ジボラン
ジボラン（Diborane）は、化学式 で表される、最も単純な構造を持つ安定なボラン（ホウ素の水素化合物）の一種である。常温においては特有の甘い臭気を放つ無色の気体であり、極めて高い反応性と毒性を有することで知られている。ジボランの最大の化学的特徴は、通常の共有結合の理論では説明が困難な「3中心2電子結合」という特殊な結合様式を含んでいる点にあり、これが現代の量子化学や分子構造論の発展に大きく寄与した。工業的には、半導体製造におけるドーピングガスや、有機化学分野での強力な還元剤、あるいはヒドロホウ素化反応の試薬として不可欠な存在である。本稿では、ジボランの構造的特異性、物理化学的性質、合成方法、そして多岐にわたる産業利用について詳述する。
分子構造と3中心2電子結合
ジボランの構造は、エタン（）に似た組成を持ちながら、その結合様式は根本的に異なる。2個のホウ素原子が4個の末端水素原子と通常の共有結合（2中心2電子結合）を形成し、残りの2個の水素原子が2個のホウ素原子を橋渡しするような形で配置されている。この橋渡し水素（ブリッジ水素）部分は、3つの原子（B-H-B）に対して2つの電子しか存在しない「3中心2電子結合」を形成しており、その形状から「バナナ型結合」とも称される。ホウ素原子は 混成軌道に近い状態にあり、末端のB-H結合距離に比べてブリッジ部分のB-H結合距離は長くなっている。この特異な構造は、ジボランが電子欠損化合物であることを示しており、強力なルイス酸としての性質を規定する要因となっている。
物理的・化学的性質と反応性
ジボランは融点 ℃、沸点 ℃の気体であり、空気中において自然発火しやすい性質を持つ。酸素と反応する際には極めて大きなエネルギーを放出し、最終的に三酸化二ホウ素（）と水を生じる。また、水との反応も激しく、速やかに加水分解されてホウ酸と水素を生成する。化学反応においては強力な還元剤として機能し、アルデヒドやケトン、カルボン酸などを対応するアルコールへと還元する能力を持つ。一方で、オレフィンなどの不飽和結合に対しては、後述するヒドロホウ素化反応を進行させる。ジボランの反応性は、その電子欠損性を補うために他の分子から電子対を受け取ろうとする挙動に由来しており、エーテルやアミンなどのルイス塩基と反応して安定な錯体を形成することも特徴的である。
歴史的背景とアルフレッド・ストックの功績
ジボランを含むボランの研究は、20世紀初頭にドイツの化学者アルフレッド・ストックによって体系化された。ストックは、マグネシウム・ボライドと酸の反応により生じる不安定な気体群を精査し、真空精留装置を開発することで、ジボランをはじめとする一連のホウ素水素化合物の単離に成功した。彼の研究は、それまで炭素化合物に比べて理解が進んでいなかったホウ素化学に光を当て、無機化学の一大分野を築く礎となった。その後、1940年代から50年代にかけて、ウィリアム・リプスコムによってジボランの三次元的構造とその結合理論が量子化学的に解明され、リプスコムはこの功績によりノーベル化学賞を受賞している。ジボランの探求は、化学結合の本質を問い直す歴史そのものと言えるだろう。
工業的および実験室的合成法
ジボランの合成には、主にアルカリ金属の水素化ホウ素化合物とハロゲン化ホウ素の反応が用いられる。工業的な規模では、三フッ化ホウ素（）のエーテル錯体に対し、水素化ホウ素ナトリウム（）を反応させる手法が一般的である。この反応により、ジボランガスが高純度で得られる。
- 水素化ナトリウムと三フッ化ホウ素の高温反応による直接合成
- 水素化ホウ素リチウムと塩化アルミニウムの反応による実験室規模の調製
- ヨウ素を用いた水素化ホウ素ナトリウムの酸化反応
生成されたジボランは、その不安定性と発火性から、テトラヒドロフラン（THF）やジメチルスルフィドなどの溶媒に吸収させ、安定な錯体の状態で保存・流通されることが多い。純粋なガス状態での貯蔵には極低温設備や厳重な保安体制が必要とされる。
有機合成におけるヒドロホウ素化反応
有機化学において、ジボランは「ヒドロホウ素化」と呼ばれる重要な反応の主役を担う。ハーバート・ブラウンによって発見されたこの反応は、アルケンの二重結合に対してジボランが付加し、アルキルボランを形成するものである。その後、過酸化水素と塩基による処理（酸化工程）を行うことで、アルケンからアルコールを合成することができる。この反応の最大の特徴は、マルコフニコフ則に反する逆マルコフニコフ配向で水酸基が導入される点にあり、他の合成法では困難な位置選択的な有機合成を可能にした。この功績によりブラウンもまたノーベル化学賞を受賞しており、ジボランを用いた合成法は、今日の医薬品製造や天然物合成の現場で標準的な手法として定着している。
半導体産業と先端技術への応用
ジボランは現代のハイテク産業、特に半導体製造プロセスにおいて不可欠な材料ガスである。シリコンウェハーに対してホウ素を導入し、p型半導体を形成するための「ドーパント（不純物）」として利用される。化学気相成長（CVD）法において、シラン（）などのガスとともにジボランを導入することで、正確に制御された電気的特性を持つシリコン薄膜を形成することができる。また、アモルファスシリコン太陽電池の製造においても、光吸収層の特性を調整するためにジボランが添加される。近年では、ホウ素を含むダイヤモンド薄膜や、高硬度材料である窒化ホウ素の原料としても注目されており、ジボランの需要は最先端材料の開発に伴って拡大し続けている。
高エネルギー燃料としての可能性
ジボランは、その燃焼エネルギーが非常に高いことから、かつては軍事用のロケット燃料やジェット燃料の添加剤として盛んに研究された経緯がある。重量あたりの発熱量は、従来の炭化水素燃料を大きく上回るため、航続距離の増大や推力の向上が期待された。しかし、燃焼生成物である三酸化二ホウ素が固体の微粒子となってノズルを塞ぐ問題や、毒性が強すぎる点、さらには燃料自体の安定性が低いといった実用上の課題が多く、大規模な実用化は見送られた歴史がある。現在では燃料そのものとしての利用よりも、燃料電池の水素供給源としての研究や、特殊な宇宙探査機の推進系など、極めて限定的な用途での検討に留まっている。
毒性と安全管理
ジボランは極めて毒性が高く、吸入、皮膚接触、経口摂取のいずれの経路においても人体に深刻な影響を及ぼす。許容濃度は極めて低く設定されており、微量の漏洩であっても肺水腫や中枢神経系の障害を引き起こす危険性がある。また、前述の通り空気中で自然発火し、水と接触すると爆発的に分解するため、その取り扱いには最高レベルの安全対策が要求される。実験室や工場では、火災報知器に加え、高感度のガス検知センサーの設置が義務付けられており、万が一の漏洩に備えた除害設備（スクラバー）の整備も不可欠である。ジボランを安全に利用するためには、化学的性質を熟知した専門家による厳格な工程管理と、防護具の徹底した着用が前提条件となる。