สารอินทรีย์ที่มีซิลิกอนเป็นสารประกอบกลุ่มใหญ่ ประการที่สอง ชื่อสามัญสำหรับพวกเขาคือซิลิโคน ขอบเขตของสารประกอบออร์กาโนซิลิกอนมีการเติบโตอย่างต่อเนื่อง พวกมันถูกใช้ในเกือบทุกด้านของกิจกรรมของมนุษย์ - ตั้งแต่อวกาศไปจนถึงการแพทย์ วัสดุที่ใช้มีคุณสมบัติทางเทคนิคและผู้บริโภคสูง
แนวคิดทั่วไป
สารประกอบออร์กาโนซิลิกอนเป็นสารประกอบที่มีพันธะระหว่างซิลิกอนและคาร์บอน พวกมันอาจมีองค์ประกอบทางเคมีเพิ่มเติมอื่นๆ (ออกซิเจน ฮาโลเจน ไฮโดรเจน และอื่นๆ) ในเรื่องนี้สารกลุ่มนี้มีคุณสมบัติและการใช้งานที่หลากหลาย สารประกอบอินทรีย์ซิลิกอนแตกต่างจากสารประกอบอินทรีย์อื่น ๆ มีคุณสมบัติการทำงานที่ดีกว่าและมีความปลอดภัยที่สูงขึ้นสำหรับสุขภาพของมนุษย์ทั้งเมื่อได้รับและเมื่อใช้รายการทำมาจากพวกมัน
การศึกษาของพวกเขาเริ่มขึ้นในศตวรรษที่ XIX ซิลิคอนเตตระคลอไรด์เป็นสารสังเคราะห์ชนิดแรก ในช่วงทศวรรษที่ 20 ถึง 90 ของศตวรรษเดียวกัน ได้สารประกอบชนิดนี้จำนวนมาก: ไซเลน อีเทอร์ และเอสเทอร์ที่ถูกแทนที่ของกรดออร์โธซิลิซิก อัลคิลคลอโรซิเลน และอื่นๆ ความคล้ายคลึงกันของคุณสมบัติบางอย่างของซิลิกอนและสารอินทรีย์ทั่วไปทำให้เกิดความคิดที่ผิด ๆ ว่าสารประกอบซิลิกอนและคาร์บอนเหมือนกันหมด นักเคมีชาวรัสเซีย D. I. Mendeleev ได้พิสูจน์แล้วว่าไม่เป็นเช่นนั้น เขายังระบุด้วยว่าสารประกอบซิลิกอนออกซิเจนมีโครงสร้างโพลีเมอร์ นี่ไม่ใช่เรื่องปกติสำหรับสารอินทรีย์ซึ่งมีพันธะระหว่างออกซิเจนและคาร์บอน
การจำแนก
สารประกอบออร์กาโนซิลิกอนครอบครองตำแหน่งกลางระหว่างอินทรีย์และโลหะอินทรีย์ ในหมู่พวกเขามีสาร 2 กลุ่มใหญ่ที่แตกต่างกัน: น้ำหนักโมเลกุลต่ำและน้ำหนักโมเลกุลสูง
ในกลุ่มแรก ซิลิคอนไฮโดรเจนทำหน้าที่เป็นสารประกอบตั้งต้น และส่วนที่เหลือเป็นอนุพันธ์ของพวกมัน ซึ่งรวมถึงสารต่อไปนี้:
- silanes และ homologues (disilane, trisilane, tetrasilane);
- ไซเลนที่ถูกแทนที่ (บิวทิลไซเลน, เติร์ต-บิวทิลไซเลน, ไอโซบิวตีไซเลน);
- อีเทอร์ของกรดออร์โธซิลิก (เตตระเมทอกซีไซเลน, ไดเมทอกซีไดเอทอกซีไซเลน);
- เฮโลเอสเทอร์ของกรดออร์โธซิลิก (trimethoxychlorosilane, methoxyethoxydichlorosilane);
- เอสเทอร์ที่ถูกแทนที่ของกรดออร์โธซิลิก
- alkyl-(aryl)-halosilanes (phenyltrichlorosilane);
- อนุพันธ์ของไฮดรอกซิลของออร์กาโนซิเลน(ไดไฮดรอกซีไดเอทิลไซเลน, ไฮดรอกซีเมทิลเอทิลฟีนิลซิเลน);
- อัลคิล-(เอริล)-อะมิโนไซเลน (ไดอะมิโนเมทิลฟีนิลซิเลน, เมทิลอะมิโนไตรเมทิลไซเลน);
- alkoxy-(aryloxy)-aminosilanes;
- alkyl-(aryl)-aminohalosilanes;
- อัลคิล-(เอริล)-อิมิโนซิเลน;
- ไอโซไซยาเนต ไธโอไอโซไซยาเนต และซิลิกอนไธโออีเทอร์
สารประกอบอินทรีย์ซิลิคอนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง
พื้นฐานสำหรับการจำแนกสารประกอบอินทรีย์โมเลกุลใหญ่คือพอลิเมอร์ ซิลิคอน ไฮโดรเจน ซึ่งแผนภาพโครงสร้างแสดงในรูปด้านล่าง
สารต่อไปนี้อยู่ในกลุ่มนี้:
- อัลคิล-(เอริล)-โพลีไซเลน;
- organopolyalkyl-(polyaryl)-silanes;
- โพลีออร์กาโนซิลอกเซน;
- โพลีออร์แกนโนอัลคิลีน-(ฟีนิลีน)-ไซลอกเซน;
- โพลีออร์กาโนเมทัลโลซิลอกเซน;
- โพลีเมอร์สายโซ่โลหะลอยด์
คุณสมบัติทางเคมี
เนื่องจากสารเหล่านี้มีความหลากหลายมาก จึงเป็นเรื่องยากที่จะสร้างรูปแบบทั่วไปที่แสดงถึงพันธะระหว่างซิลิกอนและคาร์บอน
คุณสมบัติเฉพาะของสารประกอบออร์กาโนซิลิกอนคือ:
- ทนต่ออุณหภูมิสูงขึ้นอยู่กับชนิดและขนาดของอนุมูลอินทรีย์หรือกลุ่มอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับอะตอมศรี ไซเลน Tetrasubstituted มีความคงตัวทางความร้อนสูงสุด การสลายตัวเริ่มต้นที่อุณหภูมิ 650-700 °C Polydimethylsiloxylanes ถูกทำลายที่อุณหภูมิ 300 °C Tetraethylsilane และ hexaethyldisilane สลายตัวเมื่อให้ความร้อนเป็นเวลานานที่อุณหภูมิ 350 ° Cในกรณีนี้ 50% ของเอทิลเรดิคัลจะถูกกำจัดและอีเทนจะถูกปล่อยออกมา
- ความทนทานต่อกรด ด่าง และแอลกอฮอล์ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของอนุมูล ซึ่งสัมพันธ์กับอะตอมซิลิกอนและโมเลกุลทั้งหมดของสาร ดังนั้นพันธะของคาร์บอนกับซิลิกอนในเอสเทอร์ที่ถูกแทนที่อะลิฟาติกจะไม่ถูกทำลายเมื่อสัมผัสกับกรดซัลฟิวริกเข้มข้น ในขณะที่เอสเทอร์ผสมอัลคิล-(อะริล)-ที่ถูกแทนที่ ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน กลุ่มฟีนิลจะถูกแยกออกจากกัน พันธะไซลอกเซนก็มีความแข็งแรงสูงเช่นกัน
- สารประกอบออร์กาโนซิลิกอนค่อนข้างต้านทานต่อด่าง การทำลายล้างเกิดขึ้นในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ในโพลีไดเมทิลซิลอกเซน ความแตกแยกของกลุ่มเมทิลจะสังเกตได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 200 °C และภายใต้แรงดันเท่านั้น (ในหม้อนึ่งความดัน)
ลักษณะของสารประกอบโมเลกุลขนาดใหญ่
สารโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีซิลิกอนมีหลายประเภท:
- monofunctional;
- difunctional;
- trifunctional;
- quadrifunctional.
เมื่อผสมสารเหล่านี้เข้าด้วยกัน คุณจะได้:
- อนุพันธ์ disiloxane ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสารประกอบเหลว
- ไซคลิกโพลีเมอร์ (ของเหลวมัน);
- อีลาสโตเมอร์ (พอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างเชิงเส้นประกอบด้วยโมโนเมอร์หลายหมื่นตัวและมีน้ำหนักโมเลกุลมาก)
- พอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างเป็นเส้นตรงซึ่งอยู่ในกลุ่มสุดท้ายถูกบล็อกโดยอนุมูลอินทรีย์ (น้ำมัน).
เรซินที่มีอัตราส่วนเมทิลเรดิคัลต่อซิลิกอน 1.2-1.5 เป็นของแข็งไม่มีสี
คุณสมบัติดังต่อไปนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับสารประกอบซิลิกอนอินทรีย์ที่มีโมเลกุลสูง:
- ทนความร้อน;
- ไม่ชอบน้ำ (ต้านทานการซึมของน้ำ);
- ประสิทธิภาพไดอิเล็กตริกสูง
- รักษาค่าความหนืดคงที่ในช่วงอุณหภูมิกว้าง
- ความคงตัวทางเคมีแม้ในที่ที่มีสารออกซิไดซ์อย่างแรง
คุณสมบัติทางกายภาพของไซเลน
เนื่องจากสารเหล่านี้มีโครงสร้างและองค์ประกอบต่างกันมาก เราจึงจำกัดตัวเองให้อธิบายสารประกอบออร์กาโนซิลิกอนของหนึ่งในกลุ่มที่พบบ่อยที่สุด - ไซเลน
Monosilane และ disilane (SiH4 และ Si2H4 ตามลำดับ) ตามปกติ เงื่อนไขคือก๊าซที่มีกลิ่นไม่พึงประสงค์ หากไม่มีน้ำและออกซิเจน พวกมันจะมีความคงตัวทางเคมีค่อนข้างมาก
เตตราซิเลนและทริซิเลนเป็นของเหลวที่เป็นพิษระเหยง่าย Pentasilane และ hexasilane ก็เป็นพิษและไม่เสถียรทางเคมีเช่นกัน
สารเหล่านี้ละลายได้ดีในแอลกอฮอล์ น้ำมันเบนซิน คาร์บอนไดซัลไฟด์ สารละลายประเภทหลังมีอันตรายจากการระเบิดสูง จุดหลอมเหลวของสารประกอบข้างต้นมีตั้งแต่ -90 °C (tetrasilane) ถึง -187 °C (trisilane)
รับ
การเพิ่มอนุมูลของ Si จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุตั้งต้นและเงื่อนไขที่เกิดการสังเคราะห์ บางสารประกอบของซิลิกอนที่มีสารอินทรีย์สามารถทำได้ภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยเท่านั้น ในขณะที่สารประกอบอื่นๆ ทำปฏิกิริยาได้ง่ายกว่า
การได้มาซึ่งสารประกอบออร์กาโนซิลิกอนจากพันธะไซเลนนั้นกระทำโดยการไฮโดรไลซิสของอัลคิล (หรือแอริล)-คลอโรซีไซเลน (หรืออัลคอกซีไซเลน) ตามด้วยการรวมตัวของไซแลนอล ปฏิกิริยาทั่วไปแสดงในรูปด้านล่าง
การควบแน่นสามารถดำเนินการได้ในสามทิศทาง: ด้วยการก่อตัวของสารประกอบเชิงเส้นหรือไซคลิก โดยมีสารที่เป็นโครงข่ายหรือโครงสร้างเชิงพื้นที่ โพลีเมอร์แบบไซคลิกมีความหนาแน่นและความหนืดสูงกว่าโพลีเมอร์แบบเส้นตรง
การสังเคราะห์สารประกอบโมเลกุลใหญ่
เรซินอินทรีย์และอีลาสโตเมอร์ที่มีซิลิกอนถูกผลิตขึ้นโดยการไฮโดรไลซิสของโมโนเมอร์ ต่อมาผลิตภัณฑ์ไฮโดรไลซิสจะถูกให้ความร้อนและเติมตัวเร่งปฏิกิริยา เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมี น้ำ (หรือสารอื่นๆ) จะถูกปล่อยออกมาและเกิดโพลีเมอร์ที่ซับซ้อน
สารประกอบออร์กาโนซิลิกอนที่มีออกซิเจนมีแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยาโพลิเมอไรเซชันมากกว่าสารประกอบที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบเดียวกัน ในทางตรงกันข้าม ซิลิคอนสามารถเก็บไฮดรอกซิลได้ 2 หมู่ขึ้นไป ความเป็นไปได้ของการเกิดโมเลกุลโพลีเมอร์แบบเชื่อมขวางจากโมเลกุลที่เป็นวัฏจักรนั้นขึ้นอยู่กับขนาดของอนุมูลอินทรีย์เป็นหลัก
วิเคราะห์
วิเคราะห์สารประกอบออร์แกโนซิลิกอนในหลายทิศทาง:
- การหาค่าคงที่ทางกายภาพ (จุดหลอมเหลว จุดเดือด และคุณลักษณะอื่นๆ)
- การวิเคราะห์เชิงคุณภาพ. ในการตรวจจับสารประกอบประเภทนี้ในวาร์นิช น้ำมัน และเรซิน ตัวอย่างทดสอบจะถูกหลอมรวมกับโซเดียมคาร์บอเนต สกัดด้วยน้ำ แล้วบำบัดด้วยแอมโมเนียมโมลิบเดตและเบนซิดีน หากมีออร์กาโนซิลิกอน ตัวอย่างจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงิน มีวิธีอื่นในการตรวจจับ
- การวิเคราะห์เชิงปริมาณ. สำหรับการศึกษาเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณของสารประกอบออร์กาโนซิลิกอนจะใช้วิธีการอินฟราเรดและสเปกโทรสโกปีการปล่อย นอกจากนี้ยังใช้วิธีอื่น เช่น การวิเคราะห์โซลเจล แมสสเปกโทรสโกปี เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์
- การศึกษาทางกายภาพและเคมีโดยละเอียด
เตรียมแยกสารและทำให้บริสุทธิ์ สำหรับองค์ประกอบที่เป็นของแข็ง การแยกสารประกอบจะทำบนพื้นฐานของความสามารถในการละลาย จุดเดือด และการตกผลึกที่แตกต่างกัน การแยกสารประกอบซิลิกอนอินทรีย์ที่บริสุทธิ์ทางเคมีมักดำเนินการโดยการกลั่นแบบเศษส่วน เฟสของเหลวถูกแยกออกโดยใช้กรวยแยก สำหรับส่วนผสมของก๊าซ จะใช้การดูดซึมหรือการทำให้เหลวที่อุณหภูมิต่ำและการแยกส่วน
แอปพลิเคชัน
ขอบเขตของสารประกอบอินทรีย์ซิลิกอนมีขนาดใหญ่มาก:
- การผลิตของเหลวทางเทคนิค (น้ำมันหล่อลื่น, ของเหลวทำงานสำหรับปั๊มสุญญากาศ, ปิโตรเลียมเจลลี่, น้ำพริก, อิมัลชัน, น้ำยาละลายโฟม และอื่นๆ);
- อุตสาหกรรมเคมี - ใช้เป็นตัวปรับความคงตัว ตัวดัดแปลง ตัวเร่งปฏิกิริยา
- อุตสาหกรรมสีและเคลือบเงา - สารเติมแต่งสำหรับการผลิตสารเคลือบทนความร้อนและป้องกันการกัดกร่อนสำหรับโลหะ คอนกรีต แก้ว และวัสดุอื่นๆ
- วิศวกรรมการบินและอวกาศ - วัสดุกด น้ำมันไฮดรอลิก สารหล่อเย็น สารประกอบต้านน้ำแข็ง
- วิศวกรรมไฟฟ้า - การผลิตเรซินและวาร์นิช วัสดุสำหรับป้องกันวงจรรวม
- อุตสาหกรรมวิศวกรรม - การผลิตผลิตภัณฑ์ยาง สารประกอบ น้ำมันหล่อลื่น ยาแนว กาว
- อุตสาหกรรมเบา - ตัวดัดแปลงเส้นใยสิ่งทอ, หนังสัตว์, หนังเทียม; น้ำยาลดฟอง;
- อุตสาหกรรมยา - การผลิตวัสดุสำหรับเทียม สารกระตุ้นภูมิคุ้มกัน สารดัดแปลง เครื่องสำอาง
ข้อดีของสารดังกล่าวได้แก่ สามารถใช้ได้ในสภาวะต่างๆ: ในภูมิอากาศแบบเขตร้อนและเย็น ที่ความดันสูงและในสุญญากาศ ที่อุณหภูมิสูงและการแผ่รังสี สารเคลือบป้องกันการกัดกร่อนที่ใช้นั้นทำงานในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ -60 ถึง +550 °C
ปศุสัตว์
การใช้สารประกอบออร์กาโนซิลิกอนในการเลี้ยงสัตว์นั้นมีพื้นฐานมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าซิลิกอนมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการก่อตัวของกระดูกและเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน กระบวนการเผาผลาญอาหาร องค์ประกอบการติดตามนี้มีความสำคัญต่อการเจริญเติบโตและการพัฒนาของสัตว์เลี้ยง
ตามที่แสดงการศึกษา การแนะนำสารเติมแต่งที่มีสารออร์กาโนซิลิกอนในอาหารของสัตว์ปีกและปศุสัตว์มีส่วนทำให้น้ำหนักสดเพิ่มขึ้น อัตราการตายและต้นทุนอาหารสัตว์ต่อหน่วยของการเจริญเติบโตลดลง การเพิ่มการเผาผลาญของไนโตรเจน แคลเซียม และฟอสฟอรัส การใช้ยาดังกล่าวในวัวยังช่วยป้องกันโรคทางสูติกรรมอีกด้วย
การผลิตในรัสเซีย
องค์กรชั้นนำในการพัฒนาสารประกอบอินทรีย์ซิลิคอนในรัสเซียคือ GNIIChTEOS เป็นศูนย์วิทยาศาสตร์แบบบูรณาการที่มีส่วนร่วมในการสร้างสรรค์เทคโนโลยีอุตสาหกรรมสำหรับการผลิตสารประกอบจากซิลิกอน อลูมิเนียม โบรอน เหล็ก และองค์ประกอบทางเคมีอื่นๆ ผู้เชี่ยวชาญขององค์กรนี้ได้พัฒนาและแนะนำวัสดุออร์กาโนซิลิกอนมากกว่า 400 รายการ บริษัทมีโรงงานนำร่องสำหรับการผลิต
อย่างไรก็ตาม รัสเซียในพลวัตระดับโลกของการพัฒนาการผลิตสารประกอบอินทรีย์จากซิลิคอนนั้นด้อยกว่าประเทศอื่นมาก ดังนั้น ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา อุตสาหกรรมของจีนได้เพิ่มการผลิตสารเหล่านี้เกือบ 50 เท่า และยุโรปตะวันตกเพิ่มขึ้น 2 เท่า ปัจจุบัน การผลิตสารประกอบออร์กาโนซิลิกอนในรัสเซียดำเนินการที่ KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom ที่ Redkinsky Pilot Plant, JSC Khimprom (สาธารณรัฐ Chuvash), JSC Silan
