Loading article…
ハロメタン化合物は、メタン( CH 4 ) の 1 つ以上の水素原子がハロゲン原子 ( F、Cl、Br、またはI ) に置き換えられた誘導体です。ハロメタンは、特に海洋環境で自然に発生するだけでなく、冷媒、溶剤、推進剤、燻蒸剤として最もよく知られている人造物質でもあります。クロロフルオロカーボンを含む多くのハロメタンが、高高度の紫外線にさらされると活性化し、地球を保護するオゾン層を破壊するため、広く注目を集めています。
構造と特性
メタン自体と同様に、ハロメタンも四面体分子です。ハロゲン原子は、水素や他の原子と大きさや電荷が大きく異なります。その結果、ほとんどのハロメタンはメタンの完全な四面体対称性から外れています。[1]
ハロメタンの物理的特性は、化合物中のハロゲン原子の数と種類によって異なります。一般に、ハロメタンは揮発性がありますが、ハロゲン化物の分極性のため、メタンほど揮発性はありません。ハロゲン化物の分極性と分子の極性により、ハロメタンは溶媒として有用です。ハロメタンはメタンよりもはるかに可燃性が低いです。一般的に、化合物の反応性はヨウ化物で最も高く、フッ化物で最も低くなります。
生産
産業ルート
ハロメタンは、天然ガスやメタノールなどの豊富な前駆物質や、ハロゲンやハロゲン化物から工業的に生産されています。通常、3つの方法のいずれかで製造されます。[2]
- CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl
この方法は、 CH 4− n Cl n ( n = 1、2、3、または 4)の製造に有効です。この方法の主な問題は、HCl が同時に生成され、異なる生成物の混合物が生成されることです。CH 4 を過剰に使用すると主にCH 3 Cl が生成され、Cl 2を過剰に使用すると主にCCl 4 が生成されますが、他の生成物の混合物も存在します。
- メタノールのハロゲン化。この方法は、一塩化物、一臭化物、一ヨウ化物の製造に使用されます。
- CH 3 OH + HCl → CH 3 Cl + H 2 O
- 4 CH 3 OH + 3 Br 2 + S → 4 CH 3 Br + H 2 SO 4 + 2 HBr
- 3 CH 3 OH + 3 I 2 + P → 3 CH 3 I + HPO(OH) 2 + 3 HI
- ハロゲン交換。この方法は主に塩化物からフッ素化誘導体を製造するために使用されます。
- CH 3 Cl + HF → CH 3 F + HCl
- CH 2 Cl 2 + HF → CH 2 FCl + HCl
- CH 2 Cl 2 + 2 HF → CH 2 F 2 + 2 HCl
- CH 2 Cl 2 + F 2 → CH 2 F 2 + Cl 2
- CHCl 3 + HF → CHFCl 2 + HCl
- CHCl 3 + 2 HF → CHF 2 Cl + 2 HCl
- CHCl 3 + F 2 → CHF 2 Cl + Cl 2
- CHCl 3 + 3 HF → CHF 3 + 3 HCl
- CHCl 3 + F 2 + HF → CHF 3 + Cl 2 + HCl
- CCl 4 + HF → CFCl 3 + HCl
- CCl 4 + 2 HF → CF 2 Cl 2 + 2 HCl
- CCl 4 + F 2 → CF 2 Cl 2 + Cl 2
- CCl 4 + 3 HF → CF 3 Cl + 3 HCl
- CCl 4 + F 2 + HF → CF 3 Cl + Cl 2 + HCl
- CCl 4 + 4 HF → CF 4 + 4 HCl
- CCl 4 + F 2 + 2 HF → CF 4 + Cl 2 + 2 HCl
- CCl 4 + 2 F 2 → CF 4 + 2 Cl 2
- メタンと次亜塩素酸が反応して水を生成します。
- CH 4 + HOCl → CH 3 Cl + H 2 O
- メタノールと次亜塩素酸が反応して過酸化水素を生成します。
- CH 3 OH + HOCl → CH 3 Cl + H 2 O 2
大気中のハロメタンの痕跡は、他の非天然の工業物質の導入によって発生します。
自然の中で
多くの海洋生物はハロメタン、特に臭素含有化合物を生合成します。 [3]少量のクロロメタンが、塩素源とさまざまな炭素化合物の相互作用から発生します。これらのハロメタンの生合成は、それぞれクロロペルオキシダーゼとブロモペルオキシダーゼ酵素によって触媒されます。理想的な式は次のとおりです。
- 2 CH 4 + 2 Cl − + O 2 → 2 CH 3 Cl + 2 OH −
化合物のクラス
ハロンは通常、他のハロゲンとともに、水素原子が臭素に置き換えられた炭化水素として定義されます。[4]これらは、フレオンに使用されるシステムと類似した（しかしより単純な）コード番号システムで参照されます。最初の桁は分子内の炭素原子の数、2番目はフッ素原子の数、3番目は塩素原子の数、4番目は臭素原子の数を示します。数字に5桁目が含まれる場合、5番目の数字はヨウ素原子の数を示します（ただし、ハロンにヨウ素が含まれることはまれです）。ハロゲン原子によって占められていない結合は、水素原子に割り当てられます。
たとえば、ハロン 1211 を考えてみましょう。このハロンの名前には 1211 という数字が付いており、これは炭素原子 1 個、フッ素原子 2 個、塩素原子 1 個、臭素原子 1 個が含まれていることを示しています。1 つの炭素には結合が 4 つしかなく、そのすべてがハロゲン原子によって占有されているため、水素はありません。したがって、その化学式はCF 2 ClBrであり、IUPAC 名はブロモクロロジフルオロメタンです。
ANSI/ASHRAE 規格 34-1992
冷媒命名システムは、主に冷媒として使用されるフッ素化および塩素化短アルカンに使用されます。米国では、この規格はANSI/ASHRAE規格34–1992に規定されており、毎年補足事項が追加されています。[5] ANSI/ASHRAEで規定されている接頭辞はFC（フルオロカーボン）またはR（冷媒）でしたが、今日ではほとんどの接頭辞に、より具体的な分類が付けられています。
- CFC —クロロフルオロカーボンのリスト
- HCFC —ハイドロクロロフルオロカーボンのリスト
- HFC —ハイドロフルオロカーボンのリスト
- FC —フルオロカーボンのリスト
- PFC —パーフルオロカーボン（完全にフッ素化されたもの）のリスト
CFC-01234a のデコード システムは次のとおりです。
- 0 = 二重結合の数（ゼロの場合は省略）
- 1 = 炭素原子 -1 (ゼロの場合は省略)
- 2 = 水素原子 +1
- 3 = フッ素原子
- 4 = 臭素に置き換えられる（「B」接頭辞が追加）
- a = 異性体を識別するために追加された文字。任意の数の「通常の」異性体は各炭素の質量差が最小であり、質量が通常から逸脱するにつれて a、b、または c が追加されます。
他のコーディング システムも使用されています。
ハイドロフルオロ化合物 (HFC)
ハイドロフルオロカーボン（HFC）には塩素が含まれず、完全に炭素、水素、フッ素で構成されています。オゾン層への影響は知られておらず、フッ素自体はオゾンに対して有毒ではありません。[6] [7]しかし、HFCとパーフルオロカーボン（PFC）は温室効果ガスであり、地球温暖化を引き起こします。ハロアルカンの2つのグループ、ハイドロフルオロカーボン（HFC）とパーフルオロカーボンは、京都議定書の対象となっています。[8]非政府環境監視団体であるEnvironmental Investigation Agencyの社長であるアラン・ソーントン氏は、HFCは地球温暖化において二酸化炭素の最大12,500倍の影響力があると述べています。 [9]地球温暖化係数が高いことには2つの原因があります。HFCは長期間大気中に留まり、CO 2よりも多くの化学結合を持っているため、分子あたりの太陽エネルギーを二酸化炭素よりも多く吸収できます。裕福な国々はこれらのガスを厳しく取り締まっている。ソーントン氏は、多くの国々が炭素クレジットを得るためだけにこれらの化学物質を不必要に生産していると述べている。したがって、京都議定書に基づく炭素取引ルールの結果、発展途上国からのクレジットのほぼ半分はHFCによるものであり、中国は産業副産物として大気中に放出されるHFCを捕獲して破壊することで数十億ドルの利益を得ている。[10]
主なハロメタンの概要
1 つの炭素原子上の水素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素のほとんどの組み合わせが実験的に評価されています。
アプリケーション
ハロメタンには多くの用途があり、簡単に製造できるため、商業的に大きな関心を集めています。
溶剤
ジクロロメタンは最も重要なハロメタン系溶剤です。揮発性、低引火性、幅広い有機化合物を溶解する能力により、この無色の液体は有用な溶剤となっています。[2]塗料剥離剤や脱脂剤として広く使用されています。食品業界では、以前はコーヒーや紅茶のカフェイン抜き や、ホップやその他の香料の抽出物の調製に使用されていました。[11]揮発性のため、エアロゾルスプレーの推進剤やポリウレタンフォームの発泡剤として使用されています。
推進剤
CFC の主な用途の 1 つは、喘息治療薬の定量噴霧式吸入器を含むエアロゾルの噴射剤としての使用です。これらの装置や治療法を CFC からオゾン層を破壊しない噴射剤に転換する作業はほぼ完了しています。現在、米国では CFC の製造と輸入は禁止されています。
消火
高温では、ハロンは分解してハロゲン原子を放出し、これが活性水素原子と容易に結合して、十分な燃料、酸素、熱が残っている場合でも炎の伝播反応を消火します。炎の中での化学反応はフリーラジカル連鎖反応として進行します。反応を伝播させるラジカルを隔離することで、ハロンは、冷却、酸素欠乏、または燃料希釈という従来の方法を使用する消火剤に必要な濃度よりもはるかに低い濃度で火を止めることができます。2023年現在、オゾン層破壊の問題により、ハロン消火器は一部の国でほぼ禁止されており、代替品が米軍によって配備されています。[12] [アップデート]
ハロン 1301完全浸水システムは、通常、空気中の濃度が 7% 以下で使用され、2.9% v/v で多くの火災を鎮火できます。対照的に、二酸化炭素消火浸水システムは、濃度 34% (液体燃料の表面のみの燃焼) から 75% (ダスト トラップ) までの範囲で作動します。二酸化炭素は、濃度 3～6% で深刻な苦痛を引き起こす可能性があり、濃度 10% では数分で呼吸麻痺による死亡を引き起こしています。ハロン 1301 は、有効濃度 5% でわずかにめまいを引き起こすだけで、15% でも曝露された人は意識は保たれますが障害は残り、長期的な影響は受けません。 （実験動物も4か月間、週30時間、2%濃度のハロン1301にさらされましたが、健康への影響は確認されませんでした。[引用が必要]）ハロン1211も毒性は低いですが、ハロン1301よりも毒性が強いため、浸水システムには不適切であると考えられています。
しかし、ハロン 1301 消火剤は完全に無毒というわけではありません。非常に高温の炎や赤熱した金属との接触により、ハロン 1301 が分解して有毒な副産物が生じる可能性があります。このような副産物には刺激の強い臭化水素酸やフッ化水素酸が含まれるため、その存在は容易に検出されます。ハロンはクラス A (有機固体)、B (可燃性液体およびガス)、C (電気) の火災には非常に効果的ですが、クラス D (金属) の火災には適していません。有毒ガスを生成して火を消すことができないだけでなく、場合によっては爆発の危険もあります。ハロンはクラス K (台所用油およびグリース) の火災にも使用できますが、特殊な泡消火剤に比べて優れている点はありません。
ハロン 1301 は、完全浸水システムでよく使用されます。これらのシステムでは、ハロン シリンダーの列が圧縮窒素で約 4 MPa (600 psi )に加圧され 、固定された配管ネットワークが保護されたエンクロージャにつながっています。トリガーされると、1 つまたは複数のシリンダーの計量された内容物全体が、部屋全体で均一に混合されるように設計されたノズルを通じて、数秒でエンクロージャ内に排出されます。排出される量は、望ましい濃度 (通常 3～7% v/v) になるように事前に計算されています。このレベルは、すべてのアイテムが冷却されて再点火の可能性が低くなるように、通常、最低 10 分、場合によっては最大 20 分の「浸漬」時間でしばらく維持され、その後、エンクロージャ内の空気が、通常は適切な当局によって起動される固定パージ システムによってパージされます。この間、SCBA を着用した人がエンクロージャ内に入ることができます。 （ハロンは非常に有毒であるという通説がありますが、実際には、めまいや軽度の知覚障害を引き起こす可能性があり、燃焼副産物のリスクがあるためです。）
浸水システムは手動で操作することも、VESDAやその他の自動検出システムによって自動的に起動することもできます。後者の場合、最初に警告サイレンとストロボ ランプが数秒間作動し、作業員にそのエリアから避難するよう警告します。ハロンの急速な放出とそれに伴う急速な冷却により、空気が霧で満たされ、大きな方向感覚を失わせる騒音が伴います。
ハロン1301はF-16戦闘機でも燃料タンク内の燃料蒸気が爆発するのを防ぐために使用されています。航空機が攻撃の可能性のある地域に入ると、ハロン1301が燃料タンクに注入され、一回限り使用されます。オゾン層の破壊により、トリフルオロヨードメタン（CF 3 I）が代替として検討されています。[13]
ハロン 1211 は、通常、手持ち式消火器で使用されます。この消火器では、ユーザーが液体ハロンの流れを小さな火災に向けます。流れは減圧状態で蒸発し、強力な局所冷却効果を生み出すとともに、火災のすぐ近くに高濃度のハロンを生じます。このモードでは、火災の中心部分の冷却と酸素欠乏、およびより広い範囲でのラジカル消火によって火災が消火されます。消火後、ハロンは拡散し、残留物は残りません。
化学構成要素
クロロメタンとブロモメタンは有機合成においてメチル基を導入するために使用される。クロロジフルオロメタンはテフロンのモノマー前駆体であるテトラフルオロエチレンの主な前駆体である。[1]
安全性
ハロアルカンは特性が多様であるため、一般化が困難です。急性毒性を持つものは少ないですが、長期暴露によるリスクをもたらすものが多くあります。問題となる側面としては、発がん性や肝臓障害（例：四塩化炭素）などがあります。特定の燃焼条件下では、クロロメタンは毒性の強いホスゲンに変換されます。
参照
参考文献
- ^ ab Günter Siegemund、Werner Schwertfeger、Andrew Feiring、Bruce Smart、Fred Behr、Herward Vogel、Blaine McKusick 「フッ素化合物、有機」ウルマン工業化学百科事典、Wiley-VCH、ワインハイム、2002. doi :10.1002/14356007.a11_349
- ^ ab マンフレート・ロスバーグ、ヴィルヘルム・レンドル、ゲルハルト・プフライデラー、アドルフ・テーゲル、エーバーハルト＝ルートヴィヒ・ドレーア、エルンスト・ランガー、ハインツ・ラッサーツ、ペーター・クラインシュミット、ハインツ・ストラック、リチャード・クック、ウーヴェ・ベック、カール＝アウグスト・リッパー、セオドア・R・トルケルソン、エックハルト・レーザー、クラウス・K・ボイテルTrevor Mann「塩素化炭化水素」、Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2006、Wiley-VCH、ワインハイム。土井：10.1002/14356007.a06_233.pub2。
- ^ Gordon W. Gribble (1998). 「天然有機ハロゲン化合物」. Acc. Chem. Res. 31 (3): 141–152. doi :10.1021/ar9701777.
- ^ ジョン・デインティス (2008).オックスフォード化学辞典. オックスフォード大学出版局. ISBN 978-0-19-920463-2。
- ^ 「ASHRAE Bookstore」。2006年6月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年10月7日閲覧。
- ^ 「オゾン層保護」。米国環境保護庁。2020年10月14日。
- ^ Tressaud, Alain (2006). 「大気中のフッ素」(PDF) .フッ素科学の進歩. 1 : 1–32. doi :10.1016/S1872-0358(06)01001-3.
- ^ Lerner & K. Lee Lerner、Brenda Wilmoth (2006)。「環境問題: 必須の一次資料」。Thomson Gale 。 2006年9月11日閲覧。
- ^ US EPA、OAR（2013年2月15日）。「オゾン層保護」。US EPA。
- ^ All Things Considered、NPRニュース、2007年12月11日午後5時24分。
- ^ 環境健康被害評価局 (2000 年 9 月)。「ジクロロメタン」(PDF)。飲料水中の化学物質に関する公衆衛生目標。カリフォルニア州環境保護庁。2009 年 10 月 9 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
- ^ 3-III-2 ハロン 1301 代替品 2008-04-19 にWayback Machineでアーカイブ
- ^ 「Credit Card Freedom | Red Smoothie Detox & Dessert Photographs」www.afrlhorizons.com。2007年7月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。
外部リンク
- ガス換算表
- 命名法に関するよくある質問
- アメリカ海軍によるハロン使用の歴史 2000-08-19ウェイバックマシンにアーカイブ
- オゾン層の減少：化学物質が原因
- EIA環境調査機関
- 環境調査機関 – EIA米国の地球環境調査機関
- すべてのハロメタンのアルファベット順リスト