Le sostanze organiche a base di silicio sono un ampio gruppo di composti. Il secondo nome più comune per loro è siliconi. La portata dei composti organosilicio è in continua crescita. Sono utilizzati in quasi tutti i settori dell'attività umana, dall'astronautica alla medicina. I materiali basati su di essi hanno elevate qualità tecniche e di consumo.
Concetto generale
I composti organosilicio sono composti in cui esiste un legame tra silicio e carbonio. Possono anche contenere altri elementi chimici aggiuntivi (ossigeno, alogeni, idrogeno e altri). A questo proposito, questo gruppo di sostanze si distingue per un'ampia varietà di proprietà e applicazioni. A differenza di altri composti organici, i composti organosilicio hanno migliori caratteristiche prestazionali e maggiore sicurezza per la salute umana sia quando vengono ottenuti che quando si utilizzano oggetti,fatto da loro.
Il loro studio iniziò nel XIX secolo. Il tetracloruro di silicio è stata la prima sostanza sintetizzata. Nel periodo dagli anni '20 agli anni '90 dello stesso secolo si ottennero molti composti di questo tipo: silani, eteri ed esteri sostituiti dell'acido ortosilicico, alchilclorosilani, ed altri. La somiglianza di alcune delle proprietà del silicio e delle normali sostanze organiche ha portato alla formazione di una falsa idea che i composti di silicio e carbonio siano completamente identici. Il chimico russo D. I. Mendeleev ha dimostrato che non è così. Ha anche stabilito che i composti silicio-ossigeno hanno una struttura polimerica. Questo non è tipico per le sostanze organiche, in cui esiste un legame tra ossigeno e carbonio.
Classificazione
I composti organosilicio occupano una posizione intermedia tra organici e organometallici. Tra questi si distinguono 2 grandi gruppi di sostanze: a basso peso molecolare e ad alto peso molecolare.
Nel primo gruppo, gli idrogeni di silicio servono come composti iniziali e il resto sono i loro derivati. Questi includono le seguenti sostanze:
- silani e suoi omologhi (disilano, trisilano, tetrasilano);
- silani sostituiti (butilsilano, terz-butilsilano, isobutisilano);
- Eteri dell'acido ortosilicico (tetrametossisilano, dimetossidietossisilano);
- aloesteri dell'acido ortosilicico (trimetossiclorosilano, metossietossidiclorosilano);
- esteri sostituiti dell'acido ortosilicico (metiltrietossisilano, metilfenildietossisilano);
- alchil-(aril)-alosilani (feniltriclorosilano);
- derivati idrossilici di organosilani(diidrossidietilsilano, idrossimetiletilfenilsilano);
- alchil-(aril)-amminosilani (diamminometilfenilsilano, metilamminotrimetilsilano);
- alcossi-(arilossi)-amminosilani;
- alchil-(aril)-amminoalosilani;
- alchil-(aril)-imminosilani;
- isocianati, tioisocianati e tioeteri di silicio.
Composti organosilicio ad alto peso molecolare
La base per la classificazione dei composti organici macromolecolari è il polimero silicio idrogeno, il cui diagramma strutturale è mostrato nella figura seguente.
Le seguenti sostanze appartengono a questo gruppo:
- alchil-(aril)-polisilani;
- organopolialchil-(poliaril)-silani;
- poliorganosilossani;
- poliorganoalchilene-(fenilene)-silossani;
- poliorganometallosilossani;
- polimeri a catena di metalloidisilano.
Proprietà chimiche
Poiché queste sostanze sono molto diverse, è difficile stabilire schemi generali che caratterizzino il legame tra silicio e carbonio.
Le proprietà più caratteristiche dei composti organosilicio sono:
- La resistenza a temperature elevate è determinata dal tipo e dalle dimensioni del radicale organico o di altri gruppi associati all'atomo di Si. I silani tetrasostituiti hanno la più alta stabilità termica. La loro decomposizione inizia a una temperatura di 650-700 °C. I polidimetilsilossilani vengono distrutti a una temperatura di 300 °C. Il tetraetilsilano e l'esaetildisilano si decompongono per riscaldamento prolungato a una temperatura di 350 ° C,in questo caso si elimina il 50% del radicale etilico e si libera l'etano.
- La resistenza chimica ad acidi, alcali e alcoli dipende dalla struttura del radicale, che è associato all'atomo di silicio, e dall'intera molecola della sostanza. Quindi, il legame del carbonio con il silicio negli esteri alifatici sostituiti non viene distrutto quando esposto all'acido solforico concentrato, mentre negli esteri alchil-(aril)-sostituiti misti, nelle stesse condizioni, il gruppo fenile viene scisso. Anche i legami silossanici hanno un'elevata resistenza.
- I composti organosilicio sono relativamente resistenti agli alcali. La loro distruzione avviene solo in condizioni difficili. Ad esempio, nei polidimetilsilossani, la scissione dei gruppi metilici si osserva solo a temperature superiori a 200 °C e sotto pressione (in autoclave).
Caratteristiche dei composti macromolecolari
Esistono diversi tipi di sostanze macromolecolari a base di silicio:
- monofunzionale;
- difunzionale;
- trifunzionale;
- quadrifunzionale.
Combinando questi composti, ottieni:
- derivati del disilossano, che sono spesso composti liquidi;
- polimeri ciclici (liquidi oleosi);
- elastomeri (polimeri con una struttura lineare composta da diverse decine di migliaia di monomeri e un grande peso molecolare);
- polimeri a struttura lineare, in cui terminalibloccato dai radicali organici (oli).
Le resine con un rapporto tra radicali metilici e silicio di 1,2-1,5 sono solidi incolori.
Le seguenti proprietà sono tipiche dei composti di silicio organico ad alto peso molecolare:
- resistenza al calore;
- idrofobicità (resistenza alla penetrazione dell'acqua);
- alte prestazioni dielettriche;
- mantenere un valore di viscosità costante in un ampio intervallo di temperature;
- stabilità chimica anche in presenza di forti ossidanti.
Proprietà fisiche dei silani
Poiché queste sostanze sono molto eterogenee nella struttura e nella composizione, ci limitiamo a descrivere i composti organosilicio di uno dei gruppi più comuni: i silani.
Monosilano e disilano (SiH4 e Si2H4 rispettivamente) alla normalità condizioni sono gas che hanno un odore sgradevole. In assenza di acqua e ossigeno, sono chimicamente abbastanza stabili.
Tetrasilano e trisilano sono liquidi tossici volatili. Anche il pentasilano e l'esasilano sono tossici e chimicamente instabili.
Queste sostanze si dissolvono bene in alcoli, benzina, disolfuro di carbonio. Quest'ultimo tipo di soluzioni presenta un elevato rischio di esplosione. Il punto di fusione dei suddetti composti varia da -90 °C (tetrasilano) a -187 °C (trisilano).
Ricevi
L'aggiunta di radicali a Si procede in modo diverso e dipende dalle proprietà del materiale di partenza e dalle condizioni in cui avviene la sintesi. Alcunicomposti di silicio con sostanze organiche possono essere prodotti solo in condizioni difficili, mentre altri reagiscono più facilmente.
L'ottenimento di composti organosilicio basati su legami silanici viene effettuato mediante idrolisi di alchil (o aril)-clorossisilani (o alcossisilani) seguita da policondensazione di silanoli. Una tipica reazione è mostrata nella figura seguente.
La policondensazione può procedere in tre direzioni: con la formazione di composti lineari o ciclici, con l'ottenimento di sostanze di una struttura reticolare o spaziale. I polimeri ciclici hanno una densità e una viscosità maggiori rispetto alle loro controparti lineari.
Sintesi di composti macromolecolari
Le resine organiche e gli elastomeri a base di silicio sono prodotti dall'idrolisi dei monomeri. I prodotti di idrolisi vengono successivamente riscaldati e vengono aggiunti catalizzatori. Come risultato delle trasformazioni chimiche, viene rilasciata acqua (o altre sostanze) e si formano polimeri complessi.
I composti organosilicio contenenti ossigeno sono più inclini alla polimerizzazione rispetto ai corrispondenti composti a base di carbonio. Il silicio, al contrario, è in grado di contenere 2 o più gruppi ossidrile. La possibilità di formare molecole polimeriche reticolate da quelle cicliche dipende principalmente dalla dimensione del radicale organico.
Analisi
L'analisi dei composti organosilicio viene effettuata in diverse direzioni:
- Determinazione delle costanti fisiche (punto di fusione, punto di ebollizione e altre caratteristiche).
- Analisi qualitativa. Per rilevare composti di questo tipo in vernici, oli e resine, il campione di prova viene fuso con carbonato di sodio, estratto con acqua e quindi trattato con molibdato di ammonio e benzidina. Se è presente l'organosilicio, il campione diventa blu. Ci sono altri modi per rilevare.
- Analisi quantitativa. Per gli studi sia qualitativi che quantitativi dei composti organosilicio, vengono utilizzati metodi di spettroscopia a infrarossi e di emissione. Vengono utilizzati anche altri metodi: analisi sol-gel, spettroscopia di massa, risonanza magnetica nucleare.
- Studio fisico e chimico dettagliato.
Pre-produrre l'isolamento e la purificazione della sostanza. Per le composizioni solide, la separazione dei composti avviene in base alla loro diversa solubilità, punto di ebollizione e cristallizzazione. L'isolamento dei composti di silicio organico chimicamente puri viene spesso effettuato mediante distillazione frazionata. Le fasi liquide vengono separate mediante un imbuto separatore. Per le miscele di gas si utilizza l'assorbimento o la liquefazione a basse temperature e il frazionamento.
Applicazione
La portata dei composti organosilicio è molto ampia:
- produzione di fluidi tecnici (oli lubrificanti, fluidi di lavoro per pompe per vuoto, vaselina, paste, emulsioni, antischiuma e altri);
- industria chimica - uso come stabilizzanti, modificatori, catalizzatori;
- industria delle vernici e delle vernici - additivi per la produzione di rivestimenti resistenti al calore e anticorrosivi per metallo, cemento, vetro e altri materiali;
- ingegneria aerospaziale - materiali per presse, fluidi idraulici, refrigeranti, composti antigelo;
- ingegneria elettrica - produzione di resine e vernici, materiali per la protezione dei circuiti integrati;
- industria meccanica - produzione di prodotti in gomma, mescole, lubrificanti, sigillanti, adesivi;
- industria leggera - modificatori di fibre tessili, pelle, similpelle; antischiuma;
- industria farmaceutica - produzione di materiali per protesi, immunostimolanti, adattogeni, cosmetici.
I vantaggi di tali sostanze includono il fatto che possono essere utilizzate in una varietà di condizioni: in climi tropicali e freddi, ad alta pressione e nel vuoto, ad alte temperature e radiazioni. I rivestimenti anticorrosivi basati su di essi funzionano nell'intervallo di temperatura da -60 a +550 °С.
Bestiame
L'uso dei composti organosilicio nell'allevamento si basa sul fatto che il silicio è attivamente coinvolto nella formazione delle ossa e dei tessuti connettivi, nei processi metabolici. Questo oligoelemento è vitale per la crescita e lo sviluppo degli animali domestici.
Come spettacolostudi, l'introduzione di additivi con sostanze organosilicio nella dieta del pollame e del bestiame contribuisce ad un aumento del peso vivo, una diminuzione della mortalità e dei costi dei mangimi per unità di crescita, un aumento del metabolismo di azoto, calcio e fosforo. L'uso di tali farmaci nelle mucche aiuta anche nella prevenzione delle malattie ostetriche.
Produzione in Russia
L'impresa leader nello sviluppo di composti organosilicio in Russia è GNIIChTEOS. Questo è un centro scientifico integrato impegnato nella creazione di tecnologie industriali per la produzione di composti a base di silicio, alluminio, boro, ferro e altri elementi chimici. Gli specialisti di questa organizzazione hanno sviluppato e introdotto più di 400 materiali organosilicio. L'azienda dispone di un impianto pilota per la loro produzione.
Tuttavia, la Russia nella dinamica globale dello sviluppo della produzione di composti organici a base di silicio è molto inferiore ad altri paesi. Quindi, negli ultimi 20 anni, l'industria cinese ha aumentato la produzione di queste sostanze di quasi 50 volte e l'Europa occidentale - di 2 volte. Attualmente, la produzione di composti organosilicio in Russia viene effettuata presso KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, presso l'impianto pilota Redkinsky, JSC Khimprom (Repubblica di Chuvash), JSC Silan.
