Siliziumbasierte organische Verbindungen sind eine große Gruppe von Verbindungen. Der zweite, gebräuchlichere Name für sie ist Silikone. Das Spektrum der Organosiliciumverbindungen wächst ständig. Sie werden in fast allen Bereichen der menschlichen Tätigkeit eingesetzt - von der Raumfahrt bis zur Medizin. Darauf basierende Materialien haben hohe technische und Verbraucherqualitäten.
Gesamtkonzept
Siliziumorganische Verbindungen sind Verbindungen, bei denen eine Bindung zwischen Silizium und Kohlenstoff besteht. Sie können auch andere zusätzliche chemische Elemente (Sauerstoff, Halogene, Wasserstoff und andere) enth alten. Dabei zeichnet sich diese Stoffgruppe durch vielfältige Eigenschaften und Anwendungen aus. Im Gegensatz zu anderen organischen Verbindungen haben Organosiliciumverbindungen bessere Gebrauchseigenschaften und eine höhere Sicherheit für die menschliche Gesundheit, sowohl bei der Gewinnung als auch bei der Verwendung von Gegenständen.daraus gemacht.
Ihr Studium begann im 19. Jahrhundert. Siliciumtetrachlorid war die erste synthetisierte Substanz. In der Zeit von den 20er bis zu den 90er Jahren desselben Jahrhunderts wurden viele Verbindungen dieser Art erh alten: Silane, Ether und substituierte Ester der Orthokieselsäure, Alkylchlorsilane und andere. Die Ähnlichkeit einiger Eigenschaften von Silizium und gewöhnlichen organischen Substanzen hat zu der falschen Vorstellung geführt, dass Silizium- und Kohlenstoffverbindungen völlig identisch sind. Der russische Chemiker D. I. Mendeleev hat bewiesen, dass dem nicht so ist. Er stellte auch fest, dass Silizium-Sauerstoff-Verbindungen eine polymere Struktur haben. Dies ist nicht typisch für organische Stoffe, bei denen eine Bindung zwischen Sauerstoff und Kohlenstoff besteht.
Klassifizierung
Organosiliciumverbindungen nehmen eine Zwischenstellung zwischen organischen und metallorganischen Verbindungen ein. Darunter werden 2 große Stoffgruppen unterschieden: niedermolekulare und hochmolekulare.
In der ersten Gruppe dienen Siliziumwasserstoffe als Ausgangsverbindungen, der Rest sind ihre Derivate. Dazu gehören folgende Substanzen:
- Silane und ihre Homologen (Disilan, Trisilan, Tetrasilan);
- substituierte Silane (Butylsilan, tert.-Butylsilan, Isobutysilan);
- Ether der Orthokieselsäure (Tetramethoxysilan, Dimethoxydiethoxysilan);
- Halogenester der Orthokieselsäure (Trimethoxychlorsilan, Methoxyethoxydichlorsilan);
- substituierte Ester der Orthokieselsäure (Methyltriethoxysilan, Methylphenyldiethoxysilan);
- Alkyl-(aryl)-halogensilane (Phenyltrichlorsilan);
- Hydroxylderivate von Organosilanen(Dihydroxydiethylsilan, Hydroxymethylethylphenylsilan);
- Alkyl-(aryl)-aminosilane (Diaminomethylphenylsilan, Methylaminotrimethylsilan);
- Alkoxy-(aryloxy)-aminosilane;
- Alkyl-(aryl)-aminohalogensilane;
- Alkyl-(aryl)-iminosilane;
- Isocyanate, Thioisocyanate und Silikonthioether.
Organosiliciumverbindungen mit hohem Molekulargewicht
Die Grundlage für die Klassifizierung makromolekularer organischer Verbindungen ist polymerer Siliziumwasserstoff, dessen Strukturdiagramm in der folgenden Abbildung dargestellt ist.
Folgende Stoffe gehören zu dieser Gruppe:
- Alkyl-(Aryl)-Polysilane;
- organopolyalkyl-(polyaryl)-silane;
- Polyorganosiloxane;
- Polyorganoalkylen-(phenylen)-siloxane;
- Polyorganometallosiloxane;
- Metalloidsilankettenpolymere.
Chemische Eigenschaften
Da diese Substanzen sehr unterschiedlich sind, ist es schwierig, allgemeine Muster festzulegen, die die Bindung zwischen Silizium und Kohlenstoff charakterisieren.
Die charakteristischsten Eigenschaften von Organosiliciumverbindungen sind:
- Beständigkeit gegenüber erhöhter Temperatur wird bestimmt durch die Art und Größe des organischen Rests oder anderer Gruppen, die mit dem Si-Atom assoziiert sind. Tetrasubstituierte Silane haben die höchste thermische Stabilität. Ihre Zersetzung beginnt bei einer Temperatur von 650-700 °C. Polydimethylsiloxylane werden bei einer Temperatur von 300 °C zerstört. Tetraethylsilan und Hexaethyldisilan zersetzen sich bei längerem Erhitzen bei einer Temperatur von 350°C,dabei werden 50 % des Ethylradikals abgesp alten und Ethan freigesetzt.
- Die chemische Beständigkeit gegenüber Säuren, Laugen und Alkoholen hängt von der Struktur des Radikals, das mit dem Siliziumatom verbunden ist, und dem gesamten Molekül der Substanz ab. So wird die Bindung von Kohlenstoff mit Silizium in aliphatisch substituierten Estern nicht zerstört, wenn sie konzentrierter Schwefelsäure ausgesetzt werden, während in gemischten Alkyl-(Aryl)-substituierten Estern unter den gleichen Bedingungen die Phenylgruppe gesp alten wird. Auch Siloxanbindungen haben eine hohe Festigkeit.
- Siliziumorganische Verbindungen sind relativ beständig gegen Alkalien. Ihre Zerstörung erfolgt nur unter rauen Bedingungen. Beispielsweise wird bei Polydimethylsiloxanen eine Absp altung von Methylgruppen erst bei Temperaturen über 200 °C und unter Druck (im Autoklaven) beobachtet.
Eigenschaften makromolekularer Verbindungen
Es gibt verschiedene Arten von makromolekularen Substanzen auf Siliziumbasis:
- monofunktional;
- difunktional;
- trifunktional;
- quadrifunktional.
Kombiniert man diese Verbindungen, erhält man:
- Disiloxanderivate, die meistens flüssige Verbindungen sind;
- zyklische Polymere (ölige Flüssigkeiten);
- Elastomere (Polymere mit linearer Struktur, die aus mehreren zehntausend Monomeren bestehen und ein hohes Molekulargewicht haben);
- Polymere mit linearer Struktur, bei denen Endgruppenblockiert durch organische Radikale (Öle).
Harze mit einem Verhältnis von Methylradikal zu Silizium von 1,2-1,5 sind farblose Feststoffe.
Folgende Eigenschaften sind typisch für hochmolekulare organische Siliziumverbindungen:
- Hitzebeständigkeit;
- Hydrophobie (Widerstand gegen das Eindringen von Wasser);
- hohe dielektrische Leistung;
- Beibeh altung eines konstanten Viskositätswertes über einen weiten Temperaturbereich;
- chemische Stabilität auch in Gegenwart starker Oxidationsmittel.
Physikalische Eigenschaften von Silanen
Da diese Substanzen in Struktur und Zusammensetzung sehr heterogen sind, beschränken wir uns auf die Beschreibung von Organosiliciumverbindungen einer der häufigsten Gruppen - der Silane.
Monosilan und Disilan (SiH4 bzw. Si2H4) im Normalzustand Bedingungen sind Gase, die einen unangenehmen Geruch haben. In Abwesenheit von Wasser und Sauerstoff sind sie chemisch ziemlich stabil.
Tetrasilan und Trisilan sind flüchtige giftige Flüssigkeiten. Pentasilan und Hexilan sind ebenfalls giftig und chemisch instabil.
Diese Substanzen lösen sich gut in Alkoholen, Benzin, Schwefelkohlenstoff. Die letztgenannte Art von Lösungen hat eine hohe Explosionsgefahr. Der Schmelzpunkt der oben genannten Verbindungen reicht von -90 °C (Tetrasilan) bis -187 °C (Trisilan).
Empfangen
Die Addition von Radikalen an Si verläuft unterschiedlich und hängt von den Eigenschaften des Ausgangsmaterials und den Bedingungen ab, unter denen die Synthese abläuft. EtwasVerbindungen von Silizium mit organischen Stoffen lassen sich nur unter harschen Bedingungen herstellen, andere reagieren leichter.
Die Gewinnung von Organosiliciumverbindungen auf Basis von Silanbindungen erfolgt durch Hydrolyse von Alkyl- (oder Aryl)-Chloroxysilanen (oder Alkoxysilanen) mit anschließender Polykondensation von Silanolen. Eine typische Reaktion ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Die Polykondensation kann in drei Richtungen ablaufen: unter Bildung linearer oder zyklischer Verbindungen, unter Erh alt von Stoffen mit einer Netzwerk- oder Raumstruktur. Zyklische Polymere haben eine höhere Dichte und Viskosität als ihre linearen Gegenstücke.
Synthese makromolekularer Verbindungen
Organische Harze und Elastomere auf Silikonbasis werden durch die Hydrolyse von Monomeren hergestellt. Anschließend werden die Hydrolyseprodukte erhitzt und Katalysatoren zugegeben. Als Ergebnis chemischer Umwandlungen wird Wasser (oder andere Substanzen) freigesetzt und komplexe Polymere werden gebildet.
Organosiliciumverbindungen, die Sauerstoff enth alten, neigen eher zur Polymerisation als ihre entsprechenden Verbindungen auf Kohlenstoffbasis. Silizium dagegen ist in der Lage, 2 oder mehr Hydroxylgruppen zu h alten. Die Möglichkeit, aus zyklischen Polymermolekülen vernetzte zu bilden, hängt hauptsächlich von der Größe des organischen Rests ab.
Analyse
Die Analyse von Organosiliciumverbindungen erfolgt in mehreren Richtungen:
- Bestimmung physikalischer Konstanten (Schmelzpunkt, Siedepunkt und andere Kennwerte).
- Qualitative Analyse. Um solche Verbindungen in Lacken, Ölen und Harzen nachzuweisen, wird die Probe mit Soda verschmolzen, mit Wasser extrahiert und anschließend mit Ammoniummolybdat und Benzidin behandelt. Wenn Organosilizium vorhanden ist, färbt sich die Probe blau. Es gibt andere Möglichkeiten zur Erkennung.
- Quantitative Analyse. Sowohl für qualitative als auch quantitative Untersuchungen von Organosiliciumverbindungen werden Methoden der Infrarot- und Emissionsspektroskopie eingesetzt. Andere Methoden werden ebenfalls verwendet - Sol-Gel-Analyse, Massenspektroskopie, Kernspinresonanz.
- Detaillierte physikalische und chemische Studie.
Die Isolierung und Reinigung der Substanz vorproduzieren. Bei festen Zusammensetzungen erfolgt die Trennung von Verbindungen aufgrund ihrer unterschiedlichen Löslichkeit, Siedetemperatur und Kristallisation. Die Isolierung von chemisch reinen organischen Siliziumverbindungen erfolgt häufig durch fraktionierte Destillation. Die flüssigen Phasen werden mit einem Scheidetrichter getrennt. Für Gasgemische werden Absorption oder Verflüssigung bei niedrigen Temperaturen und Fraktionierung verwendet.
Bewerbung
Die Bandbreite der Organosiliciumverbindungen ist sehr groß:
- Herstellung von technischen Flüssigkeiten (Schmieröle, Arbeitsflüssigkeiten für Vakuumpumpen, Vaseline, Pasten, Emulsionen, Entschäumer und andere);
- Chemische Industrie - Verwendung als Stabilisatoren, Modifikatoren, Katalysatoren;
- Farben- und Lackindustrie - Zusatzstoffe zur Herstellung von hitzebeständigen Korrosionsschutzbeschichtungen für Metall, Beton, Glas und andere Materialien;
- Luft- und Raumfahrttechnik - Pressmaterialien, Hydraulikflüssigkeiten, Kühlmittel, Vereisungsschutzmittel;
- Elektrotechnik - Herstellung von Harzen und Lacken, Materialien zum Schutz integrierter Sch altkreise;
- Maschinenbau - Herstellung von Gummiprodukten, Mischungen, Schmiermitteln, Dichtungsmitteln, Klebstoffen;
- Leichtindustrie - Modifikatoren von Textilfasern, Leder, Kunstleder; Entschäumer;
- pharmazeutische Industrie - Herstellung von Materialien für Prothesen, Immunstimulanzien, Adaptogene, Kosmetika.
Zu den Vorteilen solcher Substanzen gehört, dass sie unter verschiedenen Bedingungen eingesetzt werden können: in tropischem und k altem Klima, bei hohem Druck und Vakuum, bei hohen Temperaturen und Strahlung. Darauf basierende Korrosionsschutzbeschichtungen werden im Temperaturbereich von -60 bis +550 °С betrieben.
Viehh altung
Der Einsatz von siliziumorganischen Verbindungen in der Tierh altung beruht auf der Tatsache, dass Silizium aktiv am Aufbau von Knochen und Bindegewebe, Stoffwechselvorgängen beteiligt ist. Dieses Spurenelement ist lebenswichtig für das Wachstum und die Entwicklung von Haustieren.
Wie gezeigtStudien zufolge trägt die Einführung von Zusatzstoffen mit Organosiliciumsubstanzen in die Ernährung von Geflügel und Vieh zu einer Erhöhung des Lebendgewichts, einer Verringerung der Sterblichkeit und der Futterkosten pro Wachstumseinheit sowie einer Erhöhung des Stickstoff-, Kalzium- und Phosphorstoffwechsels bei. Der Einsatz solcher Medikamente bei Kühen hilft auch bei der Vorbeugung von Geburtserkrankungen.
Produktion in Russland
Das führende Unternehmen in der Entwicklung von Organosiliciumverbindungen in Russland ist GNIIChTEOS. Dies ist ein integriertes wissenschaftliches Zentrum, das sich mit der Entwicklung industrieller Technologien zur Herstellung von Verbindungen auf der Basis von Silizium, Aluminium, Bor, Eisen und anderen chemischen Elementen beschäftigt. Die Spezialisten dieser Organisation haben mehr als 400 siliziumorganische Materialien entwickelt und eingeführt. Das Unternehmen verfügt über eine Pilotanlage für seine Produktion.
Russland ist jedoch in der globalen Dynamik der Entwicklung der Produktion von organischen Verbindungen auf Siliziumbasis anderen Ländern weit unterlegen. So hat die chinesische Industrie in den letzten 20 Jahren die Produktion dieser Substanzen um fast das 50-fache und Westeuropa um das 2-fache gesteigert. Derzeit wird die Produktion von Organosiliciumverbindungen in Russland bei KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, in der Pilotanlage Redkinsky, JSC Khimprom (Chuvash Republic), JSC Silan durchgeführt.
