Οι οργανικές ουσίες με βάση το πυρίτιο είναι μια μεγάλη ομάδα ενώσεων. Το δεύτερο, πιο κοινό όνομα για αυτά είναι σιλικόνες. Το εύρος των ενώσεων οργανοπυριτίου αυξάνεται συνεχώς. Χρησιμοποιούνται σχεδόν σε όλους τους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας - από την αστροναυτική μέχρι την ιατρική. Τα υλικά που βασίζονται σε αυτά έχουν υψηλές τεχνικές και καταναλωτικές ιδιότητες.
Γενική έννοια
Οι ενώσεις οργανοπυριτίου είναι ενώσεις στις οποίες υπάρχει δεσμός μεταξύ πυριτίου και άνθρακα. Μπορεί επίσης να περιέχουν άλλα πρόσθετα χημικά στοιχεία (οξυγόνο, αλογόνα, υδρογόνο και άλλα). Από αυτή την άποψη, αυτή η ομάδα ουσιών διακρίνεται από μια μεγάλη ποικιλία ιδιοτήτων και εφαρμογών. Σε αντίθεση με άλλες οργανικές ενώσεις, οι ενώσεις οργανοπυριτίου έχουν καλύτερα χαρακτηριστικά απόδοσης και υψηλότερη ασφάλεια για την ανθρώπινη υγεία τόσο όταν λαμβάνονται όσο και όταν χρησιμοποιούνται είδη,φτιαγμένο από αυτά.
Η μελέτη τους ξεκίνησε τον 19ο αιώνα. Το τετραχλωριούχο πυρίτιο ήταν η πρώτη ουσία που συντέθηκε. Την περίοδο από τη δεκαετία του '20 έως τη δεκαετία του '90 του ίδιου αιώνα, ελήφθησαν πολλές ενώσεις αυτού του είδους: σιλάνια, αιθέρες και υποκατεστημένοι εστέρες του ορθοπυριτικού οξέος, αλκυλοχλωροσιλάνια και άλλα. Η ομοιότητα ορισμένων από τις ιδιότητες του πυριτίου και των συνηθισμένων οργανικών ουσιών οδήγησε στο σχηματισμό μιας λανθασμένης ιδέας ότι οι ενώσεις του πυριτίου και του άνθρακα είναι εντελώς πανομοιότυπες. Ο Ρώσος χημικός D. I. Mendeleev απέδειξε ότι δεν είναι έτσι. Διαπίστωσε επίσης ότι οι ενώσεις πυριτίου-οξυγόνου έχουν πολυμερή δομή. Αυτό δεν είναι τυπικό για οργανικές ουσίες, στις οποίες υπάρχει δεσμός μεταξύ οξυγόνου και άνθρακα.
Ταξινόμηση
Οι ενώσεις οργανοπυριτίου καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ οργανικού και οργανομεταλλικού. Ανάμεσά τους διακρίνονται 2 μεγάλες ομάδες ουσιών: το χαμηλό μοριακό βάρος και το υψηλό μοριακό βάρος.
Στην πρώτη ομάδα, τα υδρογόνα πυριτίου χρησιμεύουν ως αρχικές ενώσεις και τα υπόλοιπα είναι παράγωγά τους. Αυτές περιλαμβάνουν τις ακόλουθες ουσίες:
- σιλάνια και τα ομόλογά τους (δισιλάνιο, τρισιλάνιο, τετρασιλάνιο);
- υποκατεστημένα σιλάνια (βουτυλοσιλάνιο, τριτοταγές βουτυλοσιλάνιο, ισοβουτυσιλάνιο);
- Αιθέρες ορθοπυριτικού οξέος (τετραμεθοξυσιλάνιο, διμεθοξυδιαιθοξυσιλάνιο);
- αλοεστέρες ορθοπυριτικού οξέος (τριμεθοξυχλωροσιλάνιο, μεθοξυαιθοξυδιχλωροσιλάνιο);
- υποκατεστημένοι εστέρες ορθοπυριτικού οξέος (μεθυλοτριαιθοξυσιλάνιο, μεθυλοφαινυλοδιεθοξυσιλάνιο);
- αλκυλ-(αρυλ)-αλοσιλάνια (φαινυλτριχλωροσιλάνιο);
- υδροξυλικά παράγωγα οργανοσιλανίων(διυδροξυδιαιθυλσιλάνιο, υδροξυμεθυλαιθυλφαινυλσιλάνιο);
- αλκυλ-(αρυλ)-αμινοσιλάνια (διαμινομεθυλφαινυλσιλάνιο, μεθυλαμινοτριμεθυλσιλάνιο);
- αλκοξυ-(αρυλοξυ)-αμινοσιλάνια;
- αλκυλ-(αρυλ)-αμινοαλοσιλάνια;
- αλκυλ-(αρυλ)-ιμινοσιλάνια;
- ισοκυανικά, θειοϊσοκυανικά και θειοαιθέρες πυριτίου.
Υψηλού μοριακού βάρους οργανοπυριτικές ενώσεις
Η βάση για την ταξινόμηση των μακρομοριακών οργανικών ενώσεων είναι το πολυμερές υδρογόνο πυρίτιο, το δομικό διάγραμμα του οποίου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Οι ακόλουθες ουσίες ανήκουν σε αυτήν την ομάδα:
- αλκυλο-(αρυλο)-πολυσιλάνια;
- οργανοπολυαλκυλο-(πολυαρυλο)-σιλάνια;
- πολυοργανοσιλοξάνες;
- πολυοργανοαλκυλενο-(φαινυλενο)-σιλοξάνες;
- πολυοργανομεταλλοσιλοξάνες;
- πολυμερή αλυσίδας μεταλλοειδούς σιλανίου.
Χημικές ιδιότητες
Δεδομένου ότι αυτές οι ουσίες είναι πολύ διαφορετικές, είναι δύσκολο να καθοριστούν γενικά πρότυπα που χαρακτηρίζουν τον δεσμό μεταξύ πυριτίου και άνθρακα.
Οι πιο χαρακτηριστικές ιδιότητες των ενώσεων οργανοπυριτίου είναι:
- Η ανθεκτικότητα σε αυξημένη θερμοκρασία καθορίζεται από τον τύπο και το μέγεθος της οργανικής ρίζας ή άλλων ομάδων που σχετίζονται με το άτομο Si. Τα τετραυποκατεστημένα σιλάνια έχουν την υψηλότερη θερμική σταθερότητα. Η αποσύνθεσή τους αρχίζει σε θερμοκρασία 650-700 °C. Τα πολυδιμεθυλσιλοξυλάνια καταστρέφονται σε θερμοκρασία 300 °C. Το τετρααιθυλσιλάνιο και το εξααιθυλοδισιλάνιο αποσυντίθενται μετά από παρατεταμένη θέρμανση σε θερμοκρασία 350 ° C,Σε αυτή την περίπτωση, το 50% της ρίζας αιθυλίου αποβάλλεται και απελευθερώνεται αιθάνιο.
- Η χημική αντοχή σε οξέα, αλκάλια και αλκοόλες εξαρτάται από τη δομή της ρίζας, η οποία σχετίζεται με το άτομο του πυριτίου, και ολόκληρο το μόριο της ουσίας. Έτσι, ο δεσμός του άνθρακα με το πυρίτιο στους αλειφατικούς υποκατεστημένους εστέρες δεν καταστρέφεται όταν εκτίθεται σε πυκνό θειικό οξύ, ενώ στους μεικτούς αλκυλο-(αρυλο)-υποκατεστημένους εστέρες, υπό τις ίδιες συνθήκες, η φαινυλ ομάδα διασπάται. Οι δεσμοί σιλοξάνης έχουν επίσης υψηλή αντοχή.
- Οι ενώσεις οργανοπυριτίου είναι σχετικά ανθεκτικές στα αλκάλια. Η καταστροφή τους γίνεται μόνο σε σκληρές συνθήκες. Για παράδειγμα, στις πολυδιμεθυλοσιλοξάνες, η διάσπαση των μεθυλομάδων παρατηρείται μόνο σε θερμοκρασίες πάνω από 200 °C και υπό πίεση (σε αυτόκλειστο).
Χαρακτηριστικά μακρομοριακών ενώσεων
Υπάρχουν διάφοροι τύποι μακρομοριακών ουσιών με βάση το πυρίτιο:
- μονολειτουργικό;
- difunctional;
- τριλειτουργικό;
- τετραλειτουργικό.
Συνδυάζοντας αυτές τις ενώσεις, λαμβάνετε:
- παράγωγα δισιλοξανίου, που είναι πιο συχνά υγρές ενώσεις;
- κυκλικά πολυμερή (ελαιώδη υγρά);
- ελαστομερή (πολυμερή με γραμμική δομή που αποτελείται από πολλές δεκάδες χιλιάδες μονομερή και μεγάλο μοριακό βάρος);
- πολυμερή με γραμμική δομή, στα οποία ακραίες ομάδεςαποκλεισμένη από οργανικές ρίζες (έλαια).
Ρητίνες με αναλογία μεθυλικής ρίζας προς πυρίτιο 1,2-1,5 είναι άχρωμα στερεά.
Οι ακόλουθες ιδιότητες είναι χαρακτηριστικές για ενώσεις οργανικού πυριτίου υψηλής μοριακής απόδοσης:
- αντοχή στη θερμότητα;
- υδροφοβία (αντοχή στη διείσδυση νερού);
- υψηλή διηλεκτρική απόδοση;
- διατήρηση σταθερής τιμής ιξώδους σε μεγάλο εύρος θερμοκρασίας;
- χημική σταθερότητα ακόμη και παρουσία ισχυρών οξειδωτικών.
Φυσικές ιδιότητες των σιλανίων
Δεδομένου ότι αυτές οι ουσίες είναι πολύ ετερογενείς σε δομή και σύνθεση, περιοριζόμαστε στην περιγραφή των ενώσεων οργανοπυριτίου μιας από τις πιο κοινές ομάδες - των σιλανίων.
Μονοσιλάνιο και δισιλάνιο (SiH4 και Si2H4 αντίστοιχα) σε κανονικό συνθήκες είναι αέρια που έχουν δυσάρεστη οσμή. Ελλείψει νερού και οξυγόνου, είναι αρκετά χημικά σταθερά.
Το τετρασιλάνιο και το τρισιλάνιο είναι πτητικά τοξικά υγρά. Το πεντασιλάνιο και το εξασιλάνιο είναι επίσης τοξικά και χημικά ασταθή.
Αυτές οι ουσίες διαλύονται καλά σε αλκοόλες, βενζίνη, δισουλφίδιο του άνθρακα. Ο τελευταίος τύπος λύσεων έχει υψηλό κίνδυνο έκρηξης. Το σημείο τήξης των παραπάνω ενώσεων κυμαίνεται από -90 °C (τετρασιλάνιο) έως -187 °C (τρισιλάνιο).
Λήψη
Η προσθήκη ριζών στο Si προχωρά διαφορετικά και εξαρτάται από τις ιδιότητες της πρώτης ύλης και τις συνθήκες υπό τις οποίες γίνεται η σύνθεση. Μερικοίενώσεις πυριτίου με οργανικές ουσίες μπορούν να παραχθούν μόνο κάτω από σκληρές συνθήκες, ενώ άλλες αντιδρούν πιο εύκολα.
Η λήψη ενώσεων οργανοπυριτίου που βασίζονται σε δεσμούς σιλανίου πραγματοποιείται με υδρόλυση αλκυλο (ή αρυλο)-χλωροξυσιλανίων (ή αλκοξυσιλανίων) που ακολουθείται από πολυσυμπύκνωση σιλανολών. Μια τυπική αντίδραση φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Η πολυσυμπύκνωση μπορεί να προχωρήσει προς τρεις κατευθύνσεις: με το σχηματισμό γραμμικών ή κυκλικών ενώσεων, με τη λήψη ουσιών δικτύου ή χωρικής δομής. Τα κυκλικά πολυμερή έχουν υψηλότερη πυκνότητα και ιξώδες από τα γραμμικά αντίστοιχα.
Σύνθεση μακρομοριακών ενώσεων
Οι οργανικές ρητίνες και τα ελαστομερή με βάση το πυρίτιο παράγονται από την υδρόλυση μονομερών. Τα προϊόντα υδρόλυσης στη συνέχεια θερμαίνονται και προστίθενται καταλύτες. Ως αποτέλεσμα χημικών μετασχηματισμών, απελευθερώνεται νερό (ή άλλες ουσίες) και σχηματίζονται σύνθετα πολυμερή.
Οι ενώσεις οργανοπυριτίου που περιέχουν οξυγόνο είναι πιο επιρρεπείς στον πολυμερισμό από τις αντίστοιχες ενώσεις τους με βάση τον άνθρακα. Το πυρίτιο, αντίθετα, μπορεί να συγκρατήσει 2 ή περισσότερες υδροξυλομάδες. Η πιθανότητα σχηματισμού μορίων πολυμερούς με σταυροδεσμούς από κυκλικά εξαρτάται κυρίως από το μέγεθος της οργανικής ρίζας.
Analysis
Η ανάλυση των ενώσεων οργανοπυριτίου πραγματοποιείται προς διάφορες κατευθύνσεις:
- Προσδιορισμός φυσικών σταθερών (σημείο τήξης, σημείο βρασμού και άλλα χαρακτηριστικά).
- Ποιοτική ανάλυση. Για την ανίχνευση ενώσεων αυτού του τύπου σε βερνίκια, έλαια και ρητίνες, το δείγμα δοκιμής συντήκεται με ανθρακικό νάτριο, εκχυλίζεται με νερό και στη συνέχεια υποβάλλεται σε επεξεργασία με μολυβδαινικό αμμώνιο και βενζιδίνη. Εάν υπάρχει οργανοπυρίτιο, το δείγμα γίνεται μπλε. Υπάρχουν άλλοι τρόποι ανίχνευσης.
- Ποσοτική ανάλυση. Για ποιοτικές και ποσοτικές μελέτες ενώσεων οργανοπυριτίου, χρησιμοποιούνται μέθοδοι υπέρυθρης ακτινοβολίας και φασματοσκοπίας εκπομπής. Χρησιμοποιούνται επίσης άλλες μέθοδοι - ανάλυση sol-gel, φασματοσκοπία μάζας, πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός.
- Λεπτομερής φυσική και χημική μελέτη.
Προπαραγάγετε την απομόνωση και τον καθαρισμό της ουσίας. Για στερεές συνθέσεις, ο διαχωρισμός των ενώσεων γίνεται με βάση τη διαφορετική διαλυτότητα, το σημείο βρασμού και την κρυστάλλωσή τους. Η απομόνωση χημικά καθαρών ενώσεων οργανικού πυριτίου πραγματοποιείται συχνά με κλασματική απόσταξη. Οι υγρές φάσεις διαχωρίζονται χρησιμοποιώντας διαχωριστική χοάνη. Για μείγματα αερίων, χρησιμοποιείται η απορρόφηση ή η υγροποίηση σε χαμηλές θερμοκρασίες και η κλασμάτωση.
Αίτηση
Το εύρος των ενώσεων οργανοπυριτίου είναι πολύ μεγάλο:
- παραγωγή τεχνικών υγρών (λιπαντικά λάδια, υγρά εργασίας για αντλίες κενού, ζελέ πετρελαίου, πάστες, γαλακτώματα, αντιαφριστικά και άλλα);
- χημική βιομηχανία - χρήση ως σταθεροποιητές, τροποποιητές, καταλύτες;
- βιομηχανία χρωμάτων και βερνικιών - πρόσθετα για την κατασκευή ανθεκτικών στη θερμότητα, αντιδιαβρωτικών επιστρώσεων για μέταλλο, σκυρόδεμα, γυαλί και άλλα υλικά.
- αεροδιαστημική μηχανική - υλικά πρέσας, υδραυλικά υγρά, ψυκτικά μέσα, αντιπαγωτικές ενώσεις;
- ηλεκτρολογία - παραγωγή ρητινών και βερνικιών, υλικά για την προστασία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων;
- βιομηχανία μηχανικής - παραγωγή προϊόντων από καουτσούκ, ενώσεων, λιπαντικών, στεγανοποιητικών, συγκολλητικών ουσιών;
- ελαφριά βιομηχανία - τροποποιητές υφαντικών ινών, δέρμα, δερματίνη. αντιαφριστικά;
- φαρμακευτική βιομηχανία - παραγωγή υλικών για προσθετικά, ανοσοδιεγερτικά, προσαρμογόνα, καλλυντικά.
Τα πλεονεκτήματα τέτοιων ουσιών περιλαμβάνουν το γεγονός ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ποικίλες συνθήκες: σε τροπικά και ψυχρά κλίματα, σε υψηλή πίεση και σε κενό, σε υψηλές θερμοκρασίες και ακτινοβολία. Οι αντιδιαβρωτικές επιστρώσεις που βασίζονται σε αυτές λειτουργούν στο εύρος θερμοκρασίας από -60 έως +550 °C.
Livestock
Η χρήση ενώσεων οργανοπυριτίου στην κτηνοτροφία βασίζεται στο γεγονός ότι το πυρίτιο συμμετέχει ενεργά στο σχηματισμό των οστών και των συνδετικών ιστών, στις μεταβολικές διεργασίες. Αυτό το ιχνοστοιχείο είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη και την ανάπτυξη των κατοικίδιων ζώων.
Όπως εμφανίζεταιΜελέτες, η εισαγωγή πρόσθετων με ουσίες οργανοπυριτίου στη διατροφή των πουλερικών και των ζώων συμβάλλει σε αύξηση του ζώντος βάρους, μείωση της θνησιμότητας και του κόστους τροφής ανά μονάδα ανάπτυξης, αύξηση του μεταβολισμού αζώτου, ασβεστίου και φωσφόρου. Η χρήση τέτοιων φαρμάκων στις αγελάδες βοηθά επίσης στην πρόληψη μαιευτικών ασθενειών.
Παραγωγή στη Ρωσία
Η κορυφαία επιχείρηση στην ανάπτυξη ενώσεων οργανοπυριτίου στη Ρωσία είναι η GNIIChTEOS. Πρόκειται για ένα ολοκληρωμένο επιστημονικό κέντρο που ασχολείται με τη δημιουργία βιομηχανικών τεχνολογιών για την παρασκευή ενώσεων με βάση το πυρίτιο, το αλουμίνιο, το βόριο, τον σίδηρο και άλλα χημικά στοιχεία. Οι ειδικοί αυτού του οργανισμού έχουν αναπτύξει και εισαγάγει περισσότερα από 400 υλικά οργανοπυριτίου. Η εταιρεία διαθέτει ένα πιλοτικό εργοστάσιο για την παραγωγή τους.
Ωστόσο, η Ρωσία στην παγκόσμια δυναμική της ανάπτυξης της παραγωγής οργανικών ενώσεων με βάση το πυρίτιο είναι πολύ κατώτερη από άλλες χώρες. Έτσι, τα τελευταία 20 χρόνια, η κινεζική βιομηχανία αύξησε την παραγωγή αυτών των ουσιών κατά σχεδόν 50 φορές και τη Δυτική Ευρώπη - κατά 2 φορές. Επί του παρόντος, η παραγωγή ενώσεων οργανοπυριτίου στη Ρωσία πραγματοποιείται στο KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, στο Redkinsky Pilot Plant, JSC Khimprom (Δημοκρατία του Τσουβάς), JSC Silan.
