Кремний негизиндеги органикалык заттар кошулмалардын чоң тобу болуп саналат. Алар үчүн экинчи, кеңири таралган аты - силикондор. Кремний органикалык бирикмелеринин масштабы тынымсыз өсүп жатат. Алар адам ишинин дээрлик бардык тармактарында - астронавтикадан медицинага чейин колдонулат. Алардын негизинде жасалган материалдар жогорку техникалык жана керектөө сапаттарына ээ.
Жалпы түшүнүк
Кремний органикалык бирикмелер кремний менен көмүртектин ортосунда байланыш бар бирикмелер. Алар ошондой эле башка кошумча химиялык элементтерди (кычкылтек, галогендер, суутек жана башкалар) камтышы мүмкүн. Бул жагынан алганда, заттардын бул тобу касиеттери жана колдонулушунун көп түрдүүлүгү менен айырмаланат. Башка органикалык кошулмалардан айырмаланып, кремний органикалык бирикмелер жакшыраак эффективдүү мүнөздөмөлөргө ээ жана алар алынганда да, буюмдарды колдонууда да адамдын ден соолугу үчүн жогорку коопсуздукка ээ.алардан жасалган.
Аларды изилдөө XIX кылымда башталган. Кремний тетрахлориди биринчи синтезделген зат болгон. Ошол эле кылымдын 20-90-жылдарына чейинки мезгилде мындай түрдөгү көптөгөн бирикмелер алынган: силандар, эфирлер жана ортосилиций кислотасынын алмаштырылган эфирлери, алкилхлоросиландар жана башкалар. Кремний менен кадимки органикалык заттардын кээ бир касиеттеринин окшоштугу кремний менен көмүртек кошулмалары толугу менен окшош деген жалган түшүнүктүн пайда болушуна алып келди. Бул андай эмес экенин орус химиги Д. И. Менделеев далилдеген. Ал ошондой эле кремний-кычкылтек бирикмелери полимердик түзүлүшкө ээ экенин аныктады. Бул кычкылтек менен көмүртектин ортосунда байланыш бар органикалык заттар үчүн мүнөздүү эмес.
Классификация
Кремний органикалык бирикмелер органикалык жана металлорганикалык ортосунда аралык позицияны ээлейт. Алардын арасында заттардын 2 чоң тобу айырмаланат: төмөнкү молекулалык жана жогорку молекулалык салмак.
Биринчи топто кремний водороддору баштапкы бирикмелер катары кызмат кылат, калгандары алардын туундулары. Аларга төмөнкү заттар кирет:
- силандар жана анын гомологдору (дизилан, трисилан, тетрасилан);
- алмаштырылган силандар (бутилсилан, терт-бутилсилан, изобутизилан);
- Ортосилиций кислотасынын эфирлери (тетраметоксисилан, диметоксидиетоксисилан);
- ортосилик кислотасынын галоэфирлери (триметоксихлоросилан, метоксиэтоксидихлоросилан);
- ортосилиций кислотасынын алмаштырылган эфирлери (метилтриетоксисилан, метилфенилдиэтоксисилан);
- алкил-(арил)-галосиландар (фенилтрихлоросилан);
- органосиландардын гидроксил туундулары(дигидроксидиэтилсилан, гидроксиметилэтилфенилсилан);
- алкил-(арил)-аминозиландар (диаминометилфенилсилан, метиламинотриметилсилан);
- алкокси-(арилокси)-аминозиландар;
- алкил-(арил)-аминогалосиландар;
- алкил-(арил)-имосиландар;
- изоцианаттар, тиоизоцианаттар жана кремний тиоэфирлери.
Жогорку молекулалуу кремний органикалык бирикмелер
Макромолекулярдык органикалык бирикмелердин классификациясынын негизин полимер кремний суутек түзөт, анын структуралык схемасы төмөндөгү сүрөттө көрсөтүлгөн.
Төмөнкү заттар бул топко кирет:
- алкил-(арил)-полисиландар;
- органополиалкил-(полиарил)-силандар;
- полиорганосилоксандар;
- полиорганоалкилен-(фенилен)-силоксандар;
- полиорганометаллозилоксандар;
- металлоидсилан чынжыр полимерлери.
Химиялык касиеттери
Бул заттар абдан ар түрдүү болгондуктан, кремний менен көмүртектин ортосундагы байланышты мүнөздөгөн жалпы схемаларды түзүү кыйын.
Кремнийорганикалык бирикмелердин эң мүнөздүү касиеттери:
- Жогорку температурага туруктуулук Si атому менен байланышкан органикалык радикалдын же башка топтордун түрү жана өлчөмү менен аныкталат. Тетра алмаштырылган силандар эң жогорку термикалык туруктуулукка ээ. Алардын ажыроосу 650-700°С температурада башталат. Полидиметилсилоксиландар 300°С температурада жок кылынат. Тетраэтилсилан жана гексаэтилдисилан 350°С температурада узак ысытууда ажырайт,бул учурда этил радикалынын 50% жок кылынат жана этан бөлүнүп чыгат.
- Кислоталарга, щелочтарга жана спирттерге химиялык туруктуулук кремний атому менен байланышкан радикалдын түзүлүшүнө жана заттын бүткүл молекуласына көз каранды. Ошентип, алифаттык алмаштырылган эфирлерде көмүртектин кремний менен байланышы концентрацияланган күкүрт кислотасынын таасири астында бузулбайт, ал эми аралаш алкил-(арил)-ормаланган эфирлерде ошол эле шарттарда фенил тобу ажырайт. Силоксан байланыштары да жогорку күчкө ээ.
- Кремний органикалык бирикмелери щелочторго салыштырмалуу туруктуу. Алардын бузулушу катаал шарттарда гана болот. Мисалы, полидиметилсилоксандарда метил топторунун бөлүнүшү 200 °Cден жогору температурада жана басымда (автоклавда) гана байкалат.
Макромолекулярдык бирикмелердин мүнөздөмөлөрү
Кремний негизиндеги макромолекулярдык заттардын бир нече түрлөрү бар:
- монофункционалдуу;
- difunctional;
- үч функционалдуу;
- төрт функционалдуу.
Бул кошулмаларды бириктирип, сиз аласыз:
- дизилоксан туундулары, алар көбүнчө суюк кошулмалар;
- циклдик полимерлер (майлуу суюктуктар);
- эластомерлер (бир нече он миңдеген мономерлерден турган сызыктуу түзүлүштөгү жана чоң молекулалык салмагы бар полимерлер);
- сызыктуу түзүлүштөгү полимерлер, аларда акыркы топторорганикалык радикалдар (майлар) тарабынан бөгөттөлгөн.
Метил радикалына кремнийдин катышы 1,2-1,5 болгон чайырлар түссүз катуу заттар.
Төмөнкү касиеттер жогорку молекулалуу органикалык кремний бирикмелери үчүн мүнөздүү:
- жылуулукка туруктуулук;
- гидрофобдук (суунун өтүүсүнө каршылык);
- жогорку диэлектрдик көрсөткүчтөр;
- температуранын кең диапазонунда туруктуу илешкектүүлүк маанисин сактоо;
- күчтүү оксиданттардын катышуусунда да химиялык туруктуулук.
Силандардын физикалык касиеттери
Бул заттар түзүлүшү жана составы боюнча өтө гетерогендүү болгондуктан, биз эң кеңири таралган топтордун бири - силандардын кремний органикалык бирикмелерин сүрөттөп берүү менен гана чектелебиз.
Monosilane жана disilane (SiH4 жана Si2H4) нормалдуу шарттары жагымсыз жыты бар газдар. Суу жана кычкылтек жок болгон учурда алар химиялык жактан туруктуу.
Тетрасилан жана трисилан учуучу уулуу суюктуктар. Пентасилан жана гексосилан да уулуу жана химиялык жактан туруксуз.
Бул заттар спирттерде, бензинде, күкүрттүү көмүртекте жакшы эрийт. Эритмелердин акыркы түрү жарылуу коркунучу жогору. Жогорудагы кошулмалардын эрүү температурасы -90 °Cден (тетрасилан) -187 °Cге чейин (трисилан).
Алуу
Сиге радикалдардын кошулушу ар кандай жүрөт жана баштапкы материалдын касиеттерине жана синтездин жүрүүчү шарттарына жараша болот. Кээ биркремнийдин органикалык заттар менен кошулмаларын катаал шарттарда гана жасоого болот, ал эми башкалары оңой реакцияга кирет.
Силан байланыштарынын негизинде кремнийорганикалык бирикмелерди алуу алкил (же арыл)-хлороксисиландардын (же алкоксисиландардын) гидролизинен кийин силанолдордун поликонденсацияланышы аркылуу ишке ашырылат. Кадимки реакция төмөнкү сүрөттө көрсөтүлгөн.
Поликонденсация үч багытта жүрүшү мүмкүн: сызыктуу же циклдик кошулмаларды түзүү менен, тармактык же мейкиндик түзүлүштөгү заттарды алуу менен. Циклдик полимерлердин тыгыздыгы жана илешкектүүлүгү алардын сызыктуу окшошторуна караганда жогору.
Макромолекулярдык бирикмелердин синтези
Органикалык чайырлар жана кремний негизиндеги эластомерлер мономерлердин гидролизинен алынат. Гидролиз продуктылары кийин ысытылат жана катализаторлор кошулат. Химиялык трансформациялардын натыйжасында суу (же башка заттар) бөлүнүп чыгып, татаал полимерлер пайда болот.
Камтында кычкылтек бар кремний органикалык бирикмелер тиешелүү көмүртектүү бирикмелерге караганда полимеризацияга көбүрөөк жакын. Кремний, тескерисинче, 2 же андан көп гидроксил топторун кармай алат. Циклдик молекулалардан кайчылаш байланышкан полимердик молекулаларды түзүү мүмкүнчүлүгү негизинен органикалык радикалдын өлчөмүнө жараша болот.
Анализ
Кремнийорганикалык бирикмелердин анализи бир нече багытта жүргүзүлөт:
- Физикалык константаларды аныктоо (эрүү, кайноо жана башка мүнөздөмөлөр).
- Сапаттык анализ. Лактарда, майларда жана чайырларда бул түрдөгү кошулмаларды аныктоо үчүн сыноо үлгүсү натрий карбонаты менен эритип, суу менен экстракцияланат, андан кийин аммоний молибдаты жана бензидин менен иштетилет. кремний органикалык бар болсо, үлгү көк түскө айланат. аныктоонун башка жолдору бар.
- Сандык анализ. Кремний органикалык бирикмелерин сапаттык жана сандык изилдөөлөр үчүн инфракызыл жана эмиссиялык спектроскопиянын ыкмалары колдонулат. Башка ыкмалар да колдонулат - золь-гель анализи, масс-спектроскопия, ядролук магниттик резонанс.
- Физикалык жана химиялык деталдуу изилдөө.
Заттын изоляциясын жана тазаланышын алдын ала даярдаңыз. Катуу композициялар үчүн кошулмаларды бөлүү алардын эригичтиги, кайноо температурасы жана кристаллдашуусу боюнча жүргүзүлөт. Химиялык жактан таза органикалык кремний кошулмаларын бөлүп алуу көбүнчө фракциялык дистилляция жолу менен жүргүзүлөт. Суюк фазалар бөлүүчү воронканын жардамы менен бөлүнөт. Газдардын аралашмасы үчүн төмөнкү температурада абсорбция же суюлтуу жана фракциялоо колдонулат.
Колдонмо
Кремнийорганикалык бирикмелердин масштабы абдан чоң:
- техникалык суюктуктарды өндүрүү (майлоочу майлар, вакуумдук насостор үчүн жумушчу суюктуктар, вазелин, пасталар, эмульсиялар, көбүк жок кылуучу заттар жана башкалар);
- химия өнөр жайы - стабилизаторлор, модификаторлор, катализаторлор катары колдонуу;
- боёк жана лак өнөр жайы - металл, бетон, айнек жана башка материалдар үчүн ысыкка чыдамдуу, коррозияга каршы каптоолорду өндүрүү үчүн кошумчалар;
- аэрокосмостук инженерия - пресс материалдары, гидравликалык суюктуктар, муздаткычтар, музга каршы кошулмалар;
- электротехника - чайырларды жана лактарды, интегралдык микросхемаларды коргоо үчүн материалдарды өндүрүү;
- машина куруу өнөр жайы - резина буюмдарын, кошулмаларды, майлоочу материалдарды, герметиктерди, желимдерди өндүрүү;
- жеңил өнөр жайы - текстиль булаларын, булгаарыларды, булгаарыларды модификаторлор; көбүк кетиргичтер;
- фармацевтика өнөр жайы - протездөө үчүн материалдарды, иммуностимуляторлорду, адаптогендерди, косметикаларды өндүрүү.
Мындай заттардын артыкчылыктары ар кандай шарттарда: тропикалык жана суук климатта, жогорку басымда жана вакуумда, жогорку температурада жана радиацияда колдонулушу мүмкүн экендигин камтыйт. Алардын негизиндеги антикоррозия каптоо -60тан +550°Сге чейинки температура диапазонунда иштетилет.
Мал
Кремний органикалык бирикмелерин мал чарбачылыгында колдонуу кремний сөөктөрдү жана бириктирүүчү ткандарды түзүүгө, зат алмашуу процесстерине активдүү катышууга негизделген. Бул микроэлемент үй жаныбарларынын өсүшү жана өнүгүшү үчүн абдан маанилүү.
Көрсөтүлгөндөйизилдөөлөр көрсөткөндөй, канаттуулардын жана малдын рационуна кремний органикалык заттар кошулган кошумчаларды киргизүү тирүү салмактын көбөйүшүнө, өлүм-житимдин жана өсүү бирдигине тоюттун чыгымдалышына, азоттун, кальцийдин, фосфордун метаболизминин жогорулашына шарт түзөт. Мындай дарыларды уйларда колдонуу акушердик оорулардын алдын алууга да жардам берет.
Орусиядагы өндүрүш
Россиядагы кремнийорганикалык бирикмелерди иштеп чыгуу боюнча алдыңкы ишкана ГНИИЧТЕОС болуп саналат. Бул кремний, алюминий, бор, темир жана башка химиялык элементтердин негизинде бирикмелерди өндүрүү үчүн өнөр жай технологияларын түзүү менен алектенген комплекстүү илимий борбор болуп саналат. Бул уюмдун адистери кремний органикалык 400дөн ашык материалдарды иштеп чыгышты жана ишке киргизишти. Компанияда аларды чыгаруу үчүн пилоттук завод бар.
Бирок, Россия кремнийге негизделген органикалык кошулмаларды өндүрүүнүн өнүгүүсүнүн дүйнөлүк динамикасы боюнча башка өлкөлөргө караганда бир топ төмөн. Ошентип, акыркы 20 жылдын ичинде Кытайдын өнөр жайы бул заттарды өндүрүүнү дээрлик 50 эсеге, ал эми Батыш Европа - 2 эсеге көбөйттү. Учурда Россияда кремний органикалык бирикмелерди өндүрүү KZSK-Silicon, АК «Алтайхимпром», Редкинский пилоттук заводу, «Химпром» АК (Чуваш Республикасы), АК Силан.
