VCH: Weinheim. doi :10.1002/14356007.a04_295.pub2. ISBN 978-3527306732。
  6. ^ Greenwood, Norman N. ; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (第2版). Butterworth-Heinemann . doi :10.1016/C2009-0-30414-6. ISBN 978-0-08-037941-8。
  7. ^ Jones, Morton E. & Marsh, Richard E. (1954). 「ホウ化マグネシウムMgB 2の合成と構造」アメリカ化学会誌. 76 (5): 1434– 1436. Bibcode :1954JAChS..76.1434J. doi :10.1021/ja01634a089.
  8. ^ Canfield, Paul C. ; Crabtree, George W. (2003). 「マグネシウム二ホウ化物：遅くてもやらないよりはまし」（PDF） . Physics Today . 56 (3): 34– 40. Bibcode :2003PhT....56c..34C. doi :10.1063/1.1570770. 2012年2月26日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） . 2012年1月8日閲覧。
  9. ^ “Category "News+Articles" not found - CERN Document Server”. cds.cern.ch . 2022年2月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年10月9日閲覧。
  10. ^ Cardarelli, François (2008). 「二ホウ化チタン」.材料ハンドブック：簡潔なデスクトップリファレンス. Springer. pp.  638– 639. ISBN 978-1-84628-668-1. 2017年1月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年1月5日閲覧。
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