Organosilicijumska jedinjenja: opis, priprema, svojstva i primena

Organske supstance na bazi silicijuma predstavljaju veliku grupu jedinjenja. Drugi, češći naziv su silikoni. Opseg primjene organosilicijumskih spojeva stalno raste. Koriste se u gotovo svim područjima ljudske aktivnosti – od astronautike do medicine. Materijali zasnovani na njima imaju visoke tehničke i potrošačke kvalitete.

Opšti koncept

Organosilicijumska jedinjenja su jedinjenja u kojima postoji veza između silicijuma i ugljenika. Mogu sadržavati i druge dodatne hemijske elemente (kisik, halogene, vodik itd.). U tom smislu, ovu grupu supstanci odlikuje širok spektar svojstava i obim primjene. Za razliku od drugih organskih jedinjenja, organosilicijumska jedinjenja imaju bolje karakteristike performansi i veću sigurnost za ljudsko zdravlje i prilikom primanja i prilikom korištenja predmeta napravljenih od njih.

Njihova studija počela je u XIX veku. Prva sintetizovana supstanca bio je silicijum tetrahlorid. U periodu od 20-ih do 90-ih godina istog veka dobijena su mnoga jedinjenja ove vrste: silani, estri i supstituisani estri ortosilične kiseline, alkil hlorosilani i drugi. Sličnost nekih svojstava silicijuma i običnih organskih supstanci dovela je do stvaranja lažne ideje da su jedinjenja silicijuma i ugljenika potpuno identična. Ruski hemičar D. I. Mendeljejev je dokazao da to nije slučaj. Takođe je otkrio da jedinjenja silicijuma sa kiseonikom imaju polimernu strukturu. Ovo je neobično za organske supstance u kojima postoji veza kiseonika sa ugljenikom.

Kla_sifikacija:

Organosilicijumska jedinjenja zauzimaju srednji položaj između organskih i organometalnih. Među njima postoje 2 velike grupe supstanci: niskomolekularne i visokomolekularne.

U prvoj grupi, početna jedinjenja su silicijumske kiseline, a ostali su njihovi derivati hidroksilnih derivata. To uključuje sljedeće tvari:

• silani i njegovi homolozi (disilan, trisilan, tetrasilan);
• supstituirani silani (butilsilan, terc-butilsilan, izobutisilan);
• estri ortozilne kiseline (tetrametoksisilan, dimetoksietoksisilan);
• halogeni estri ortosilne kiseline (trimetoksihlorosilan, metoksietoksidihlorosilan);
• supstituirani estri ortozilne kiseline (metiltrietoksisilan, metilfenildietoksisilan);
• alkil - (aril) - haloidsilani (phenyltrichlorosilane);
• organosilana (dihidroksidietilsilan, hidroksimetiletilfenilsilan);
• alkil - (aril) - aminosilani (diaminometilfenilsilan, metilaminotrimetilsilan);
• alkoksi - (ariloksi) - aminosilani;
• alkil - (aril)-aminohaloidsilani;
• alkil - (aril)-iminosilanes;
• izocijanati, tioizocijanati i silicijumski tioesteri.

Organosilicijum jedinjenja velike molekularne težine

Osnova za klasifikaciju visokomolekularnih organskih jedinjenja je polimerni silicijum vodonik, čiji je blok dijagram prikazan na slici ispod.

Ova grupa uključuje sljedeće tvari:

• alkil - (aril)-polisilani;
• organopolialkil-(poliaril)-silani;
• poliorganosiloksani;
• poliorganoalkilen-(fenilen) - siloksani;
• poliorganometallosiloksani;
• metalloidsilanski polimeri lanca.

Hemijska Svojstva

Pošto su ove supstance veoma raznolike, teško je uspostaviti opšte obrasce koji karakterišu vezu silicijuma i ugljenika.

Najkarakterističnija svojstva organosilicijumskih jedinjenja su:

• Otpornost na povišenu temperaturu određuje se vrstom i veličinom organskih radikala ili drugih grupa koje su povezane sa Si atomom. Tetrasupstituirani silani imaju najveću termičku stabilnost. Njihovo propadanje počinje na temperaturi od 650-700 ° C. Polidimetilsiloksilani se uništavaju na temperaturi od 300 ° C. Tetraetilsilan i heksaetildisilan se raspadaju pod produženim zagrevanjem na temperaturi od 350 ° C, sa cepanjem 50% etil radikala i oslobađanjem etana.
• Hemijska otpornost na kiseline, alkalije i alkohole zavisi od strukture radikala, koji je vezan za atom silicijuma, i čitavog molekula supstance. Dakle, veza ugljenika sa silicijumom u alifatskim supstituisanim esterima se ne uništava kada je izložena koncentrovanoj sumpornoj kiselini, a u mešovitim alkil-(aril)-supstituisanim eterima, pod istim uslovima, dolazi do cepanja fenilne grupe. Veze siloksana takođe imaju visoku čvrstoću.
• Organosilicijumska jedinjenja su relativno otporna na dejstvo alkalija. Njihovo uništenje se dešava samo u teškim uslovima. Na primer, kod polidimetilsiloksana, cepanje metil grupa se posmatra samo na temperaturama iznad 200 ° C i pod pritiskom (u autoklavu).

Karakteristike visokomolekularnih jedinjenja

Postoji nekoliko vrsta visokomolekularnih supstanci na bazi silicijuma:

• monofunkcionalni;
• difunkcionalan;
• trofunkcionalna;
• quadrifunctional.

Kombinacijom ovih jedinjenja dobijamo:

• derivati disiloksana, koji su najčešće tečna jedinjenja;
• polimeri ciklične strukture (uljne tečnosti);
• elastomeri (polimeri sa linearnom strukturom koja se sastoji od nekoliko desetina hiljada monomera i velike molekularne težine);
• polimeri sa linearnom strukturom čije su krajnje grupe blokirane organskim radikalima (ulja).

Smole, u kojima je odnos metil radikala i silicijuma 1,2-1,5, su bezbojne čvrste materije.

Organska jedinjenja silicijuma velike molekularne težine karakterišu sledeća svojstva:

• otpornost na toplotu;
• hidrofobnost (sprečavanje prodora vode);
• visoke dielektrične vrijednosti;
• održavanje konstantne vrijednosti viskoznosti u širokom temperaturnom rasponu;
• hemijska stabilnost čak i u prisustvu jakih oksidansa.

Fizička svojstva Silana

Pošto su ove supstance veoma heterogene po strukturi i sastavu, ograničićemo se na opisivanje organosilicijumskih jedinjenja jednog od od najčešćih grupa-silanov.

Monosilane i Disilane (SiH₄ i Si₂H₄ respektivno) u normalnim uslovima su gasovi koji imaju neprijatan miris. U odsustvu od vode i kiseonika, prilično su hemijski stabilni.

Tetrasilan i trisilan su isparljive otrovne tečnosti. Pentasilan i heksasilan su takođe otrovni i pokazuju hemijsku nestabilnost.

Ove supstance su dobro rastvorljive u alkoholima, benzinu, ugljen-disulfidu. Ova druga vrsta rastvora ima povećanu opasnost od eksploziva. Tačka topljenja gore navedenih jedinjenja kreće se od -90 °C (tetrasilan) do -187 °C (trisilan).

Prijem

Dodavanje radikala u Si odvija se na različite načine i zavisi od svojstava početne supstance i uslova pod kojima se sinteza odvija. Neka jedinjenja silicijuma sa organskim supstancama mogu se napraviti samo u teškim uslovima, dok druga lakše reaguju.

Organosilicijumska jedinjenja na bazi silanskih veza dobijaju se hidrolizom alkil (ili aril) - hloroksisilana (ili alkoksisilana) nakon čega sledi polikondenzacija silanola. Karakteristična reakcija prikazana je na donjoj slici.

Polikondenzacija se može odvijati u tri pravca: formiranjem linearnih ili cikličnih jedinjenja, proizvodnjom supstanci mreže ili prostorne strukture. Ciklične polimere karakteriše veća gustina i viskoznost u odnosu na linearne analoge.

Sinteza jedinjenja velike molekularne težine

Organske smole i elastomeri na bazi silicijuma dobijaju se hidrolizom monomera. Proizvodi za hidrolizu se naknadno zagrijavaju i dodaju katalizatori. Kao rezultat hemijskih transformacija oslobađa se voda (ili druge supstance) i formiraju se složeni polimeri.

Organosilicijumske supstance koje sadrže kiseonik su sklonije polimerizaciji od odgovarajućih jedinjenja na bazi ugljenika. Silicijum je, nasuprot tome, u stanju da zadrži 2 ili više hidroksilnih grupa. Mogućnost formiranja umreženih polimernih molekula od cikličnih uglavnom ovisi o veličini organskog radikala.

Analiza

Analiza organosilicijumskih jedinjenja vrši se u nekoliko pravaca:

• Određivanje fizičkih konstanti (tačka topljenja, tačka ključanja i druge karakteristike).
• Kvalitativna analiza. Za otkrivanje spojeva ovog tipa u lakovima, uljima i smolama, uzorak za ispitivanje se spaja sa natrijum karbonatom, ekstrahuje vodom, zatim tretira amonijum molibdatom i benzidinom. Ako postoji organosilicijum, uzorak je plave boje. Postoje i drugi načini za identifikaciju.
• Kvantitativna analiza. Metode infracrvene i emisione spektroskopije koriste se i za kvalitativne i za kvantitativne studije organosilicijumskih jedinjenja. Takođe se koriste i druge metode-sol-gel analiza, masena spektroskopija, nuklearna magnetna rezonanca.
• , detaljna fizičko-hemijska studija.

Preliminarna izolacija i prečišćavanje supstance se vrši. Za čvrste kompozicije, odvajanje jedinjenja se vrši na osnovu njihove različite rastvorljivosti, tačke ključanja i kristalizacije. Odvajanje hemijski čistih organskih jedinjenja silicijuma često se vrši frakcionom destilacijom. Tečne faze su odvojene pomoću lijevka za razdvajanje. Za mešavine gasova koriste se apsorpcija ili ukapljivanje na negativnim temperaturama i frakcionisanje.

Aplikacije

Opseg primene organosilicijumskih jedinjenja je veoma velik:

• proizvodnja tehničkih tečnosti (ulja za podmazivanje, radne tečnosti za vakuumske pumpe, vazelin, paste, emulzije, protivpjenivače i dr.);
• hemijska industrija – primjena kao stabilizatori, modifikatori, katalizatori;
• industrija boja i lakova – aditivi za proizvodnju termički otporni, antikorozivni premazi za metal, beton, staklo i druge materijale;
• vazduhoplovstvo - materijali za presovanje , hidraulične tečnosti, nosači toplote, jedinjenja za odleđivanje;
• elektrotehnika-proizvodnja smola i lakova, materijala za zaštitu integrisanih kola;
• mašinska industrija-proizvodnja gumenih proizvoda, jedinjenja, maziva, zaptivača, lepkova;
• laka industrija-modifikatori tekstilnih vlakana, kože, kože; regulatori pene;
• farmaceutska industrija-proizvodnja materijala za protetika, imunostimulansi, adaptogeni, kozmetika.

Prednosti takvih supstanci uključuju činjenicu da se mogu koristiti u različitim uslovima: u tropskim i hladnim klimatskim uslovima, pri visokom pritisku i u vakuumu, pri visokim temperaturama i zračenju. Antikorozivni premazi na njihovoj osnovi rade u temperaturnom rasponu od -60 do +550 ° C.

Stočarstvo

Upotreba organosilicijumskih jedinjenja u stočarstvu zasniva se na činjenici da je silicijum aktivno uključen u formiranje kostiju i vezivnog tkiva, metaboličke procese. Ovaj trag element je od vitalnog značaja za razvoj i razvoj kućnih ljubimaca.

Studije pokazuju da uvođenje aditiva sa organosilicijumskim supstancama u ishranu živine i stoke doprinosi povećanju u živoj težini, smanjenje troškova slučaja i hrane po jedinici povećanja, povećanje metabolizma azota, kalcijuma, fosfora. Upotreba takvih lijekova kod krava također pomaže u prevenciji akušerskih bolesti.

Proizvodnja u Rusiji

Vodeće preduzeće za razvoj organosilicijumskih jedinjenja u Rusiji – GNIIHTEOS. Ovo je sveobuhvatan naučni centar koji se bavi stvaranjem industrijskih tehnologija za proizvodnju spojeva na bazi silicijuma, aluminija, bora, željeza i drugih hemijskih elemenata. Stručnjaci ove organizacije razvili su i implementirali organosilicijumske materijale sa više od 400 imena. Kompanija ima pilot pogon za njihovu proizvodnju.

Međutim, Rusija je mnogo inferiorna u odnosu na druge zemlje u globalnoj dinamici razvoja proizvodnje organskih spojeva na bazi silicija. Tako je u posljednjih 20 godina kineska industrija povećala proizvodnju ovih tvari za gotovo 50 puta, a zapadna Evropa – za 2 puta. Trenutno se proizvodnja organosilicijumskih jedinjenja u Rusiji odvija u "Kzsk-silikon", JSC "Altaihimprom" , u eksperimentalnoj fabrici Redkin, JSC "Himprom" (Čuvaška Republika), JSC "Silan".