Kiselbaserade organiska ämnen är en stor grupp föreningar. Det andra, vanligare namnet för dem är silikoner. Omfattningen av organiska kiselföreningar växer ständigt. De används inom nästan alla områden av mänsklig aktivitet - från astronautik till medicin. Material baserat på dem har höga tekniska och konsumentkvaliteter.
Allmänt koncept
Organokiselföreningar är föreningar där det finns en bindning mellan kisel och kol. De kan också innehålla andra ytterligare kemiska element (syre, halogener, väte och andra). I detta avseende kännetecknas denna grupp av ämnen av en mängd olika egenskaper och tillämpningar. Till skillnad från andra organiska föreningar har kiselorganiska föreningar bättre prestandaegenskaper och högre säkerhet för människors hälsa både när de erhålls och när de används,gjorda av dem.
Deras studier började på 1800-talet. Kiseltetraklorid var det första syntetiserade ämnet. Under perioden från 20-talet till 90-talet av samma århundrade erhölls många föreningar av detta slag: silaner, etrar och substituerade estrar av ortokiselsyra, alkylklorsilaner och andra. Likheten mellan vissa av egenskaperna hos kisel och vanliga organiska ämnen har lett till bildandet av en falsk idé om att kisel- och kolföreningar är helt identiska. Den ryske kemisten D. I. Mendeleev bevisade att så inte är fallet. Han fastställde också att kisel-syreföreningar har en polymerstruktur. Detta är inte typiskt för organiska ämnen, där det finns en bindning mellan syre och kol.
Klassificering
Organokiselföreningar intar en mellanposition mellan organisk och metallorganisk. Bland dem urskiljs 2 stora grupper av ämnen: låg molekylvikt och hög molekylvikt.
I den första gruppen fungerar kiselväten som initiala föreningar, och resten är deras derivat. Dessa inkluderar följande ämnen:
- silaner och dess homologer (disilan, trisilan, tetrasilan);
- substituerade silaner (butylsilan, tert-butylsilan, isobutysilan);
- Etrar av ortokiselsyra (tetrametoxisilan, dimetoxidietoxisilan);
- haloestrar av ortokiselsyra (trimetoxiklorsilan, metoxietoxidiklorsilan);
- substituerade estrar av ortokiselsyra (metyltrietoxisilan, metylfenyldietoxisilan);
- alkyl-(aryl)-halosilaner (fenyltriklorsilan);
- hydroxylderivat av organosilaner(dihydroxidietylsilan, hydroximetyletylfenylsilan);
- alkyl-(aryl)-aminosilaner (diaminometylfenylsilan, metylaminotrimetylsilan);
- alkoxi-(aryloxi)-aminosilaner;
- alkyl-(aryl)-aminohalosilaner;
- alkyl-(aryl)-iminosilaner;
- isocyanater, tioisocyanater och kiseltioetrar.
Kiselorganiska föreningar med hög molekylvikt
Grunden för klassificeringen av makromolekylära organiska föreningar är polymerkiselväte, vars strukturdiagram visas i figuren nedan.
Följande ämnen tillhör denna grupp:
- alkyl-(aryl)-polysilaner;
- organopolyalkyl-(polyaryl)-silaner;
- polyorganosiloxanes;
- polyorganoalkylen-(fenylen)-siloxaner;
- polyorganometallosiloxanes;
- metalloidsilankedjepolymerer.
Kemiska egenskaper
Eftersom dessa ämnen är mycket olika är det svårt att fastställa allmänna mönster som kännetecknar bindningen mellan kisel och kol.
De mest karakteristiska egenskaperna hos kiselorganiska föreningar är:
- Beständig mot förhöjd temperatur bestäms av typen och storleken på den organiska radikalen eller andra grupper som är associerade med Si-atomen. Tetrasubstituerade silaner har den högsta termiska stabiliteten. Deras nedbrytning börjar vid en temperatur på 650-700 °C. Polydimetylsiloxylaner förstörs vid en temperatur av 300 °C. Tetraetylsilan och hexaetyldisilan sönderdelas vid långvarig uppvärmning vid en temperatur av 350 ° C,i detta fall elimineras 50 % av etylradikalen och etan frigörs.
- Kemisk motståndskraft mot syror, alkalier och alkoholer beror på strukturen hos radikalen, som är associerad med kiselatomen, och hela molekylen av ämnet. Så bindningen av kol med kisel i alifatiska substituerade estrar förstörs inte när de utsätts för koncentrerad svavelsyra, medan i blandade alkyl-(aryl)-substituerade estrar, under samma förhållanden, spjälkas fenylgruppen. Siloxanbindningar har också hög hållfasthet.
- Organokiselföreningar är relativt resistenta mot alkalier. Deras förstörelse sker endast under svåra förhållanden. Till exempel, i polydimetylsiloxaner, observeras klyvning av metylgrupper endast vid temperaturer över 200 °C och under tryck (i en autoklav).
Karakteristika för makromolekylära föreningar
Det finns flera typer av kiselbaserade makromolekylära ämnen:
- monofunktionell;
- difunctional;
- trifunctional;
- quadrifunctional.
Genom att kombinera dessa föreningar får du:
- disiloxanderivat, som oftast är flytande föreningar;
- cykliska polymerer (oljiga vätskor);
- elastomerer (polymerer med en linjär struktur bestående av flera tiotusentals monomerer och en hög molekylvikt);
- polymerer med linjär struktur, i vilka ändgrupperblockerad av organiska radikaler (oljor).
Hartser med ett förhållande metylradikal till kisel på 1,2-1,5 är färglösa fasta ämnen.
Följande egenskaper är typiska för högmolekylära organiska kiselföreningar:
- värmemotstånd;
- hydrofobicitet (motstånd mot vatteninträngning);
- hög dielektrisk prestanda;
- upprätthålla ett konstant viskositetsvärde över ett brett temperaturområde;
- kemisk stabilitet även i närvaro av starka oxidanter.
Silaners fysikaliska egenskaper
Eftersom dessa ämnen är mycket heterogena i struktur och sammansättning begränsar vi oss till att beskriva organiska kiselföreningar från en av de vanligaste grupperna - silaner.
Monosilan och disilan (SiH4 och Si2H4 respektive) vid normal förhållanden är gaser som har en obehaglig lukt. I frånvaro av vatten och syre är de ganska kemiskt stabila.
Tetrasilan och trisilan är flyktiga giftiga vätskor. Pentasilan och hexasilan är också giftiga och kemiskt instabila.
Dessa ämnen löser sig väl i alkoholer, bensin, koldisulfid. Den senare typen av lösningar har en hög explosionsrisk. Smältpunkten för ovanstående föreningar sträcker sig från -90 °C (tetrasilan) till -187 °C (trisilan).
Receive
Tillsättningen av radikaler till Si förlöper annorlunda och beror på egenskaperna hos utgångsmaterialet och de förhållanden under vilka syntesen sker. Vissasammansättningar av kisel med organiska ämnen kan endast göras under svåra förhållanden, medan andra reagerar lättare.
Att erhålla kiselorganiska föreningar baserade på silanbindningar utförs genom hydrolys av alkyl (eller aryl)-kloroxisilaner (eller alkoxisilaner) följt av polykondensation av silanoler. En typisk reaktion visas i figuren nedan.
Polykondensation kan fortgå i tre riktningar: med bildning av linjära eller cykliska föreningar, med erhållande av substanser i ett nätverk eller rumslig struktur. Cykliska polymerer har en högre densitet och viskositet än sina linjära motsvarigheter.
Syntes av makromolekylära föreningar
Organiska hartser och silikonbaserade elastomerer produceras genom hydrolys av monomerer. Hydrolysprodukterna upphettas därefter och katalysatorer tillsätts. Som ett resultat av kemiska omvandlingar frigörs vatten (eller andra ämnen) och komplexa polymerer bildas.
Organokiselföreningar som innehåller syre är mer benägna att polymerisera än deras motsvarande kolbaserade föreningar. Kisel, däremot, kan hålla 2 eller fler hydroxylgrupper. Möjligheten att bilda tvärbundna polymermolekyler från cykliska beror huvudsakligen på storleken på den organiska radikalen.
Analys
Analys av kiselorganiska föreningar utförs i flera riktningar:
- Bestämning av fysikaliska konstanter (smältpunkt, kokpunkt och andra egenskaper).
- Kvalitativ analys. För att detektera föreningar av denna typ i lacker, oljor och hartser smälts testprovet med natriumkarbonat, extraheras med vatten och behandlas sedan med ammoniummolybdat och bensidin. Om organosilicium är närvarande blir provet blått. Det finns andra sätt att upptäcka.
- Kvantitativ analys. För både kvalitativa och kvantitativa studier av kiselorganiska föreningar används metoder för infraröd och emissionsspektroskopi. Andra metoder används också - sol-gelanalys, masspektroskopi, kärnmagnetisk resonans.
- Detaljerad fysikalisk och kemisk studie.
Förtillverka isoleringen och reningen av ämnet. För fasta kompositioner görs separationen av föreningar på basis av deras olika löslighet, kokpunkt och kristallisation. Isoleringen av kemiskt rena organiska kiselföreningar utförs ofta genom fraktionerad destillation. Vätskefaserna separeras med hjälp av en separertratt. För blandningar av gaser används absorption eller kondensering vid låga temperaturer och fraktionering.
Application
Omfattningen av organiska kiselföreningar är mycket stor:
- tillverkning av tekniska vätskor (smörjoljor, arbetsvätskor för vakuumpumpar, vaselin, pastor, emulsioner, skumdämpare och andra);
- kemisk industri - använd som stabilisatorer, modifieringsmedel, katalysatorer;
- färg- och lackindustrin - tillsatser för tillverkning av värmebeständiga, rostskyddsbeläggningar för metall, betong, glas och andra material;
- flygteknik - pressmaterial, hydraulvätskor, kylvätskor, anti-isbildningsblandningar;
- elektroteknik - tillverkning av hartser och lacker, material för att skydda integrerade kretsar;
- verkstadsindustrin - tillverkning av gummiprodukter, sammansättningar, smörjmedel, tätningsmedel, lim;
- lätt industri - modifierare av textilfibrer, läder, konstläder; skumdämpare;
- läkemedelsindustrin - tillverkning av material för proteser, immunstimulerande medel, adaptogener, kosmetika.
Fördelarna med sådana ämnen inkluderar det faktum att de kan användas under en mängd olika förhållanden: i tropiska och kalla klimat, vid högt tryck och i vakuum, vid höga temperaturer och strålning. Anti-korrosionsbeläggningar baserade på dem drivs i temperaturområdet från -60 till +550 °С.
boskap
Användningen av organiska kiselföreningar i djurhållningen bygger på det faktum att kisel är aktivt involverat i bildningen av ben och bindväv, metaboliska processer. Detta spårämne är avgörande för husdjurens tillväxt och utveckling.
Som visastudier, införandet av tillsatser med kiselorganiska ämnen i kosten för fjäderfä och boskap bidrar till en ökning av levande vikt, en minskning av dödlighet och foderkostnader per tillväxtenhet, en ökning av metabolismen av kväve, kalcium och fosfor. Användningen av sådana läkemedel hos kor hjälper också till att förebygga obstetriska sjukdomar.
Produktion i Ryssland
Det ledande företaget inom utveckling av organiska kiselföreningar i Ryssland är GNIIChTEOS. Detta är ett integrerat vetenskapligt centrum som är engagerat i skapandet av industriell teknik för tillverkning av föreningar baserade på kisel, aluminium, bor, järn och andra kemiska element. Specialisterna i denna organisation har utvecklat och introducerat mer än 400 organiska kiselmaterial. Företaget har en pilotanläggning för sin produktion.
Men Ryssland i den globala dynamiken i utvecklingen av produktionen av organiska föreningar baserade på kisel är mycket sämre än andra länder. Så under de senaste 20 åren har den kinesiska industrin ökat produktionen av dessa ämnen med nästan 50 gånger och Västeuropa - med 2 gånger. För närvarande utförs produktionen av organiska kiselföreningar i Ryssland vid KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, vid Redkinsky Pilot Plant, JSC Khimprom (Chuvash Republic), JSC Silan.
