חומרים אורגניים מבוססי סיליקון הם קבוצה גדולה של תרכובות. השם השני והנפוץ יותר עבורם הוא סיליקונים. ההיקף של תרכובות אורגנוסיליקון גדל כל הזמן. הם משמשים כמעט בכל תחומי הפעילות האנושית - מאסטרונאוטיקה ועד רפואה. לחומרים המבוססים עליהם יש איכויות טכניות וצרכניות גבוהות.
קונספט כללי
תרכובות אורגנוסיליקון הן תרכובות שבהן יש קשר בין סיליקון לפחמן. הם עשויים להכיל גם יסודות כימיים נוספים (חמצן, הלוגנים, מימן ואחרים). בהקשר זה, קבוצה זו של חומרים נבדלת על ידי מגוון רחב של תכונות ויישומים. שלא כמו תרכובות אורגניות אחרות, לתרכובות אורגנוסיליקון יש מאפייני ביצועים טובים יותר ובטיחות גבוהה יותר לבריאות האדם הן כאשר הן מתקבלות והן בעת השימוש בפריטים,עשוי מהם.
הלימוד שלהם החל במאה ה-19. סיליקון טטרכלוריד היה החומר המסונתז הראשון. בתקופה שבין שנות ה-20 עד שנות ה-90 של אותה המאה התקבלו תרכובות רבות מסוג זה: סילאנים, אתרים ואסטרים מוחלפים של חומצה אורתוסילית, אלקילכלורוסילאנים ואחרים. הדמיון בין חלק מהמאפיינים של סיליקון וחומרים אורגניים רגילים הוביל להיווצרות רעיון שגוי לפיו תרכובות סיליקון ופחמן זהות לחלוטין. הכימאי הרוסי D. I. Mendeleev הוכיח שזה לא כך. הוא גם קבע שלתרכובות סיליקון-חמצן יש מבנה פולימרי. זה לא אופייני לחומרים אורגניים, שבהם יש קשר בין חמצן לפחמן.
Classification
תרכובות אורגנוסיליקון תופסות מיקום ביניים בין אורגני לאורגנו-מתכתי. ביניהם מבחינות 2 קבוצות גדולות של חומרים: משקל מולקולרי נמוך ומשקל מולקולרי גבוה.
בקבוצה הראשונה, מימני הסיליקון משמשים כתרכובות ראשוניות, והשאר הם נגזרותיהם. אלה כוללים את החומרים הבאים:
- סילאנים וההומולוגיות שלו (דיסילאן, טריסילאן, טטרסילאן);
- סילאנים מוחלפים (בוטילסילאן, tert-butylsilane, isobutysilane);
- אתרים של חומצה אורתוסילית (טטרמתוקסילאן, דימתוקסידיאתוקסילאן);
- הלואסטרים של חומצה אורתוסילית (טרימתוקסיכלורוסילאן, מתאוקסיאתוקסידיכלורוסילאן);
- אסטרים מוחלפים של חומצה אורתוסילית (מתילטריאתוקסילאן, מתילפנילדיאטוקסילאן);
- אלקיל-(אריל)-הלוסילאנים (פנילטריכלורוסילאן);
- נגזרות הידרוקסיל של אורגנוסילאנים(דיהידרוקסי-דיאתיל-סילאן, הידרוקסי-מתיל-אתיל-פנילסילאן);
- אלקיל-(אריל)-אמינוסילאנים (דיאמינומתילפנילסילאן, מתילאמינוטרימתילסילאן);
- alkoxy-(aryloxy)-aminosilans;
- alkyl-(אריל)-aminohalosilanes;
- אלקיל-(אריל)-אימינוסילנס;
- isocyanates, thioisocyanates and thioethers סיליקון.
תרכובות אורגנוסיליקון במשקל מולקולרי גבוה
הבסיס לסיווג של תרכובות אורגניות מקרומולקולריות הוא מימן סיליקון פולימרי, שהתרשים המבני שלו מוצג באיור למטה.
החומרים הבאים שייכים לקבוצה זו:
- אלקיל-(אריל)-פוליסילנים;
- אורגנופוליאלקיל-(פוליאריל)-סילאנים;
- polyorganosiloxanes;
- polyorganoalkylene-(phenylene)-siloxanes;
- polyorganometallosiloxanes;
- פולימרי שרשרת מתכת-סילאן.
מאפיינים כימיים
מאחר והחומרים הללו מגוונים מאוד, קשה לקבוע דפוסים כלליים המאפיינים את הקשר בין סיליקון לפחמן.
התכונות האופייניות ביותר של תרכובות סיליקון אורגניות הן:
- עמיד לטמפרטורה מוגברת נקבע לפי סוג וגודל הרדיקל האורגני או קבוצות אחרות הקשורות לאטום Si. לסילאנים מוחלפים יש את היציבות התרמית הגבוהה ביותר. הפירוק שלהם מתחיל בטמפרטורה של 650-700 מעלות צלזיוס. Polydimethylsiloxylanes נהרסים בטמפרטורה של 300 מעלות צלזיוס. טטראתילסילאן והקסאתילדיסילאן מתפרקים בחימום ממושך בטמפרטורה של 350 מעלות צלזיוס,במקרה זה, 50% מהרדיקל האתיל מסולק ומשתחרר אתאן.
- עמידות כימית לחומצות, אלקליות ואלכוהול תלויה במבנה הרדיקל, הקשור לאטום הסיליקון, ובכל המולקולה של החומר. לכן, הקשר של פחמן עם סיליקון באסטרים מוחלפים אליפטיים אינו נהרס כאשר הוא נחשף לחומצה גופרתית מרוכזת, בעוד באסטרים מעורבים עם אלקיל-(אריל)-מוחלפים, באותם תנאים, קבוצת הפניל מפוצלת. לקשרי סילוקסן יש גם חוזק גבוה.
- תרכובות אורגנוסיליקון עמידות יחסית בפני אלקליות. הרס שלהם מתרחש רק בתנאים קשים. לדוגמה, בפולידימתיל סילוקסנים, ביקוע של קבוצות מתיל נצפה רק בטמפרטורות מעל 200 מעלות צלזיוס ובלחץ (באוטוקלב).
מאפיינים של תרכובות מקרומולקולריות
ישנם מספר סוגים של חומרים מאקרו-מולקולריים המבוססים על סיליקון:
- monofunctional;
- difunctional;
- תלת-תכליתית;
- quadrifunctional.
שילוב התרכובות האלה, תקבל:
- נגזרות של דיסילוקסאן, שהן לרוב תרכובות נוזליות;
- פולימרים מחזוריים (נוזלים שמנים);
- אלסטומרים (פולימרים בעלי מבנה ליניארי המורכב מכמה עשרות אלפי מונומרים ומשקל מולקולרי גדול);
- פולימרים בעלי מבנה ליניארי, שבהם קבוצות קצהחסום על ידי רדיקלים אורגניים (שמנים).
שרפים עם יחס מתיל רדיקל לסיליקון של 1.2-1.5 הם מוצקים חסרי צבע.
המאפיינים הבאים אופייניים לתרכובות סיליקון אורגניות גבוהות מולקולריות:
- התנגדות לחום;
- הידרופוביות (התנגדות לחדירת מים);
- ביצועים דיאלקטריים גבוהים;
- שמירה על ערך צמיגות קבוע בטווח טמפרטורות רחב;
- יציבות כימית גם בנוכחות של חומרים מחמצנים חזקים.
מאפיינים פיזיים של סילאנים
מכיוון שהחומרים הללו מאוד הטרוגניים במבנה ובהרכב, אנו מסתפקים בתיאור תרכובות אורגנוסיליקון של אחת הקבוצות הנפוצות ביותר - סילאנים.
מונוסילאן ודיסילאן (SiH4 ו-Si2H4 בהתאמה) במצב רגיל תנאים הם גזים שיש להם ריח לא נעים. בהיעדר מים וחמצן, הם די יציבים מבחינה כימית.
טטרסילאן וטריסילאן הם נוזלים רעילים נדיפים. פנטסילאן והקססילאן הם גם רעילים ולא יציבים מבחינה כימית.
חומרים אלה מתמוססים היטב באלכוהול, בנזין, פחמן די-סולפיד. לסוג האחרון של פתרונות יש סכנת פיצוץ גבוהה. נקודת ההיתוך של התרכובות לעיל נעה בין -90 מעלות צלזיוס (טטרסילאן) ל-187 מעלות צלזיוס (טריסילאן).
קבל
הוספה של רדיקלים ל-Si מתנהלת אחרת ותלויה בתכונות חומר המוצא ובתנאים שבהם מתרחשת הסינתזה. כמהניתן ליצור תרכובות של סיליקון עם חומרים אורגניים רק בתנאים קשים, בעוד שאחרים מגיבים בקלות רבה יותר.
השגת תרכובות אורגנוסיליקון המבוססות על קשרי סילאן מתבצעת על ידי הידרוליזה של אלקיל (או אריל)-כלורוקסיסילנים (או אלקוקסיסילאנים) ולאחר מכן פוליקונדנסציה של סילאנים. תגובה טיפוסית מוצגת באיור למטה.
פוליקוננסציה יכולה להתקדם בשלושה כיוונים: עם היווצרות של תרכובות ליניאריות או מחזוריות, עם השגת חומרים של רשת או מבנה מרחבי. לפולימרים מחזוריים יש צפיפות וצמיגות גבוהים יותר מאשר עמיתיהם הליניאריים.
סינתזה של תרכובות מקרומולקולריות
שרפים אורגניים ואלסטומרים מבוססי סיליקון מיוצרים על ידי הידרוליזה של מונומרים. תוצרי ההידרוליזה מחוממים לאחר מכן ומתווספים זרזים. כתוצאה מתמורות כימיות משתחררים מים (או חומרים אחרים) ונוצרים פולימרים מורכבים.
תרכובות אורגנוסיליקון המכילות חמצן נוטות יותר לפילמור מאשר התרכובות המקבילות המבוססות על פחמן. סיליקון, לעומת זאת, מסוגל להחזיק 2 קבוצות הידרוקסיל או יותר. האפשרות ליצור מולקולות פולימר מצולבות ממולקולות מחזוריות תלויה בעיקר בגודל הרדיקל האורגני.
Analysis
ניתוח של תרכובות סיליקון אורגניות מתבצע בכמה כיוונים:
- קביעת קבועים פיזיקליים (נקודת התכה, נקודת רתיחה ומאפיינים נוספים).
- ניתוח איכותי. כדי לזהות תרכובות מסוג זה בלכות, שמנים ושרף, דגימת הבדיקה מותכת עם נתרן קרבונט, מופקת במים ולאחר מכן מטופלת באמוניום מוליבדאט ובנזידין. אם קיים סיליקון אורגני, המדגם הופך לכחול. ישנן דרכים אחרות לזיהוי.
- ניתוח כמותי. עבור מחקרים איכותיים וכמותיים של תרכובות סיליקון אורגניות, נעשה שימוש בשיטות של אינפרא אדום וספקטרוסקופיה של פליטה. נעשה שימוש גם בשיטות אחרות - ניתוח סול-ג'ל, ספקטרוסקופיה מסה, תהודה מגנטית גרעינית.
- מחקר פיסיקלי וכימי מפורט.
הפקה מראש את הבידוד והטיהור של החומר. עבור קומפוזיציות מוצקות, ההפרדה של תרכובות נעשית על בסיס מסיסותן, נקודת הרתיחה והתגבשותן השונות. הבידוד של תרכובות סיליקון אורגניות טהורות מבחינה כימית מתבצע לרוב על ידי זיקוק חלקי. שלבי הנוזל מופרדים באמצעות משפך הפרדה. עבור תערובות גזים, נעשה שימוש בספיגה או נזילות בטמפרטורות נמוכות ובחלוקה.
Application
ההיקף של תרכובות אורגנוסיליקון גדול מאוד:
- ייצור נוזלים טכניים (שמני סיכה, נוזלי עבודה למשאבות ואקום, ג'לי נפט, משחות, אמולסיות, מסירי קצף ואחרים);
- תעשייה כימית - השתמשו כמייצבים, משנה, זרזים;
- תעשיית צבע ולכה - תוספים לייצור ציפויים עמידים בחום, נגד קורוזיה למתכת, בטון, זכוכית וחומרים נוספים;
- הנדסת תעופה וחלל - חומרי עיתונות, נוזלים הידראוליים, נוזלי קירור, תרכובות נגד הקרחה;
- הנדסת חשמל - ייצור שרפים ולכות, חומרים להגנה על מעגלים משולבים;
- תעשיית ההנדסה - ייצור מוצרי גומי, תרכובות, חומרי סיכה, חומרי איטום, דבקים;
- תעשייה קלה - מתקנים של סיבי טקסטיל, עור, עור; מסירי קצף;
- תעשיית התרופות - ייצור חומרים לתותבות, חומרים ממריצים, אדפטוגנים, קוסמטיקה.
היתרונות של חומרים כאלה כוללים את העובדה שניתן להשתמש בהם במגוון תנאים: באקלים טרופי וקר, בלחץ גבוה ובוואקום, בטמפרטורות גבוהות ובקרינה. ציפויים נגד קורוזיה המבוססים עליהם מופעלים בטווח הטמפרטורות שבין -60 ל-+550 מעלות צלזיוס.
משק חי
השימוש בתרכובות אורגנוסיליקון בגידול בעלי חיים מבוסס על העובדה שסיליקון מעורב באופן פעיל ביצירת עצמות ורקמות חיבור, תהליכים מטבוליים. יסוד קורט זה חיוני לצמיחה והתפתחות של חיות מחמד.
כפי שמראהמחקרים, הכנסת תוספים עם חומרי סיליקון אורגניים לתזונה של עופות ובעלי חיים תורמת לעלייה במשקל החי, לירידה בתמותה ובעלויות ההזנה ליחידת גידול, לעלייה בחילוף החומרים של חנקן, סידן וזרחן. השימוש בתרופות כאלה בפרות עוזר גם במניעת מחלות מיילדות.
ייצור ברוסיה
המיזם המוביל בפיתוח תרכובות אורגנוסיליקון ברוסיה הוא GNIIChTEOS. זהו מרכז מדעי משולב העוסק ביצירת טכנולוגיות תעשייתיות לייצור תרכובות המבוססות על סיליקון, אלומיניום, בורון, ברזל ויסודות כימיים נוספים. המומחים של ארגון זה פיתחו והציגו יותר מ-400 חומרים אורגנוסיליקון. לחברה יש מפעל פיילוט לייצור שלהם.
עם זאת, רוסיה בדינמיקה העולמית של פיתוח ייצור תרכובות אורגניות המבוססות על סיליקון נחותה בהרבה ממדינות אחרות. אז, במהלך 20 השנים האחרונות, התעשייה הסינית הגדילה את הייצור של חומרים אלה כמעט פי 50, ומערב אירופה - פי 2. כיום, הייצור של תרכובות סיליקון אורגניות ברוסיה מתבצע ב-KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, במפעל הפיילוט Redkinsky, JSC Khimprom (הרפובליקה של צ'ובש), JSC Silan.
