Los compuestos orgánicos a base de silicio son un gran grupo de compuestos. El segundo nombre más común para ellos es siliconas. El alcance de los compuestos organosilícicos está en constante crecimiento. Se utilizan en casi todas las áreas de la actividad humana, desde la astronáutica hasta la medicina. Los materiales basados en ellos tienen altas cualidades técnicas y de consumo.
Concepto general
Los compuestos orgánicos de silicio son compuestos en los que existe un enlace entre el silicio y el carbono. También pueden contener otros elementos químicos adicionales (oxígeno, halógenos, hidrógeno y otros). En este sentido, este grupo de sustancias se distingue por una amplia variedad de propiedades y aplicaciones. A diferencia de otros compuestos orgánicos, los compuestos de organosilicio tienen mejores características de rendimiento y mayor seguridad para la salud humana tanto cuando se obtienen como cuando se usan artículos,hecho de ellos.
Su estudio comenzó en el siglo XIX. El tetracloruro de silicio fue la primera sustancia sintetizada. En el período de los años 20 a los 90 del mismo siglo se obtuvieron muchos compuestos de este tipo: silanos, éteres y ésteres sustituidos del ácido ortosilícico, alquilclorosilanos, y otros. La similitud de algunas de las propiedades del silicio y las sustancias orgánicas ordinarias ha llevado a la formación de una idea falsa de que los compuestos de silicio y carbono son completamente idénticos. El químico ruso D. I. Mendeleev demostró que esto no es así. También estableció que los compuestos de silicio-oxígeno tienen una estructura polimérica. Esto no es típico de las sustancias orgánicas, en las que existe un enlace entre el oxígeno y el carbono.
Clasificación
Los compuestos orgánicos de silicio ocupan una posición intermedia entre los orgánicos y los organometálicos. Entre ellas se distinguen 2 grandes grupos de sustancias: de bajo peso molecular y de alto peso molecular.
En el primer grupo, los hidrógenos de silicio sirven como compuestos iniciales, y el resto son sus derivados. Estos incluyen las siguientes sustancias:
- silanos y sus homólogos (disilano, trisilano, tetrasilano);
- silanos sustituidos (butilsilano, terc-butilsilano, isobutisilano);
- Éteres de ácido ortosilícico (tetrametoxisilano, dimetoxidietoxisilano);
- haloésteres del ácido ortosilícico (trimetoxiclorosilano, metoxietoxidiclorosilano);
- ésteres sustituidos del ácido ortosilícico (metiltrietoxisilano, metilfenildietoxisilano);
- alquil-(aril)-halosilanos (feniltriclorosilano);
- derivados hidroxilados de organosilanos(dihidroxidietilsilano, hidroximetiletilfenilsilano);
- alquil-(aril)-aminosilanos (diaminometilfenilsilano, metilaminotrimetilsilano);
- alcoxi-(ariloxi)-aminosilanos;
- alquil-(aril)-aminohalosilanos;
- alquil-(aril)-iminosilanos;
- isocianatos, tioisocianatos y tioéteres de silicio.
Compuestos organosilícicos de alto peso molecular
La base para la clasificación de los compuestos orgánicos macromoleculares es el hidrógeno de silicio polimérico, cuyo diagrama estructural se muestra en la siguiente figura.
Las siguientes sustancias pertenecen a este grupo:
- alquil-(aril)-polisilanos;
- organopolialquil-(poliaril)-silanos;
- poliorganosiloxanos;
- poliorganoalquileno-(fenileno)-siloxanos;
- poliorganometallosiloxanos;
- polímeros de cadena metaloidesilano.
Propiedades químicas
Dado que estas sustancias son muy diversas, es difícil establecer patrones generales que caractericen el enlace entre el silicio y el carbono.
Las propiedades más características de los compuestos organosilícicos son:
- La resistencia a temperaturas elevadas está determinada por el tipo y el tamaño del radical orgánico u otros grupos asociados con el átomo de Si. Los silanos tetrasustituidos tienen la mayor estabilidad térmica. Su descomposición comienza a una temperatura de 650-700 °C. Los polidimetilsiloxilanos se destruyen a una temperatura de 300 °C. El tetraetilsilano y el hexaetildisilano se descomponen tras un calentamiento prolongado a una temperatura de 350 °C,en este caso se elimina el 50% del radical etilo y se libera etano.
- La resistencia química a ácidos, álcalis y alcoholes depende de la estructura del radical, que está asociado con el átomo de silicio, y la molécula completa de la sustancia. Así, el enlace del carbono con el silicio en los ésteres alifáticos sustituidos no se destruye cuando se expone al ácido sulfúrico concentrado, mientras que en los ésteres mixtos alquil-(aril)-sustituidos, en las mismas condiciones, el grupo fenilo se escinde. Los enlaces de siloxano también tienen una alta resistencia.
- Los compuestos orgánicos de silicio son relativamente resistentes a los álcalis. Su destrucción ocurre solo en condiciones difíciles. Por ejemplo, en los polidimetilsiloxanos, la escisión de los grupos metilo se observa solo a temperaturas superiores a 200 °C y bajo presión (en un autoclave).
Características de los compuestos macromoleculares
Hay varios tipos de sustancias macromoleculares a base de silicio:
- monofuncional;
- difuncional;
- trifuncional;
- cuadrifuncional.
Combinando estos compuestos, obtienes:
- derivados de disiloxano, que suelen ser compuestos líquidos;
- polímeros cíclicos (líquidos aceitosos);
- elastómeros (polímeros con una estructura lineal formada por varias decenas de miles de monómeros y un gran peso molecular);
- polímeros con estructura lineal, en cuyos grupos terminalesbloqueado por radicales orgánicos (aceites).
Las resinas con una proporción de radical metilo a silicio de 1,2-1,5 son sólidos incoloros.
Las siguientes propiedades son típicas de los compuestos de silicio orgánico de alto peso molecular:
- resistencia al calor;
- hidrofobicidad (resistencia a la penetración del agua);
- alto rendimiento dieléctrico;
- mantener un valor de viscosidad constante en un amplio rango de temperatura;
- estabilidad química incluso en presencia de oxidantes fuertes.
Propiedades físicas de los silanos
Dado que estas sustancias son muy heterogéneas en estructura y composición, nos limitamos a describir los compuestos organosilícicos de uno de los grupos más comunes: los silanos.
Monosilano y disilano (SiH4 y Si2H4 respectivamente) en condiciones normales Las condiciones son gases que tienen un olor desagradable. En ausencia de agua y oxígeno, son bastante estables químicamente.
El tetrasilano y el trisilano son líquidos tóxicos volátiles. El pentasilano y el hexasilano también son tóxicos y químicamente inestables.
Estas sustancias se disuelven bien en alcoholes, gasolina, disulfuro de carbono. Este último tipo de soluciones tiene un alto peligro de explosión. El punto de fusión de los compuestos anteriores oscila entre -90 °C (tetrasilano) y -187 °C (trisilano).
Recibir
La adición de radicales al Si procede de forma diferente y depende de las propiedades del material de partida y de las condiciones en las que se produce la síntesis. AlgunosLos compuestos de silicio con sustancias orgánicas solo pueden fabricarse en condiciones duras, mientras que otros reaccionan más fácilmente.
La obtención de compuestos organosilícicos basados en enlaces silano se realiza por hidrólisis de alquil (o arilo)-cloroxisilanos (o alcoxisilanos) seguida de policondensación de silanoles. En la siguiente figura se muestra una reacción típica.
La policondensación puede proceder en tres direcciones: con la formación de compuestos lineales o cíclicos, con la obtención de sustancias de una red o estructura espacial. Los polímeros cíclicos tienen una mayor densidad y viscosidad que sus equivalentes lineales.
Síntesis de compuestos macromoleculares
Las resinas orgánicas y los elastómeros a base de silicio se obtienen por hidrólisis de monómeros. Los productos de hidrólisis se calientan posteriormente y se añaden catalizadores. Como resultado de las transformaciones químicas, se libera agua (u otras sustancias) y se forman polímeros complejos.
Los compuestos orgánicos de silicio que contienen oxígeno son más propensos a la polimerización que sus correspondientes compuestos a base de carbono. El silicio, por el contrario, puede contener 2 o más grupos hidroxilo. La posibilidad de formar moléculas poliméricas reticuladas a partir de moléculas cíclicas depende principalmente del tamaño del radical orgánico.
Análisis
El análisis de compuestos orgánicos de silicio se lleva a cabo en varias direcciones:
- Determinación de constantes físicas (punto de fusión, punto de ebullición y otras características).
- Análisis cualitativo. Para detectar compuestos de este tipo en barnices, aceites y resinas, la muestra de prueba se fusiona con carbonato de sodio, se extrae con agua y luego se trata con molibdato de amonio y bencidina. Si hay organosilicio presente, la muestra se vuelve azul. Hay otras formas de detectar.
- Análisis cuantitativo. Para estudios tanto cualitativos como cuantitativos de compuestos orgánicos de silicio, se utilizan métodos de espectroscopia infrarroja y de emisión. También se utilizan otros métodos: análisis sol-gel, espectroscopia de masas, resonancia magnética nuclear.
- Estudio físico y químico detallado.
Pre-produce el aislamiento y purificación de la sustancia. Para composiciones sólidas, la separación de compuestos se realiza en base a su diferente solubilidad, punto de ebullición y cristalización. El aislamiento de compuestos orgánicos de silicio químicamente puros a menudo se lleva a cabo mediante destilación fraccionada. Las fases líquidas se separan utilizando un embudo de decantación. Para mezclas de gases se utilizan la absorción o licuefacción a bajas temperaturas y el fraccionamiento.
Solicitud
El alcance de los compuestos orgánicos de silicio es muy amplio:
- producción de fluidos técnicos (aceites lubricantes, fluidos de trabajo para bombas de vacío, vaselina, pastas, emulsiones, antiespumantes y otros);
- industria química: uso como estabilizadores, modificadores, catalizadores;
- industria de pinturas y barnices: aditivos para la fabricación de revestimientos resistentes al calor y anticorrosivos para metal, hormigón, vidrio y otros materiales;
- ingeniería aeroespacial: materiales de prensa, fluidos hidráulicos, refrigerantes, compuestos antihielo;
- ingeniería eléctrica - producción de resinas y barnices, materiales para la protección de circuitos integrados;
- industria de la ingeniería - producción de productos de caucho, compuestos, lubricantes, selladores, adhesivos;
- industria ligera - modificadores de fibras textiles, cuero, polipiel; antiespumantes;
- industria farmacéutica: producción de materiales para prótesis, inmunoestimulantes, adaptógenos, cosméticos.
Las ventajas de tales sustancias incluyen el hecho de que pueden usarse en una variedad de condiciones: en climas tropicales y fríos, a alta presión y en vacío, a altas temperaturas y radiación. Los recubrimientos anticorrosión basados en ellos funcionan en el rango de temperatura de -60 a +550 °С.
Ganadería
El uso de compuestos orgánicos de silicio en la cría de animales se basa en el hecho de que el silicio participa activamente en la formación de huesos y tejidos conectivos, procesos metabólicos. Este oligoelemento es vital para el crecimiento y desarrollo de las mascotas.
Como muestraestudios, la introducción de aditivos con sustancias organosilícicas en la dieta de aves y ganado contribuye a un aumento del peso vivo, una disminución de la mortalidad y los costos de alimentación por unidad de crecimiento, un aumento en el metabolismo del nitrógeno, calcio y fósforo. El uso de tales medicamentos en vacas también ayuda en la prevención de enfermedades obstétricas.
Producción en Rusia
La empresa líder en el desarrollo de compuestos orgánicos de silicio en Rusia es GNIIChTEOS. Este es un centro científico integrado que se dedica a la creación de tecnologías industriales para la fabricación de compuestos a base de silicio, aluminio, boro, hierro y otros elementos químicos. Los especialistas de esta organización han desarrollado e introducido más de 400 materiales de organosilicio. La empresa dispone de una planta piloto para su producción.
Sin embargo, Rusia en la dinámica global del desarrollo de la producción de compuestos orgánicos a base de silicio es muy inferior a otros países. Entonces, en los últimos 20 años, la industria china ha aumentado la producción de estas sustancias casi 50 veces, y Europa occidental, 2 veces. En la actualidad, la producción de compuestos de organosilicio en Rusia se lleva a cabo en KZSK-Silicon, JSC Altaihimprom, en la planta piloto de Redkinsky, JSC Khimprom (República de Chuvasia), JSC Silan.
