Silisiumbaserte organiske stoffer er en stor gruppe forbindelser. Det andre, mer vanlige navnet på dem er silikoner. Omfanget av organiske silisiumforbindelser vokser stadig. De brukes i nesten alle områder av menneskelig aktivitet - fra astronautikk til medisin. Materialer basert på dem har høye tekniske og forbrukeregenskaper.
Generelt konsept
Organosilisiumforbindelser er forbindelser hvor det er en binding mellom silisium og karbon. De kan også inneholde andre ekstra kjemiske elementer (oksygen, halogener, hydrogen og andre). I denne forbindelse kjennetegnes denne gruppen av stoffer av en rekke egenskaper og bruksområder. I motsetning til andre organiske forbindelser har organiske silisiumforbindelser bedre ytelsesegenskaper og høyere sikkerhet for menneskers helse både når de oppnås og ved bruk av gjenstander,laget av dem.
Studien deres begynte på XIX århundre. Silisiumtetraklorid var det første syntetiserte stoffet. I perioden fra 20- til 90-tallet av samme århundre ble mange forbindelser av denne typen oppnådd: silaner, etere og substituerte estere av ortokiselsyre, alkylklorsilaner og andre. Likheten mellom noen av egenskapene til silisium og vanlige organiske stoffer har ført til dannelsen av en falsk idé om at silisium og karbonforbindelser er helt identiske. Den russiske kjemikeren D. I. Mendeleev beviste at dette ikke er tilfelle. Han fastslo også at silisium-oksygenforbindelser har en polymerstruktur. Dette er ikke typisk for organiske stoffer, der det er en binding mellom oksygen og karbon.
klassifisering
Organosilisiumforbindelser inntar en mellomposisjon mellom organisk og organometallisk. Blant dem skilles det ut 2 store grupper av stoffer: lav molekylvekt og høy molekylvekt.
I den første gruppen tjener silisiumhydrogener som startforbindelser, og resten er deres derivater. Disse inkluderer følgende stoffer:
- silaner og dets homologer (disilan, trisilan, tetrasilan);
- substituerte silaner (butylsilan, tert-butylsilan, isobutysilan);
- Etere av ortokiselsyre (tetrametoksysilan, dimetoksydietoksysilan);
- haloestere av ortokiselsyre (trimetoksyklorsilan, metoksyetoksydiklorsilan);
- substituerte estere av ortokiselsyre (metyltrietoksysilan, metylfenyldietoksysilan);
- alkyl-(aryl)-halosilaner (fenyltriklorsilan);
- hydroksylderivater av organosilaner(dihydroksydietylsilan, hydroksymetyletylfenylsilan);
- alkyl-(aryl)-aminosilaner (diaminometylfenylsilan, metylaminotrimetylsilan);
- alkoksy-(aryloksy)-aminosilaner;
- alkyl-(aryl)-aminohalosilaner;
- alkyl-(aryl)-iminosilaner;
- isocyanater, tioisocyanater og silisiumtioetere.
Høymolekylære organosilisiumforbindelser
Grunnlaget for klassifiseringen av makromolekylære organiske forbindelser er polymer silisiumhydrogen, hvis strukturdiagram er vist i figuren nedenfor.
Følgende stoffer tilhører denne gruppen:
- alkyl-(aryl)-polysilaner;
- organopolyalkyl-(polyaryl)-silaner;
- polyorganosiloksaner;
- polyorganoalkylen-(fenylen)-siloksaner;
- polyorganometallosiloksaner;
- metalloidsilankjedepolymerer.
Kjemiske egenskaper
Siden disse stoffene er svært forskjellige, er det vanskelig å etablere generelle mønstre som karakteriserer bindingen mellom silisium og karbon.
De mest karakteristiske egenskapene til organosilisiumforbindelser er:
- Motstandsdyktig mot forhøyet temperatur bestemmes av typen og størrelsen på det organiske radikalet eller andre grupper som er assosiert med Si-atomet. Tetrasubstituerte silaner har høyest termisk stabilitet. Dekomponeringen deres begynner ved en temperatur på 650-700 °C. Polydimetylsiloksylaner ødelegges ved en temperatur på 300 °C. Tetraetylsilan og heksaetyldisilan sp altes ved langvarig oppvarming ved en temperatur på 350 ° C,i dette tilfellet elimineres 50 % av etylradikalet og etan frigjøres.
- Kjemisk motstand mot syrer, alkalier og alkoholer avhenger av strukturen til radikalet, som er assosiert med silisiumatomet, og hele molekylet til stoffet. Så bindingen av karbon med silisium i alifatisk substituerte estere blir ikke ødelagt når de utsettes for konsentrert svovelsyre, mens i blandede alkyl-(aryl)-substituerte estere, under de samme forholdene, sp altes fenylgruppen. Siloksanbindinger har også høy styrke.
- Organosilisiumforbindelser er relativt motstandsdyktige mot alkalier. Ødeleggelsen deres skjer bare under tøffe forhold. For eksempel, i polydimetylsiloksaner, observeres sp altning av metylgrupper bare ved temperaturer over 200 °C og under trykk (i en autoklav).
Kennetegn ved makromolekylære forbindelser
Det finnes flere typer silisiumbaserte makromolekylære stoffer:
- monofunctional;
- difunctional;
- trifunctional;
- quadrifunctional.
Ved å kombinere disse forbindelsene får du:
- disiloksanderivater, som oftest er flytende forbindelser;
- sykliske polymerer (oljeaktige væsker);
- elastomerer (polymerer med en lineær struktur bestående av flere titusenvis av monomerer og stor molekylvekt);
- polymerer med lineær struktur, hvor endegrupperblokkert av organiske radikaler (oljer).
Harpikser med et forhold mellom metylradikal og silisium på 1,2-1,5 er fargeløse faste stoffer.
Følgende egenskaper er typiske for høymolekylære organiske silisiumforbindelser:
- varmemotstand;
- hydrofobicitet (motstand mot vannpenetrering);
- høy dielektrisk ytelse;
- opprettholde en konstant viskositetsverdi over et bredt temperaturområde;
- kjemisk stabilitet selv i nærvær av sterke oksidanter.
Fysiske egenskaper til silaner
Siden disse stoffene er svært heterogene i struktur og sammensetning, begrenser vi oss til å beskrive organosilisiumforbindelser av en av de vanligste gruppene - silaner.
Monosilane og disilane (henholdsvis SiH4 og Si2H4) ved normal forhold er gasser som har en ubehagelig lukt. I mangel av vann og oksygen er de ganske kjemisk stabile.
Tetrasilane og trisilane er flyktige giftige væsker. Pentasilan og heksasilan er også giftige og kjemisk ustabile.
Disse stoffene løses godt opp i alkoholer, bensin, karbondisulfid. Sistnevnte type løsninger har høy eksplosjonsfare. Smeltepunktet for de ovennevnte forbindelsene varierer fra -90 °C (tetrasilan) til -187 °C (trisilan).
Motta
Tilsetningen av radikaler til Si forløper annerledes og avhenger av egenskapene til utgangsmaterialet og betingelsene som syntesen skjer under. Noenforbindelser av silisium med organiske stoffer kan bare lages under tøffe forhold, mens andre reagerer lettere.
Å oppnå organosilisiumforbindelser basert på silanbindinger utføres ved hydrolyse av alkyl (eller aryl)-kloroksysilaner (eller alkoksysilaner) etterfulgt av polykondensasjon av silanoler. En typisk reaksjon er vist i figuren nedenfor.
Polykondensasjon kan foregå i tre retninger: med dannelse av lineære eller sykliske forbindelser, med å oppnå stoffer av et nettverk eller romlig struktur. Sykliske polymerer har høyere tetthet og viskositet enn sine lineære motstykker.
Syntese av makromolekylære forbindelser
Organiske harpikser og silisiumbaserte elastomerer produseres ved hydrolyse av monomerer. Hydrolyseproduktene blir deretter oppvarmet og katalysatorer tilsatt. Som et resultat av kjemiske transformasjoner frigjøres vann (eller andre stoffer) og komplekse polymerer dannes.
Organosilisiumforbindelser som inneholder oksygen er mer utsatt for polymerisering enn deres tilsvarende karbonbaserte forbindelser. Silisium er derimot i stand til å holde 2 eller flere hydroksylgrupper. Muligheten for å danne tverrbundne polymermolekyler fra sykliske avhenger hovedsakelig av størrelsen på det organiske radikalet.
Analyse
Analyse av organosilisiumforbindelser utføres i flere retninger:
- Bestemmelse av fysiske konstanter (smeltepunkt, kokepunkt og andre egenskaper).
- Kvalitativ analyse. For å påvise forbindelser av denne typen i lakker, oljer og harpikser blir testprøven smeltet sammen med natriumkarbonat, ekstrahert med vann og deretter behandlet med ammoniummolybdat og benzidin. Hvis organosilisium er tilstede, blir prøven blå. Det finnes andre måter å oppdage.
- Kvantitativ analyse. For både kvalitative og kvantitative studier av organosilisiumforbindelser brukes metoder for infrarød og emisjonsspektroskopi. Andre metoder brukes også - sol-gel-analyse, massespektroskopi, kjernemagnetisk resonans.
- Detaljert fysisk og kjemisk studie.
Forhåndsproduser isoleringen og rensingen av stoffet. For faste sammensetninger gjøres separasjonen av forbindelser på grunnlag av deres forskjellige løselighet, kokepunkt og krystallisering. Isoleringen av kjemisk rene organiske silisiumforbindelser utføres ofte ved fraksjonert destillasjon. Væskefasene separeres ved hjelp av en skilletrakt. For blandinger av gasser brukes absorpsjon eller flytendegjøring ved lave temperaturer og fraksjonering.
Application
Omfanget av organosilisiumforbindelser er veldig stort:
- produksjon av tekniske væsker (smøreoljer, arbeidsvæsker for vakuumpumper, vaselin, pastaer, emulsjoner, antiskummidler og andre);
- kjemisk industri - bruk som stabilisatorer, modifiseringsmidler, katalysatorer;
- maling- og lakkindustri - tilsetningsstoffer for fremstilling av varmebestandige, anti-korrosjonsbelegg for metall, betong, glass og andre materialer;
- luftfartsteknikk - pressematerialer, hydrauliske væsker, kjølevæsker, anti-isingsblandinger;
- elektroteknikk - produksjon av harpiks og lakk, materialer for beskyttelse av integrerte kretser;
- ingeniørindustri - produksjon av gummiprodukter, blandinger, smøremidler, tetningsmidler, lim;
- lett industri - modifikatorer av tekstilfibre, lær, lær; defoamers;
- farmasøytisk industri - produksjon av materialer for proteser, immunstimulerende midler, adaptogener, kosmetikk.
Fordelene med slike stoffer inkluderer det faktum at de kan brukes under en rekke forhold: i tropisk og kaldt klima, ved høyt trykk og i vakuum, ved høye temperaturer og stråling. Anti-korrosjonsbelegg basert på dem brukes i temperaturområdet fra -60 til +550 °С.
Livestock
Bruken av organiske silisiumforbindelser i husdyrhold er basert på at silisium er aktivt involvert i dannelsen av bein og bindevev, metabolske prosesser. Dette sporstoffet er avgjørende for vekst og utvikling av kjæledyr.
Som showstudier, innføring av tilsetningsstoffer med organiske silisiumstoffer i kostholdet til fjærfe og husdyr bidrar til en økning i levende vekt, en reduksjon i dødelighet og fôrkostnader per vekstenhet, en økning i metabolismen av nitrogen, kalsium og fosfor. Bruken av slike medikamenter på kyr hjelper også med å forebygge fødselssykdommer.
Produksjon i Russland
Den ledende bedriften innen utvikling av organiske silisiumforbindelser i Russland er GNIIChTEOS. Dette er et integrert vitenskapelig senter som er engasjert i å lage industrielle teknologier for fremstilling av forbindelser basert på silisium, aluminium, bor, jern og andre kjemiske elementer. Spesialistene i denne organisasjonen har utviklet og introdusert mer enn 400 organosilisiummaterialer. Selskapet har et pilotanlegg for sin produksjon.
Russland i den globale dynamikken i utviklingen av produksjonen av organiske forbindelser basert på silisium er imidlertid mye dårligere enn andre land. Så i løpet av de siste 20 årene har den kinesiske industrien økt produksjonen av disse stoffene med nesten 50 ganger, og Vest-Europa - med 2 ganger. For tiden utføres produksjonen av organiske silisiumforbindelser i Russland ved KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, ved Redkinsky Pilot Plant, JSC Khimprom (Chuvash Republic), JSC Silan.
