Органични силициеви съединения: описание, получаване, свойства и приложения

Органичните съединения на силициева основа са голяма група съединения. Второто им, по-често срещано наименование е силикони. Областта на приложение на силициево-органичните съединения непрекъснато се разширява. Кремъчно-органичните съединения се използват в почти всички области на човешката дейност - от космонавтиката до медицината. Тези материали се характеризират с висока техническа и потребителска стойност.

Общи познания за

Неорганично-силициевите съединения са съединения, в които има връзка между силиция и въглерода. Могат да се добавят и други химични елементи (кислород, халогени, водород и др.). Следователно тази група вещества се характеризира с голямо разнообразие от свойства и области на приложение. За разлика от други органични съединения, силициевоорганичните съединения имат по-добри експлоатационни характеристики и са по-безопасни за човешкото здраве както при производството им, така и при използването на предметите, изработени от тях.

Изследването на силициевия тетрахлорид започва през XIX век. Силициевият тетрахлорид е първото синтезирано вещество. В периода от 20-те до 90-те години на този век са получени много съединения от този вид: силани, етери и заместени естери на ортосилициевата киселина, алкилхлоросилани и др. Някои от свойствата на силициевите и органичните съединения са доста сходни, което води до погрешното впечатление, че силициевите и въглеродните съединения са напълно идентични. Руският химик D. И. Менделеев доказва, че това не е така. Той също така открива, че съединенията на силиций и въглерод имат полимерна структура. Това не е характерно за органичните вещества, в които има връзка кислород-въглерод.

Класификация

Органично-силициевите съединения заемат междинно положение между органичните и органометалните. Сред тях има 2 големи групи вещества: нискомолекулни и високомолекулни.

В първата група изходните съединения са силициеви въглеводороди, а останалите са техни производни. Те включват следните вещества:

• силани и техните хомолози (дизилан, тризилан, тетразилан);
• Заместени силани (бутилсилан, терц-бутилсилан, изобутилсилан);
• ортосиланови естери (тетраметоксисилан, диметоксидиетоксисилан);
• ортосилициеви халогенидни естери (триметоксихлорозилан, метоксиетоксидихлорозилан);
• Заместени ортосилициеви естери (метилтриетоксисилан, метилфенилдиетоксисилан);
• алкил-(арил)-халоидилани (фенилтрихлоросилан);
• хидроксилни производни на органосилани (дихидроксидиетилсилан, хидроксиметилфенилсилан);
• алкил-(арил)-аминосилани (диаминометилфенилсилан, метиламинотриметилсилан);
• алкокси-(арилокси)-аминосилани;
• алкил-(арил)-аминохалоидилани;
• алкил-(арил)-иминосилани;
• изоцианати, тиоизоцианати и силициеви тиоетери.

Кремъчно-органични съединения с високо молекулно тегло

Основа за класификация на високомолекулните органични съединения е полимерният силициев въглеводород, чиято структурна схема е показана на фигурата по-долу.

Към тази група спадат следните вещества:

• алкил-(арил)-полисилани;
• органополиалкил-(полиарил)-силани;
• полиоргансилоксани;
• полиорганоалкилен-(фенилен)-силоксани;
• полиорганметалосилоксани;
• полимери с метални исиланови вериги.

Химични свойства

Тъй като тези вещества са много разнообразни, е трудно да се установят общи модели, характеризиращи връзката силиций-въглерод.

Най-характерните свойства на силициево-органичните съединения са:

• Устойчивостта на повишени температури се определя от вида и размера на органичния радикал или други групи, които са свързани с атома на Si. Тетрасубституираните силани притежават най-висока термична стабилност. Разлагането им започва при 650-700 °C. Полидиметилсилоксисилани се разрушават при 300 °C. Тетраетилсиланът и хексаетилдизиланът се разлагат при 350 °С при продължително нагряване, като се отделя 50% етилов радикал и се освобождава етан.
• Химическата устойчивост към киселини, основи и алкохоли зависи от структурата на радикала, който е свързан със силициевия атом, и от цялата молекула на веществото. По този начин въглеродно-силициевата връзка на алифатни заместени естери не се разкъсва, когато са изложени на концентрирана сярна киселина, но при смесени алкил-(арил)-заместени естери, при същите условия, фенилната група се отделя. Силоксановите връзки също показват висока якост.
• Органично-силициевите съединения са относително устойчиви на основи. Те се разграждат само при тежки условия. Например при полидиметилсилоксаните разцепването на метиловите групи се наблюдава само при температури над 200 °C и под налягане (автоклав).

Характеристики на съединения с високо молекулно тегло

Съществуват няколко вида вещества на основата на силиций с високо молекулно тегло:

• монофункционален;
• дифузия;
• трифункционален;
• четирифункционален.

При комбинирането на тези съединения се получават:

• производни на дисилоксана, които са предимно течни съединения;
• полимери с циклична структура (маслени течности);
• еластомери (полимери с линейна структура, състояща се от няколко десетки хиляди мономера, с високо молекулно тегло)
• полимери с линейна структура, в които крайните групи са блокирани от органични радикали (масла).

Смолите със съотношение метилов радикал към силиций от 1,2 до 1,5 са безцветни твърди вещества.

Следните свойства са характерни за органичните силициеви съединения с високо молекулно тегло:

• устойчиви на топлина;
• хидрофобност (устойчивост на проникване на вода)
• високи диелектрични стойности;
• поддържане на постоянна стойност на вискозитета в широк температурен диапазон;
• химическа стабилност дори в присъствието на силни окислители.

Физични свойства на силаните

Тъй като тези вещества са много разнородни по структура и състав, ще се ограничим с описанието на силициевоорганичните съединения на един от най-често срещаните групи - силани.

Моносилан и дисилан (SiH₄ и Si₂H₄ съответно) при нормални условия са газове, които имат неприятна миризма. При липса на вода и кислород, те са сравнително химически стабилни.

Тетразиланът и тризиланът са летливи и отровни течности. Пентатсиланът и хексаланът също са отровни и химически нестабилни.

Тези вещества са разтворими в алкохол, бензин и въглероден дисулфид. последният вид разтвор е с повишена експлозивност. Температурата на топене на горепосочените съединения варира от -90 °C (тетрасилан) до -187 °C (трисилан).

Подготовка на

Прибавянето на радикали към Si протича по различни начини и зависи от свойствата на изходното вещество и условията, при които се извършва синтезът. Някои съединения на силана с органични вещества могат да се получат само при тежки условия, докато други реагират по-лесно.

Получаването на силициевоорганични съединения на базата на силанови връзки се извършва чрез хидролиза на алкил (или арил)-хлороксисилани (или алкоксисилани) със следната поликондензация на силаноли. Характерната реакция е показана на фигурата по-долу.

Поликондензацията може да протече в три посоки: с образуване на линейни или циклични съединения, с получаване на вещества с мрежеста или пространствена структура. Цикличните полимери се характеризират с по-висока плътност и вискозитет от линейните си аналози.

Синтез на съединения с високо молекулно тегло

Органичните смоли и еластомери на основата на силициев диоксид се произвеждат чрез хидролиза на мономери. Впоследствие продуктите от хидролизата се нагряват и се добавят катализатори. При химичните трансформации се получават вода (или други вещества) и сложни полимери.

Органично-силициевите съединения, съдържащи кислород, са по-склонни към полимеризация, отколкото техните аналози на въглеродна основа. За разлика от тях силицият може да задържа 2 или повече хидроксилни групи. Възможността за образуване на омрежени полимерни молекули от циклични молекули зависи главно от размера на органичния радикал.

Анализ на

Анализът на силициево-органичните съединения се извършва по няколко начина:

• Определяне на физичните константи (температура на топене, температура на кипене и други характеристики).
• Качествен анализ. За откриване на съединения от този тип При лаковете, маслата и смолите изпитваната проба се стопява с натриев карбонат, екстрахира се с вода, след което се обработва с амониев молибдат и бензидин. При наличие на силициево-органично съединение пробата се оцветява в синьо. Други методи за идентификация.
• Количествен анализ. За качествено и количествено изследване на силициево-органичните съединения се прилагат методите на инфрачервената и емисионната спектроскопия. Други методи - сол-гел анализ, масова спектроскопия, ядреномагнитен резонанс.
• Подробно физикохимично изследване.

предварително разделяне и пречистване на веществото. При твърдите състави разделянето на съединенията се извършва въз основа на тяхната различна разтворимост, температура на кипене и кристализация. Органичните химически чисти силициеви съединения често се изолират чрез фракционна дестилация. Течните фази се разделят в разделителна фуния. За газови смеси - абсорбция или втечняване при отрицателни температури и фракциониране.

Прилагане на

Областта на приложение на силициево-органичните съединения е много голяма:

• производство на технически течности (смазочни масла, вакуумни помпи, вазелин, пасти, емулсии, пенообразуватели и др.)
• химическа промишленост - приложения като стабилизатори, модификатори, катализатори;
• Производство на бои и лакове - добавки за производство на антикорозионни и термоустойчиви покрития за метал, бетон, стъкло и други материали
• космическо инженерство - материали за пресоване, работни течности за хидравлични системи, охлаждащи течности, смеси за обезледяване;
• електротехника - производство на смоли и лакове, материали за защита на интегрални схеми;
• Машиностроене - производство на каучукови изделия, смеси, смазочни материали, уплътнители, лепила;
• лека промишленост - модификатори на текстилни влакна, кожа, изкуствена кожа; пенообразуватели;
• фармацевтична промишленост - производство на материали за Протези, имуностимулатори, адаптогени, козметика.

Сред предимствата на тези вещества е фактът, че те могат да се използват при много различни условия: в тропически и студен климат, при високо налягане и вакуум, при високи температури и радиация. Базираните на тях антикорозионни покрития се използват в температурния диапазон от -60 до +550 °С.

Животновъдство

Използването на силициево-органични съединения в животновъдството се основава на факта, че силицият участва активно в образуването на костите и съединителната тъкан и в метаболитните процеси. Този микроелемент е жизненоважен от съществено значение за растеж и развитие на домашните животни.

Проучванията показват, че включването на силициевоорганични съединения във фуражната дажба на птиците и селскостопанските животни подобрява Те могат да се използват в най-различни среди: тропически и студен климат, високо налягане и вакуум, високи температури и силно излагане на радиация, за намаляване на телесното тегло, предотвратяване на загубите на фураж и разходите за единица прираст, увеличаване на метаболизма на азота, калция и фосфора и подобряване на конверсията на фуража и метаболизма. Употребата му при крави помага и за предотвратяване на акушерски заболявания.

Производство в Русия

Водещото руско предприятие в разработването на силициевоорганични съединения е GNIIChTEOS. Това е комплексен научен център, който се занимава със създаването на промишлени технологии на базата на силиций, алуминий, бор, желязо и други химични елементи. Специалистите на тази организация са разработили и внедрили повече от 400 изделия от силициевоорганични материали. Компанията разполага с пилотен завод за производството им.

Въпреки това Русия е далеч зад другите страни в глобалното развитие на органичните съединения на силициева основа. Например през последните 20 години китайската промишленост е увеличила производството на тези съединения почти 50 пъти, докато Западна Европа го е увеличила 2 пъти. В Русия силициево-органични съединения се произвеждат в КЗСК-Силикон, Алтайхимпром, Редкинския експериментален завод, Химпром (Чувашка република) и Силан.