ジクロロメタン：性質、製造および用途

ByHICHAM BAGHDAD 有機化学品

ジクロロメタンは、塩化メチレンまたはDCMとも呼ばれ、甘いクロロホルムのような臭いを持つ、無色で揮発性の高い液体です。化学式は CH2Cl2 であり、多種多様な用途を持つ工業用溶媒として広く使用されています。これは、クロロメタン類（CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4）の総生産量の25%を占めています.

目次

1. ジクロロメタンの物理的性質

ジクロロメタンは、わずかに甘い臭いを持つ無色透明の揮発性液体であり、多くの物質と共沸混合物を形成することがあります。

ジクロロメタン（DCM）は、空気中で燃焼範囲を持ちますが、従来の分類に当てはまらない独特の挙動を示します。20°Cにおける蒸気の燃焼範囲は13〜22%ですが、着火エネルギーが非常に高いため（18%混合気で9100 mJ）、着火は困難です。

これは一般的な可燃性溶媒とは対照的であり、タバコや火花のような低エネルギー源では着火しにくいことを意味します。しかし、トーチや溶接の火炎のような高エネルギー源は火災のリスクとなります。

確立された試験規格によれば、測定可能な引火点は存在せず、その燃焼特性の判断をさらに複雑にしています。さらに、他の可燃性液体と混合すると、その液体の引火点を上昇させることがあり、特定のケースでは火災安全上の利点をもたらす可能性があります。

これらの複雑な性質を考慮し、ジクロロメタンはその燃焼限界により温度クラス1（ATEX）に分類されています。

主な物理的性質を以下の表に示します：

表1：ジクロロメタンの物理的性質

項目値
分子量 (g/mol)84.93
沸点 (1 bar, °C)40.0
融点 (°C)−95.1
蒸気圧 (20 °C, mbar)467
蒸発エンタルピー (kJ/mol)27.99
融点における融解エンタルピー (kJ/mol)6.2
液体の密度 (20 °C, kg/m³)1326.6
沸点における蒸気の密度 (kg/m³)3.406
液体の体膨張係数 (0–40°C) (K⁻¹)0.00137
蒸気の生成エンタルピー (25°C, 1 bar, kJ/mol)−92.47
蒸気の生成ギブズ自由エネルギー (25°C, 1 bar, kJ/mol)−65.87
蒸気の比熱容量 (25°C, 1 bar, kJ kg⁻¹ K⁻¹)0.600
液体の生成エンタルピー (25°C, kJ/mol)−121.46
液体の生成ギブズ自由エネルギー (25°C, kJ/mol)−67.26
液体の比熱容量 (25 °C, kJ kg⁻¹ K⁻¹)1.177
臨界温度 (Tc) (°C)245
臨界圧力 (atm)60.9
臨界体積 (mL/mol)0.1815
臨界圧縮因子0.2731
蒸気の熱伝導率 (W K⁻¹ m⁻¹)0.00758
液体の熱伝導率 (20°C, W K⁻¹ m⁻¹)0.156
表面張力 (20°C, 10⁻³ N/m)28.2
液体の粘度 (20°C, cP)0.425
双極子モーメント1.59
液体の屈折率 (25°C)1.4244
蒸気の誘電率 (20°C)1.01
液体の誘電率 (20°C)9.10
発火温度 (°C)605
空気中の燃焼下限界 (vol%)13
空気中の燃焼上限界 (vol%)22
空気/水分配係数 (20°C)0.12
n-オクタノール/水分配係数 (20°C, log Pow)1.25

2. ジクロロメタンの化学的性質

ジクロロメタンは熱的に安定しており、短時間であれば140 °Cを超える温度や、酸素存在下でも120 °Cまでの温度に耐えることができます。しかし、その分解は他の様々な要因に依存します：

  • 暴露時間：長時間の加熱は分解を加速させます。
  • 水分および他の化学物質：水分、錆、または特定の化学物質の存在は分解を促進する可能性があります。
  • 容器の材質：軟鋼、ステンレス鋼、ガラスは、アルミニウムなどの材料よりも適合性が高いです。

熱や火炎の存在下で、ジクロロメタンは塩化水素と微量のホスゲン（酸素がある場合）に分解します。DCMの光酸化は、二酸化炭素、塩化水素、および少量のホスゲンをもたらします。二酸化窒素との反応では、一酸化炭素、一酸化窒素、および塩化水素が生成されます。

ほとんどの構造用金属に対して安定していますが、ジクロロメタンは亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、およびそれらの合金とグリニャール様反応を起こし、腐食を引き起こします。これらの金属と接触する場合は、安定剤を添加したジクロロメタンの使用が推奨されます。

ジクロロメタンは蒸発中の加水分解は無視できる程度ですが、常温で時間の経過とともに徐々に加水分解し、ホルムアルデヒドと塩化水素を生成します。これが、鋼鉄表面に見られる発錆の原因となります。

酸捕捉剤やラジカル捕捉剤として機能する適切な安定剤は、貯蔵および使用において極めて重要です。高温高圧での蒸気処理により、ジクロロメタンは容易に加水分解されます。

熱的または光化学的な塩素化プロセスにより、ジクロロメタンにさらに塩素原子を導入することができ、これはクロロホルムや四塩化炭素などのより置換されたメタン類の製造に使用されます。

塩化アルミニウムを触媒として、臭素または臭化水素を用いることで、塩素を臭素に置換し、クロロブロモメタンまたはジブロモメタンを形成することができます。

DCMとフッ化水素の反応により、ジフルオロメタン（HFC-32）が得られます。

220 °C、90 MPaでアルミニウムを触媒として使用すると、ジクロロメタンのカルボニル化により塩化クロロアセチルが生成されます。

125 °Cにおいて、アルコール性アンモニア溶液とDCMを反応させると、ヘキサメチレンテトラミンが生成されます。

フェノラートとの反応は、ホルムアルデヒドとフェノールの反応を模倣します。

3. ジクロロメタンの製造

ジクロロメタンは、メタンおよびモノクロロメタンを塩素で直接塩素化することによって工業的に製造されます。このプロセスは高温（400〜500 °C）で行われ、クロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、およびDCMを含む塩化メタン誘導体の混合物が生成されます。

ジクロロメタンは混合物から分離され、蒸留によって精製されます。

詳細な工業プロセスの説明は、クロロホルムおよび四塩化炭素に関する記事で見ることができます。

図1：メタン塩素化プロセス（湿式法）
a) ループ反応器; b) プロセスガス冷却器; c) クエンチ; d) 気液分離器; e) HCl吸収; f) 中和システム; g) 硫酸乾燥塔; h) 圧縮機; i) 第一凝縮ステップ; j) 第二凝縮器; k) 凝縮液バッファタンク; l1–l4) CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3 および CCl4 用蒸留塔

光塩素化は、ジクロロメタン製造の有望な代替法として浮上しています。これはラジカル経路を利用し、UVランプを用いて-20 °CでモノクロロメタンをDCMに選択的に変換するもので、トリクロロメタンの含有量が最小限（2〜3%）の製品が得られます。

このプロセスは、メタンの直接塩素化には使用できません。研究では、C2成分の不純物からジクロロメタンを精製する際の効果も報告されています。

4. ジクロロメタンの用途

ジクロロメタンは工業分野で使用されており、主に抗生物質、ビタミン、カフェイン、香料などの医薬品有効成分の化学合成、抽出、精製のための溶媒として利用されています。

また、ガラスのような特性を持つポリカーボネート樹脂の製造にも採用されています。

DCMは、軟質ポリウレタンフォームの製造において共発泡剤として機能します。

様々な有機化合物を溶解する能力があるため、金属洗浄機用溶媒、特殊な接着剤や洗浄剤、および実験室での溶媒として価値があります。

DCMは、R-407CやR-410Aなどの混合冷媒に使用される低温冷媒であるジフルオロメタン（HFC-32）を製造するための原料として使用されます。

かつては剥離剤（ペイントリムーバー）に使用されていましたが、安全上の懸念から多くの先進国で制限または禁止されています。揮発性が高く、屋外での剥離作業に使用すると曝露をコントロールできず、健康リスクを招く可能性があるためです。

DCMベースの製品の安全な使用は、特定の地域で許可されているように、訓練を受けた専門家による作業や密閉系システム内で行うのが最善です。

5. ジクロロメタンの毒性

ジクロロメタン（DCM）は摂取時の毒性は中程度ですが、主な危険性は目や皮膚への影響にあります。激しい痛みを引き起こす可能性がありますが、急速に蒸発するため、通常、吸収は限定的です。しかし、吸入が主要な曝露経路となります。

高濃度吸入の影響：

  • 1000 ppmを超える曝露は、麻酔作用や運動失調を引き起こします。
  • DCMが体内で一酸化炭素に代謝されることでカルボキシヘモグロビン（COHb）が形成され、一酸化炭素中毒に似た症状を引き起こします。
  • 許容曝露レベルでは、COHbによる潜在的な悪影響は、既存の心血管疾患や呼吸器疾患を持つ個人にのみ影響を与える可能性が高いです。

その他の毒性学的懸念：

  • DCMは動物実験で限定的な催奇形性（先天性欠損）を示し、試験管内試験では弱い変異原性を示しました。
  • 生体内（in vivo）での遺伝毒性は観察されませんでした。
  • 動物実験では吸入曝露がマウス（ラットやハムスターではない）の肺腫瘍および肝腫瘍に関連付けられていますが、この発がん性は代謝経路の違いにより、ヒトには無関係であると考えられます。
  • 最近の研究では、低酸素症とサーカディアンシグナルの変化が、ジクロロメタン誘発性のマウス腫瘍の重要な要因である可能性が示唆されています。
  • IARC（国際がん研究機関）は、理論的な代謝の類似性に基づき、DCMを「ヒトに対しておそらく発がん性がある」と分類していますが、100 ppmまでの職業曝露に関する既存の疫学データでは、ヒトにおける発がん効果は示されていません。

ジクロロメタンの許容濃度（OEL）は通常25〜100 ppmの範囲であり、慎重な取り扱いと適切な換気の必要性を反映しています。

参考文献

Chloromethanes; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a06_233.pub4

私は情熱を持つ有機化学者であり、様々な工業化学プロセスや化学製品について日々研鑽を積んでおります。当ウェブサイトのすべての情報は、科学論文を細部まで参照し、正確性を期して作成していることを保証いたします。

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