다이보레인

3. 성질

다이보레인은 상온에서 무색의 기체 상태로 존재하며, 불쾌하면서도 약간 단 냄새를 가진다. 반응성이 매우 높고 다재다능한 시약이다.^[16]

3. 1. 반응성

4. 합성

다이보레인(B₂H₆)은 다양한 경로를 통해 합성될 수 있다. 대부분의 제조 방법은 수소화물 공여체와 붕소 할로겐화물 또는 알콕사이드의 반응을 포함한다.^[11] 주요 합성 방법은 크게 산업적 규모의 합성과 실험실 규모의 합성으로 나눌 수 있다. 과거에는 보로수소화물 염과 산의 반응^[14] 또는 보로수소화물 염의 산화^[13]를 이용한 방법도 사용되었다.

4. 1. 산업적 합성

4. 2. 실험실 합성

5. 반응

다이보레인은 반응성이 매우 높고 다재다능한 시약이다.^[16] 발화성 물질인 다이보레인은 산소와 발열 반응을 통해 삼산화 붕소와 물을 생성한다.

: 2 B₂H₆ + 6 O₂ → 2 B₂O₃ + 6 H₂O (Δ''H''_r = −2035 kJ/mol = −73.47 kJ/g)

다이보레인은 물, 알코올, 루이스 염기, 알켄 등 다양한 화합물과 반응하며, 이러한 반응들은 각각의 하위 섹션에서 더 자세히 설명된다.

5. 1. 물과의 반응

5. 2. 알코올과의 반응

5. 3. 루이스 염기와의 반응

5. 4. 하이드로붕소화 반응

5. 5. 기타 반응

• 열분해: 다이보레인을 가열하면 수소와 다양한 붕소 수소화물 클러스터가 생성된다. 예를 들어, 오붕소화물(B₅H₉)은 약 200°C에서 다이보레인의 열분해를 통해 처음 제조되었다.^[18][19] 이 열분해 경로는 현재 거의 사용되지 않지만, 보란 클러스터 화학 연구의 중요한 시작점이 되었다. 공기를 차단하고 100°C로 가열하면 B₁₀H₁₄와 같은 더 복잡한 구조의 보란 화합물이 생성된다.

• 나트륨 아말감과의 반응: 다이보레인을 나트륨 아말감과 반응시키면 NaBH₄와 Na[B₃H₈]이 생성된다.^[17]

• 수소화물과의 반응: 다이에틸 에테르 용매 안에서 수소화 리튬(LiH)과 반응시키면 붕수소화 리튬(LiBH₄)이 형성된다.^[17]

• 할로젠화 수소와의 반응: 건조한 염화 수소(HCl) 기체 또는 브롬화 수소(HBr) 기체와 반응하여 붕소 할로하이드라이드(B₂H₅X)를 생성한다.^[17]

• 일산화 탄소와의 반응: 470 K 온도 및 20 bar 압력 조건에서 다이보레인을 일산화 탄소(CO)와 반응시키면 보란 카르보닐(H₃BCO)이 생성된다.^[17]

• 물 및 알코올과의 반응: 물과 매우 빠르게 반응하여 가수 분해되며, 붕산(B(OH)₃)과 수소(H₂) 기체를 생성한다.

• 알켄과의 반응 (하이드로붕소화): 에테르와 같은 용매 속에서 알켄과 반응한다. 이 반응에서 다이보레인은 단량체인 모노보란(BH₃)으로 해리된 후 알켄에 부 가 반응을 일으키는데, 이를 하이드로붕소화 반응이라고 한다.

• 안정성: 산소와 수분을 차단한 상태에서는 25°C에서 안정하지만, 습기가 있는 공기 중에서는 낮은 온도에서도 자연 발화할 수 있다.

6. 용도

다이보레인은 다양한 산업 분야에서 활용되는 중요한 화합물이다. 대표적으로 반도체 제조 공정에서 실리콘 웨이퍼에 붕소를 도핑(첨가)하여 p형 반도체를 만드는 데 사용된다. 이 과정은 주로 화학 기상 증착(CVD) 방식을 통해 이루어진다.

또한, 유기 합성 분야에서는 환원제로 사용되며, 중합 반응의 촉매로도 활용될 수 있다. 과거에는 높은 에너지를 내는 특성 때문에 로켓 추진제로 연구되기도 했으나, 실제 사용에는 여러 제약이 따랐다. 이 외에도 다른 보란 화합물을 합성하기 위한 출발 물질로 사용되기도 한다.

그러나 다이보레인은 인화성이 매우 높고 공기 중에서 폭발성을 가지며, 독성 또한 강하여 취급에 각별한 주의가 요구된다. 이러한 위험성 때문에 특정 용도로의 사용이 제한되기도 한다.

6. 1. 유기 합성

6. 2. 반도체 산업

6. 3. 기타 용도

7. 역사

다이보레인은 19세기 금속 붕소화물을 가수분해하는 과정에서 처음 합성되었으나, 당시에는 그 구조나 성질이 자세히 분석되지 않았다. 붕소 수소화물 화학 연구의 선구자인 알프레드 스톡은 1912년부터 1936년까지 이 화합물들을 연구하며 다이보레인이 에테인과 유사한 구조를 가질 것이라고 처음으로 제안했다.^[47][21] S. H. 바우어(S. H. Bauer)가 수행한 전자 회절 측정 결과는 초기에는 스톡이 제안한 구조를 지지하는 것처럼 보였다.^{[48][49][22][23]}

그러나 다이보레인의 구조에 대한 논의는 계속되었다. 라이너스 폴링과 같은 일부 저명한 화학자들은 에테인과 유사한 구조를 지지했으며, 이로 인해 헤르만 어빙 슐레진저와 A. B. 버그(A. B. Burg)는 1940년대 초반에 발표한 중요한 리뷰 논문에서 3중심 2전자 결합의 가능성을 구체적으로 다루지는 않았다.^[24] 그럼에도 불구하고, 그들은 이 리뷰에서 다리걸친 형태의 D_2h 대칭 구조에 대해 "이 구조가 다이보레인의 많은 화학적 특성을 쉽게 설명할 수 있다"고 언급하며 그 가능성을 열어두었다.^[24]

결정적인 이론적 설명은 1943년 H. 크리스토퍼 롱게-히긴스가 옥스퍼드 대학교 학부생 시절에 제시했다. 그는 지도교수 R. P. 벨과 함께 발표한 논문에서 붕소 수소화물의 구조와 결합, 특히 3중심 2전자 결합의 개념을 명확하게 설명했다.^[25][26] 이 이론은 이후 프라이스(W. C. Price)가 수행한 다이보레인의 적외선 분광 연구를 통해 실험적으로 확인되었다.^[27] 1951년에는 K. 헤드버그(K. Hedberg)와 V. 쇼메이커(V. Schomaker)의 전자 회절 측정을 통해 다리걸친 구조가 다시 한번 확인되었다.^[28]

윌리엄 넌 립스콤 주니어는 1950년대에 X선 결정학 기술을 이용하여 붕소 화합물들의 분자 구조를 더욱 정밀하게 밝혀냈고, 이들의 독특한 화학 결합을 설명하는 이론을 발전시켰다. 그는 이후 탄소와 붕소가 포함된 카보레인(carborane) 화합물 연구에도 기여했으며, 그의 제자 중에는 1981년 노벨상 수상자인 로알드 호프만도 있다. 립스콤은 "붕소 화합물의 구조 연구를 통해 화학 결합의 문제점을 밝힌 공로"를 인정받아 1976년 노벨 화학상을 수상했다.^[29]

전통적으로 다이보레인은 분자를 구성하는 8개의 원자를 모두 연결하기에는 원자가 전자가 12개밖에 없어 부족하다고 여겨져 '전자 부족' 화합물로 묘사되어 왔다.^[30][31] 하지만 3중심 2전자 결합을 포함하는 현대적인 결합 이론에 따르면, 다이보레인은 실제로는 6개의 결합 분자 궤도를 모두 채울 만큼의 전자를 가지고 있으므로 '전자 정밀' 화합물로 보는 것이 더 정확하다.^[32] 그럼에도 불구하고 일부 주요 교과서에서는 여전히 '전자 부족'이라는 용어를 사용하고 있다.^[33]

8. 안전성

다이보레인은 공기 중에서 스스로 불이 붙는 자연 발화성을 지닌 기체이며, 독성 또한 강한 위험 물질이다.^[40] 공기 중에서 불안정하여 분해되기 쉬우며, 이 과정에서 폭발 위험이 있는 물질이 생성될 수 있다. 이러한 위험성 때문에 대한민국에서는 관련 법규^[40]를 통해 엄격하게 관리하고 있으며, 인체 노출 허용 기준치도 설정되어 있다. 흡입 시 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있다.^[40] 따라서 산업 현장, 특히 유기화학 분야에서는 다이보레인 대신 상대적으로 안전한 첨가물 형태의 화합물을 사용하기도 한다.^[16]

8. 1. 위험성

8. 2. 취급 시 주의사항

8. 3. 대체 물질

참조

_[1] 간행물 Haynes, p. 4.52.
_[2] 논문 Solubility of Diborane in the Dimethyl Ether and Diethylene Glycol, in Mixtures of Sodium Borohydride and Dimethyl Ether of Diethylene Glycol, and in Ditertiary Butyl Sulfide. 1962-07
_[3] 간행물 Haynes, p. 5.6.
_[4] 웹사이트 DIBORANE – CAMEO Chemicals - Chemical Datasheet - Database of Hazardous Materials – NOAA https://cameochemica[...] 2022-10-26
_[5] 문서 PGCH
_[6] 문서 IDLH
_[7] 서적 Transition Metal Hydrides
_[8] 논문 Comparative ab initio Study of the Structures and Stabilities of the Ethane Dication C₂H₆²⁺ and Its Silicon Analogues Si₂H₆²⁺ and CSiH₆²⁺
_[9] 논문 A Diborane Story
_[10] 논문 The Infrared Spectrum of Al₂H₆ in Solid Hydrogen
_[11] 서적 Handbook of Preparative Inorganic Chemistry https://books.google[...] Academic Press 1963
_[12] 서적 The Green Flame
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_[16] 논문 The Chemistry of Diborane
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_[43] 문서 Haynes, p. 5.6
_[44] 웹인용 CDC - DIBORANE - International Chemical Safety Cards - NIOSH https://www.cdc.gov/[...] 2018-10-07
_[45] 문서 0183
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