Compuși organosiliconici: descriere, preparare, proprietăți și aplicații

Substanțele organice pe bază de siliciu reprezintă un grup mare de compuși. Al doilea nume, mai comun, este siliconi. Domeniul de aplicare a compușilor organosiliciu este în continuă creștere. Sunt folosite în aproape toate domeniile de activitate umană, de la astronautică la medicină. Materialele bazate pe acestea au calități tehnice și de consum ridicate.

Concept general

Compușii organosiliciu sunt compuși în care există o legătură între siliciu și carbon. Pot fi prezente și alte elemente chimice (oxigen, halogeni, hidrogen etc.). Acest grup de substanțe se caracterizează, prin urmare, printr-o mare diversitate de proprietăți și domenii de aplicare. Spre deosebire de alți compuși organici, compușii organosiliciu au caracteristici de performanță mai bune și sunt mai siguri pentru sănătatea umană Cum se obțin și cum pot fi utilizate în articolele fabricate din ele.

Ele au început să fie studiate în secolul al XIX-lea. Tetraclorura de siliciu a fost prima substanță sintetizată. Între anii 1920 și 1990, au fost produși mulți compuși de acest tip: silani, esteri și esteri substituiți ai acidului ortosilicicic, alchilclorosilani și alții. Similitudinea unora dintre proprietățile siliciului și ale substanțelor organice convenționale a condus la ideea greșită că compușii de siliciu și de carbon sunt complet identici. Chimistul rus D. И. Mendeleev a demonstrat că acest lucru nu este adevărat. De asemenea, a stabilit că compușii siliciu-oxigen au o structură polimerică. Acest lucru nu este caracteristic compușilor organici, în care există o legătură a oxigenului cu carbonul.

Clasificare

Compușii organosilici ocupă o poziție intermediară între compușii organici și organometalici. Există două mari grupe de substanțe: cu greutate moleculară mică și cu greutate moleculară mare.

În primul grup, hidrocarburile de siliciu sunt compușii de bază, iar celelalte sunt derivați ai acestora. Printre acestea se numără următoarele substanțe:

• silani și omologii săi (disilan, trisilan, tetrasilan);
• silani substituiți (butilsilan, terț-butilsilan, izobutilsilan);
• esteri ai acidului ortosilic (tetrametoxisilan, dimetoxi-dimetoxisilan)
• esteri de halogenură de ortosilice (trimetoxiclorosilan, metoxietoxidiclorosilan);
• esteri substituiți ai acidului ortosilic (metiltriethoxisilan, metilfenildiethoxisilan);
• alchil-(aril)-haloizilani (feniltriclorosilan);
• derivați hidroxilici ai organosilanilor (dihidroxidietilsilan, hidroximetil etilfenilsilan);
• alchil-(aril)-amino-silani (diaminometilfenilsilan, metilaminotrimetilsilan);
• alcoxi-(ariloxi)-amino-silani;
• alchil-(aril)-aminohaloizilani;
• alchil-(aril)-iminosilani;
• izocianați, tioizocianați și tioeteri de siliciu.

Compuși organosiliconici cu greutate moleculară mare

Baza pentru clasificarea compușilor organici cu un număr mare de molecule este siliciu-hidrogen polimeric, a cărui diagramă structurală este prezentată în figura de mai jos.

Următoarele substanțe fac parte din acest grup:

• alchil-(aril)-polisilani;
• organopolialchil-(poliaril)-silani;
• poliorganoziloxani;
• poliorganoalchilen (fenilen)-siloxani;
• poliorganometalosiloxani;
• Polimeri metaloizi cu lanț silanic.

Proprietăți chimice

Deoarece aceste substanțe sunt foarte diverse, este dificil să se stabilească modele generale care să caracterizeze legătura siliciu-carbon.

Cele mai caracteristice proprietăți ale compușilor organosiliciu sunt:

• Rezistența la căldură este determinată de tipul și mărimea radicalului organic sau a altor grupuri legate de atomul de Si. Silanii tetrasubstituiți sunt cei mai rezistenți la temperatură. Descompunerea lor începe la 650-700 °C. Polidimetilsiloxilanii se degradează la 300 °C. Tetraetilsilanul și hexaetilsilanul se dezintegrează atunci când sunt încălzite la 350 °C, după care 50% din radicalii etilici se despart și se eliberează etan.
• rezistența chimică la acizi, baze și alcooli depinde de structura radicalului atașat la atomul de siliciu și de întreaga moleculă a substanței. De exemplu, legătura carbon-siliciu a esterilor alifatici substituiți nu se rupe atunci când sunt expuși la acid sulfuric concentrat, în timp ce esterii alchil-(aril)-substituiți mixt, în aceleași condiții, suferă o detașare a grupei fenil. Legăturile de siloxan sunt, de asemenea, foarte puternice.
• Compușii de organosiliciu sunt relativ rezistenți la acțiunea alcalinelor. Ele pot fi distruse numai în condiții severe. De exemplu, în cazul polidimetilsiloxanilor, scindarea grupărilor metil se observă numai la temperaturi de peste 200 °C și sub presiune (autoclav).

Caracteristicile compușilor cu greutate moleculară mare

Se face o distincție între mai multe tipuri de compuși pe bază de siliciu cu greutate moleculară mare:

• monofuncțional;
• difuncțional;
• trifuncțională;
• cvadrifuncțională.

Combinarea acestor compuși produce:

• Derivați de disiloxan, care sunt cel mai adesea compuși lichizi;
• polimeri cu structură ciclică (lichide uleioase);
• elastomeri (polimeri cu o structură liniară formată din câteva zeci de mii de monomeri și cu o greutate moleculară mare);
• polimeri cu structură liniară, în care grupele terminale sunt blocate de radicali organici (uleiuri).

rășinile cu un raport de radical metil la siliciu de 1,2-1,5 sunt solide incolore.

Următoarele proprietăți sunt caracteristice compușilor organici de siliciu cu număr mare de molecule

• rezistent la încălzire;
• hidrofobicitate (rezistență la pătrunderea apei);
• valori dielectrice ridicate;
• păstrarea unei valori constante a vâscozității pe o gamă largă de temperaturi
• stabilitate chimică chiar și în prezența unor agenți oxidanți puternici.

Proprietăți fizice ale silanilor

Deoarece aceste substanțe sunt foarte eterogene din punct de vedere al structurii și compoziției, ne vom limita la descrierea compușilor organosilicați de unul din cele mai frecvente grupuri - silani.

Monosilan și disilan (SiH₄ și Si₂H₄ respectiv) sunt, în condiții normale, gaze care au un miros neplăcut. În absența apă și oxigen, sunt destul de stabile din punct de vedere chimic.

Tetracilanul și trisilanul sunt ambele lichide volatile și toxice. Pentasilanul și hexasilanul sunt, de asemenea, toxice și prezintă instabilitate chimică.

Aceste substanțe sunt solubile în alcool, benzină, disulfură de carbon. Aceste din urmă soluții sunt foarte explozive. Punctul de topire al compușilor de mai sus variază de la -90 °C (tetrasilan) la -187 °C (trisilan).

Obținerea

Atașarea radicalilor la Si se realizează în moduri diferite și depinde de proprietățile substanței de plecare și de condițiile în care are loc sinteza. Unii compuși ai siliciului cu substanțe organice pot fi obținuți numai în condiții dificile; alții reacționează mai ușor.

Prepararea compușilor organosiliconici pe bază de legături silanice se face prin hidroliza alchil (sau aril)-cloroxisilanilor (sau alcoxisilanilor), urmată de policondensarea silanilor. Reacția caracteristică este prezentată în figura de mai jos.

Policondensarea poate avea loc în trei direcții: cu formarea de compuși liniari sau ciclici, cu formarea de structuri reticulare sau spațiale. Polimerii ciclici se caracterizează prin densitate și vâscozitate mai mari decât omologii lor liniari.

Sinteza compușilor cu greutate moleculară mare

Rășinile și elastomerii organici pe bază de silice sunt produse prin hidroliza monomerilor. Produsele de hidroliză sunt apoi încălzite și se adaugă catalizatori. În urma transformării chimice se eliberează apă (sau alte substanțe) și se formează polimeri complecși.

Compușii organosiliciu care conțin oxigen sunt mai predispuși la polimerizare decât omologii lor pe bază de carbon. Silanul, în schimb, este capabil să rețină 2 sau mai multe grupe hidroxil. Capacitatea de a forma molecule polimerice reticulate din molecule ciclice depinde în principal de dimensiunea radicalului organic.

Analiză

Analiza compușilor organosiliciu se realizează în mai multe moduri:

• Determinarea constantelor fizice (punctul de topire, punctul de fierbere și alte caracteristici).
• Analiza calitativă. Pentru detectarea compușilor de acest tip Pentru lacuri, uleiuri și rășini, proba de analizat este topită cu carbonat de sodiu, extrasă cu apă, apoi tratată cu molibdat de amoniu și benzidină. În cazul în care este prezent un compus organosiliciu, proba va deveni albastră. Există și alte metode de detectare.
• Analiza cantitativă. Pentru determinarea calitativă și cantitativă a compușilor organosiliciu se utilizează spectroscopia în infraroșu și de emisie. Se folosesc și alte metode - analiza sol-gel, spectroscopia de masă, rezonanța magnetică nucleară.
• Analiza fizico-chimică detaliată.

extracția și purificarea substanței se realizează în prealabil. În cazul compozițiilor solide, separarea compușilor se face pe baza solubilității, a punctului de fierbere și a cristalizării lor diferite. Compușii organici de siliciu chimic puri sunt adesea separați prin distilare fracționată. Fazele lichide se separă cu ajutorul unei pâlnii de separare. Pentru amestecurile de gaze, se utilizează absorbția sau lichefierea și fracționarea la temperaturi sub zero.

Aplicații

Domeniul de aplicare al compușilor organosiliciu este foarte larg:

• producerea de fluide tehnice (uleiuri lubrifiante, pompe de vid, vaselină, paste, emulsii, antispumanți etc.);
• Industria chimică - utilizare ca stabilizatori, modificatori, catalizatori;
• Industria vopselelor și lacurilor - aditivi pentru fabricarea de acoperiri anticorozive, rezistente la căldură pentru metal, beton, sticlă și alte materiale
• industria aerospațială - materiale de presare, fluide hidraulice, lichide de răcire, compuși de degivrare;
• inginerie electrică - producția de rășini și lacuri, materiale de protecție pentru circuite integrate;
• Industria inginerească - producția de produse din cauciuc, compuși, lubrifianți, agenți de etanșare, adezivi;
• industria ușoară - modificatori pentru fibre textile, piele, piele artificială; regulatori de spumă;
• Industria farmaceutică - fabricarea de materiale pentru proteze - imunostimulante, adaptogene, cosmetice.

Avantajul acestor substanțe este că pot fi utilizate în condiții foarte diferite: în climă tropicală și rece, la presiune ridicată și în vid, la temperaturi ridicate și radiații mari. Acoperirile de protecție anticorozivă pe baza acestora sunt adecvate pentru o gamă de temperaturi de utilizare de la -60 °C la +550 °C.

Creșterea animalelor

Utilizarea compușilor organosiliciu în zootehnie se bazează pe faptul că siliciul este implicat activ în formarea oaselor și a țesutului conjunctiv, în procesele metabolice. Acest micronutrient este vital necesare pentru creșterea și dezvoltarea animalelor domestice.

Studiile arată că introducerea suplimentelor de siliciu în alimentația păsărilor și a animalelor de fermă îmbunătățește greutatea vie, reducerea mortalității și a cheltuielilor cu hrana pe unitate de creștere, creșterea metabolismului azotului, calciului, fosforului. Utilizarea acestor preparate la vaci ajută și la prevenirea bolilor obstetricale.

Producția în Rusia

Principala întreprindere de dezvoltare a compușilor organosiliconici din Rusia este GNIIChTEOS. Este un centru științific integrat care se dedică dezvoltării tehnologiei industriale pentru producerea de compuși pe bază de siliciu, aluminiu, bor, fier și alte elemente chimice. Această organizație a dezvoltat și introdus peste 400 de materiale organosilicioase diferite. Compania dispune de o instalație pilot pentru producția lor.

Cu toate acestea, Rusia este în urma altor țări în ceea ce privește producția globală de compuși organici pe bază de siliciu. De exemplu, în ultimii 20 de ani, industria chineză a crescut producția acestor substanțe de aproape 50 de ori, iar Europa de Vest - de 2 ori. În prezent, producția de compuși de organosiliciu în Rusia se realizează la KZSK-Silicon, JSC Altaikhimprom, uzina experimentală Redkinskiy, JSC Khimprom (Republica Chuvash), JSC Silan.