Organokromne spojine: opis, priprava, lastnosti in uporaba

Organske spojine na osnovi silicija so velika skupina spojin. Njihovo drugo najpogostejše ime je silikoni. Uporaba silicijevih organskih spojin nenehno narašča. Uporabljajo se na skoraj vseh področjih človeškega udejstvovanja, od astronavtike do medicine. To drugo ime za silikone, imenovane tudi silikoni, je material na osnovi silicija, ki je konkurenčna prednost na tehničnih in potrošniških trgih.

Splošni koncept

Organske silicijeve spojine so spojine, v katerih obstaja vez med silicijem in ogljikom. Organokromne spojine lahko vsebujejo dodatne kemijske elemente (kisik, halogene, vodik itd.). Zato je za to skupino snovi značilna velika raznolikost lastnosti in področij uporabe. Za razliko od drugih organskih spojin imajo silicijeve organske spojine boljše lastnosti delovanja in večjo varnost za zdravje ljudi tako pri njihovi proizvodnji kot pri uporabi predmetov iz njih.

Njihovo preučevanje sega v devetnajsto stoletje. Silicijev tetraklorid je bila prva sintetizirana snov. V obdobju od dvajsetih do devetdesetih let tega stoletja so bile pridobljene številne tovrstne spojine: silani, estri in substituirani estri ortosilicijeve kisline, alkilklorosilani in drugi. Zaradi podobnosti nekaterih lastnosti silicija in običajnih organskih snovi je nastala napačna predstava, da so silicijeve in ogljikove spojine popolnoma enake. Ruski kemik D. И. Mendelejev je dokazal, da to ni res. Ugotovil je tudi, da imajo silicijevo-kisikove spojine polimerno strukturo. To ni značilno za organske spojine, v katerih je kisik vezan na ogljik.

Razvrstitev

Organokromne spojine so vmesni člen med organskimi in organokovinskimi spojinami. Obstajata dve veliki skupini snovi: snovi z nizko molekulsko maso in snovi z visoko molekulsko maso.

V prvi skupini so silicijevi ogljikovodiki izhodne spojine, druge pa so njihovi derivati. Med njimi so naslednje snovi:

• Silani in njihovi homologi (disilan, trisilan, tetrasilan);
• substituirani silani (butilsilan, terc-butilsilan, izobutilsilan);
• estri ortosilicijeve kisline (tetrametoksisilan, dimetoksidietoksisilan);
• ortosilicijevi halogenidni estri (trimetoksiklorosilan, metoksietoksidiklorosilan);
• Substituirani estri ortosilične kisline (metil trietoksisilan, metilfenildietoksisilan);
• alkil-(aril)-halozilani (feniltriklorosilan);
• hidroksilni derivati organosilanov (dihidroksidietilsilan, hidroksimetilfenilsilan);
• alkil-(aril)-amino-silani (diaminometilfenilsilan, metilaminotrimetilsilan);
• alkoksi-(ariloksi)-aminosilani;
• alkil-(aril)-amino-haloizilani;
• alkil-(aril)-iminosilani;
• izocianati, tioizocianati in tioetri silicijevega dioksida.

Visokomolekularne silicijeve organske spojine

Osnova za razvrščanje visokomolekularnih organskih spojin je polimerni silicijev dioksid, katerega strukturni diagram je prikazan na spodnji sliki.

V to skupino spadajo naslednje snovi:

• alkil-(aril)-polifilani;
• organopolialkil-(poliaril)-silani;
• poliorganosiloksani;
• poliorganoalkilen-(fenilen)-siloksani;
• poliorganometalosiloksani;
• polimeri metalloid-silanske verige.

Kemijske lastnosti

Ker so te snovi zelo raznolike, je težko določiti splošne zakonitosti, značilne za vez med silicijem in ogljikom.

Najbolj značilne lastnosti silicijevih organskih spojin so:

• Odpornost na povišane temperature je odvisna od vrste in velikosti organskih radikalov ali drugih skupin, ki so povezane z atomom Si. Tetrasubstituirani silani so toplotno najbolj stabilni. Njihova razgradnja se začne pri 650-700 °C. Polidimetilsiloksisilani se razgradijo pri 300 °C. Tetraetilsilan in heksaetil disilan pri segrevanju na 350 °C razpadata, pri čemer nastane 50 % etil radikalov in etan.
• Kemijska odpornost na kisline, alkalije in alkohole je odvisna od strukture radikalnega atoma silicija in celotne molekule. Tako se vez med ogljikom in silicijem alifatsko substituiranih estrov pod vplivom koncentrirane žveplove kisline ne pretrga, fenilna skupina mešanih alkil-(aril)-substituiranih estrov pa pod enakimi pogoji reagira na enak način. Siloksanske vezi so prav tako zelo močne.
• Organokromne spojine so relativno odporne na alkalije. Uničiti jih je mogoče le pod strogimi pogoji. Pri polidimetilsiloksanih se na primer metilne skupine cepijo le pri temperaturah nad 200 °C in pod pritiskom (avtoklav).

Značilnosti visokomolekularnih spojin

Razlikujemo med več vrstami visokomolekularnih snovi na osnovi silicija:

• monofunkcijski;
• difunkcionalno;
• trifunkcijski;
• štirifunkcijski.

Z združitvijo teh spojin dobimo:

• derivati disiloksana, ki so večinoma tekoče spojine;
• polimeri s ciklično strukturo (oljne tekočine)
• elastomeri (polimeri z linearno strukturo, sestavljeno iz več deset tisoč monomerov in visoko molekulsko maso);
• polimeri z linearno strukturo, pri katerih so končne skupine blokirane z organskimi radikali (olja).

Smole z razmerjem med metil radikalom in silicijem 1,2-1,5 so brezbarvne trdne snovi.

Za visokomolekularne organske spojine na osnovi silicija so značilne naslednje lastnosti:

• odpornost na toploto;
• hidrofobnost (odpornost na prodiranje vode);
• visoke dielektrične vrednosti;
• ohranjanje konstantne viskoznosti v širokem temperaturnem območju;
• Kemijska stabilnost tudi v prisotnosti močnih oksidacijskih sredstev.

Fizikalne lastnosti silanov

Ker so te snovi po strukturi in sestavi zelo heterogene, se bomo omejili na opis silicijevih organskih spojin ene od najpogostejše skupine - silani.

Monosilan in disilan (SiH₄ in Si₂H₄ ) so pod normalnimi pogoji plini, ki imajo neprijeten vonj. V odsotnosti so dovolj kemijsko stabilni z vodo in kisikom.

Tetrasilan in trisilan sta hlapljivi in strupeni tekočini. Pentasilan in heksasilan sta prav tako strupena in kemijsko nestabilna.

Te snovi so topne v alkoholu, bencinu in ogljikovem disulfidu. Slednje rešitve so zelo eksplozivne. Tališče zgoraj navedenih spojin je od -90 °C (tetrasilan) do -187 °C (trisilan).

Pridobivanje

Dodajanje radikalov Si poteka različno in je odvisno od lastnosti izhodne snovi in pogojev, v katerih poteka sinteza. Nekatere silicijeve spojine je mogoče izdelati le v težkih pogojih, druge pa lažje reagirajo.

Organokislinske spojine na osnovi silanskih vezi nastanejo s hidrolizo alkil (ali aril)-kloroksisilanov (ali alkoksisilanov), ki ji sledi polikondenzacija silanolov. Značilna reakcija je prikazana na spodnji sliki.

Polikondenzacija lahko poteka v treh smereh: z nastankom linearnih ali cikličnih spojin, s pridobivanjem snovi z mrežno ali prostorsko strukturo. Za ciklične polimere sta značilni večja gostota in viskoznost kot za njihove linearne kolege.

Sinteza visokomolekularnih spojin

Organske smole in elastomeri na osnovi silicijevega dioksida se proizvajajo s hidrolizo monomerov. Hidrolizni produkti se nato segrejejo in dodajo se katalizatorji. Pri kemijskih pretvorbah se sprošča voda (ali druge snovi) in nastajajo kompleksni polimeri.

Organokromne spojine, ki vsebujejo kisik, so bolj nagnjene k polimerizaciji kot njihove podobne spojine na osnovi ogljika. Silicij pa lahko zadrži 2 ali več hidroksilnih skupin. Sposobnost tvorjenja zamreženih polimernih molekul iz cikličnih je odvisna predvsem od velikosti organskega radikala.

Analiza

Analize silicijevih organskih spojin potekajo na več načinov:

• Določitev fizikalnih konstant (tališče, vrelišče in druge lastnosti).
• Kvalitativna analiza. Za odkrivanje spojin Te vrste spojin so Pri lakih, oljih in smolah se preskusni vzorec stopi z natrijevim karbonatom, ekstrahira z vodo, nato se obdela z amonijevim molibdatom in benzidinom. Če je prisotna organokromikova spojina, se vzorec obarva modro. Obstajajo tudi druge metode odkrivanja.
• Kvantitativna analiza. Za kvalitativno in kvantitativno preiskavo silicijevih organskih spojin se uporabljajo metode infrardeče in emisijske spektroskopije. Druge razpoložljive tehnike, kot so sol-gel analiza, masna spektroskopija, jedrska magnetna resonanca.
• Podrobna fizikalno-kemijska analiza.

Predhodnik za ekstrakcijo in čiščenje. Pri trdnih formulacijah se spojine ločijo na podlagi njihove različne topnosti, vrelišča in kristalizacije. Ločevanje kemično čistih organskih silicijevih spojin se pogosto doseže s frakcionirano destilacijo. Tekoče faze se ločijo z ločilnim lijakom. Za plinske zmesi se uporablja absorpcija ali utekočinjanje pri negativnih temperaturah in frakcioniranje.

Aplikacije

Področje uporabe silicijevih organskih spojin je zelo široko:

• proizvodnja tehničnih tekočin (mazalnih olj, delovnih tekočin za vakuumske črpalke, vazelina, paste, emulzije, penilci itd.)
• Kemična industrija - uporaba kot stabilizatorji, modifikatorji, katalizatorji;
• Industrija barv in lakov - aditivi za proizvodnjo toplotno odporne in proti koroziji odporne premaze za kovino, beton, steklo in druge materiale;
• vesoljska tehnika - materiali za stiskanje, hidravlične tekočine, hladilne tekočine, zmesi za razledenitev;
• elektrotehnika - proizvodnja smol in lakov, materialov za zaščito integriranih vezij;
• strojništvo - proizvodnja izdelkov iz gume, zmesi, maziv, tesnil, lepil;
• Lahka industrija - modifikatorji za tekstilna vlakna, usnje, usnje; penila;
• Farmacevtska industrija - proizvodnja materiali za protetika, imunostimulansi, adaptogeni, kozmetika.

Prednost takšnih snovi je, da se lahko uporabljajo v zelo različnih pogojih: v tropskem in hladnem podnebju, pri visokem tlaku in v vakuumu, pri visokih temperaturah in pod vplivom sevanja. Na njihovi podlagi se lahko protikorozijsko odporni premazi uporabljajo pri temperaturah od -60 °C do +550 °C.

živinoreja

Uporaba silicijevih organskih spojin v živinoreji temelji na dejstvu, da je silicij pomemben za tvorbo kosti in vezivnega tkiva, presnovo. Ta element v sledovih je bistvenega pomena je bistvenega pomena za rast in razvoj domačih živali.

Študije kažejo, da dodajanje organokromnih dodatkov prehrani perutnine in živine prispeva k povečanju Poleg tega se podjetje ukvarja z razvojem silicijevih spojin za zmanjšanje izgub krme in stroškov na enoto rasti, povečanje presnove dušika, kalcija in fosforja ter proizvodnjo silicijevih spojin v obliki dodatkov za perutnino in krmo. Uporaba teh pripravkov pri kravah pomaga tudi pri preprečevanju porodniških bolezni.

Proizvodnja v Rusiji

Vodilno podjetje za razvoj silicijevih organskih spojin v Rusiji - GNIIChTEOS. To je kompleksno raziskovalno središče, ki ustvarja industrijske tehnologije za proizvodnjo spojin na osnovi silicija, aluminija, bora, železa in drugih kemičnih elementov. Strokovnjaki tega podjetja so razvili in predstavili več kot 400 materialov, ki vsebujejo silicij. Podjetje ima pilotni obrat za njihovo proizvodnjo.

Vendar pa Rusija v svetovni dinamiki proizvodnje organskih spojin na osnovi silicija zaostaja za drugimi državami. V zadnjih 20 letih se je na primer kitajska industrija povečala za skoraj 50-krat, medtem ko se je proizvodnja v zahodni Evropi podvojila. Proizvodnja silicijevih organskih spojin v Rusiji trenutno poteka v podjetjih KZSK Silicon, Altaikhimprom, Redkinskiy experimental plant, JSC Khimprom (Čuvaška republika), JSC Silane.