Кремнийорганическая химия
Кремнийорганическая химия — наука о металлоорганических соединениях, содержащих углерод — кремний связи , в связи с чем их называют кремнийорганическими соединениями . Большинство кремнийорганических соединений подобны обычным органическим соединениям: они бесцветны, легковоспламеняемы, гидрофобны и устойчивы на воздухе. Карбид кремния – неорганическое соединение.
История
[ редактировать ]В 1863 году Чарльз Фридель и Джеймс Крафтс получили первое органохлорсилановое соединение. [1] В том же году они также описали «эфир поликремниевой кислоты» для получения этил- и метил-о-кремниевой кислоты. [1] Обширные исследования в области кремнийорганических соединений были начаты в начале 20 века Фредериком С. Киппингом . [2] Он также ввел термин «силикон» (напоминающий кетоны , хотя это ошибочно). [3] [4] : 286 в отношении этих материалов в 1904 году. В знак признания достижений Кипинга компания Dow Chemical Company учредила в 1960-х годах награду, присуждаемую за значительный вклад в химию кремния. [5] В своих работах Киппинг был отмечен тем, что применил реактивы Гриньяра для получения алкилсиланов и арилсиланов , а также получил кремнийорганические олигомеры и полимеры. впервые [2]
В 1945 году Юджин Г. Рохов также внес значительный вклад в кремнийорганическую химию, впервые описав процесс Мюллера-Рохова . [6]
Возникновение и применение
[ редактировать ]Кремнийорганические соединения широко встречаются в коммерческой продукции. Наиболее распространенными являются пеногасители, герметики , клеи и покрытия из силикона . Другие важные области применения включают адъюванты в сельском хозяйстве и борьбе с растениями, обычно используемые в сочетании с гербицидами и фунгицидами . [7]
Биология и медицина
[ редактировать ]Связи углерод-кремний отсутствуют в биологии , однако ферменты использовались для искусственного создания связей углерод-кремний в живых микробах. [8] [9] [10] С другой стороны, силикаты известны у диатомовых водорослей . [11] Силафлуофен — кремнийорганическое соединение, действующее как пиретроидный инсектицид . Несколько кремнийорганических соединений были исследованы в качестве фармацевтических средств. [12] [13]
Склеивание
[ редактировать ]С | И | ЧАС | ТО |
---|---|---|---|
2.5 | 1.8 | 2.1 | 3.4 |
Связь | Длина связи (пм) | Прибл. связь сила (кДж/моль) |
---|---|---|
СС | 154 | 334 |
Си-Си | 234 | 196 |
С и | 186 | 314 |
СН | 110 | 414 |
Си-Х | 146 | 314 |
СО | 145 | 355 |
И | 159 | 460 |
Связь | Энергия (кДж/моль) |
---|---|
Си-Си | 327(10) |
Да – Бр | 343(50) |
шикарный | 435(21) |
Si–Cl | 456(42) |
Си – Ф | 540(13) |
Si – H | 298.49(46) |
Си – я | 339(84) |
и н | 439(38) |
Си-О | 798(8) |
Si – S | 619(13) |
Да-да | 531(25) |
H3Si – SiH3 | 339(17) |
Ме3Си – СиМе3 | 339 |
Ar3Si – SiAr3 | 368(31) |
Сайт | 506(38) |
В подавляющем большинстве кремнийорганических соединений Si является четырехвалентным с тетраэдрической молекулярной геометрией . По сравнению со связями углерод-углерод связи углерод-кремний длиннее и слабее. [7] [15]
Связь C–Si несколько поляризована в сторону углерода из-за большей электроотрицательности углерода (C 2,55 против Si 1,90), а одинарные связи Si с электроотрицательными элементами очень прочны. [14] Таким образом, кремний подвержен нуклеофильной атаке O − , кл − , или Ф − ; энергия связи Si–O особенно поразительно высока . Эта особенность используется во многих реакциях, таких как реакция Сакураи , перегруппировка Брука , окисление Флеминга-Тамао и олефинирование Петерсона . [16]
Связь Si-C (1,89 Å) значительно длиннее, чем типичная связь C-C (1,54 Å), что позволяет предположить, что силильные заместители имеют меньшую стерическую потребность, чем их органильные аналоги. Если позволяет геометрия, кремний демонстрирует отрицательное гиперсопряжение , меняя обычную поляризацию соседних атомов на противоположную. [ нужна ссылка ]
Подготовка
[ редактировать ]Первое кремнийорганическое соединение, тетраэтилсилан, было получено Чарльзом Фриделем и Джеймсом Крафтсом в 1863 году реакцией тетрахлорсилана с диэтилцинком .
Основная часть кремнийорганических соединений происходит из кремнийорганических хлоридов (CH
3 )
4-х SiCl
х . Эти хлориды производятся « Прямым процессом », который влечет за собой реакцию метилхлорида со сплавом кремния и меди. Основным и наиболее востребованным продуктом является диметилдихлорсилан :
- 2 СН
3 Cl + Si → (CH
3 )
2 SiCl
2
Получают множество других продуктов, включая триметилсилилхлорид и метилтрихлорсилан . По этому маршруту ежегодно получают около 1 млн тонн кремнийорганических соединений. Этот метод также можно использовать для фенилхлорсиланов. [17]
Гидросилилирование
[ редактировать ]Другим основным методом образования связей Si-C является гидросилилирование (также называемое гидросилилированием). [18] В этом процессе соединения со связями Si-H ( гидросиланы ) присоединяются к ненасыщенным субстратам. С коммерческой точки зрения основными субстратами являются алкены . Участвуют и другие ненасыщенные функциональные группы — алкины , имины , кетоны и альдегиды , но эти реакции имеют небольшую экономическую ценность. [19]
Для гидросилилирования необходимы металлические катализаторы, особенно на основе металлов платиновой группы .
В родственном силилметаллировании металл заменяет атом водорода.
Расщепление связей Si-Si
[ редактировать ]Гексаметилдисилан реагирует с метиллитием с образованием триметилсилиллития: [20]
- (CH 3 ) 6 Si 2 + CH 3 Li → (CH 3 ) 3 SiLi + (CH 3 ) 4 Si
Аналогично трис(триметилсилил)силиллитий получается из тетракис(триметилсилил)силана : [21]
- ((CH 3 ) 3 Si) 4 Si + CH 3 Li → ((CH 3 ) 3 Si) 3 SiLi + (CH 3 ) 4 Si
Функциональные группы
[ редактировать ]Кремний входит в состав многих функциональных групп. Большинство из них аналогичны органическим соединениям. Главным исключением является редкость множественных связей с кремнием, что отражено в правиле двойных связей .
Силанолы, силоксиды и силоксаны
[ редактировать ]Силанолы являются аналогами спиртов. Обычно их получают гидролизом силилхлоридов: [22]
- Р
3 SiCl + Н 2 О → Р
3 SiOH + HCl
Реже силанолы получают окислением силилгидридов - реакции, в которой используется металлический катализатор:
- 2 р
3 СиХ + О
2 → 2 Р
33SiOH
Было выделено множество силанолов, в том числе (CH
3 )
3 SiOH и (C
66Ч
5 )
3 SiOH . Они примерно в 500 раз более кислые, чем соответствующие спирты. Силоксиды представляют собой депротонированные производные силанолов: [22]
- Р
3 SiOH + NaOH → Р
3 Сион + Н 2 О
Силанолы имеют тенденцию дегидратироваться с образованием силоксанов :
- 2 р
3 SiOH → Р
3 Си-О-СиР
3 + Н 2 О
Полимеры с повторяющимися силоксановыми связями называются силиконами . Соединения с двойной связью Si=O, называемые силанонами, крайне нестабильны.
Силиловые эфиры
[ редактировать ]Силиловые эфиры обладают связностью Si-OC. Обычно их получают реакцией спиртов с силилхлоридами:
- (CH
3 )
3 SiCl + ROH → (CH
3 )
3 Si-OR + HCl
Силиловые эфиры широко используются в качестве защитных групп для спиртов .
Используя силу связи Si-F, источники фторида, такие как фторид тетра-н-бутиламмония (TBAF), используются для снятия защиты с силиловых эфиров:
- (CH
3 )
3 Си-ИЛИ + Ф −
+ H 2 O → (СН
3 )
3 Си-Ф + НОР + ОН −
Силилхлориды
[ редактировать ]Органосилилхлориды являются важными товарными химическими веществами. В основном их используют для производства силиконовых полимеров, как описано выше. Особенно важными силилхлоридами являются диметилдихлорсилан ( Me
2 SiCl
2 ), метилтрихлорсилан ( MeSiCl
3 ) и триметилсилилхлорид ( Me
3 SiCl ) производятся прямым способом . Более специализированные производные, находящие коммерческое применение, включают дихлорметилфенилсилан, трихлор(хлорметил)силан, трихлор(дихлорфенил)силан, трихлорэтилсилан и фенилтрихлорсилан.
Кремнийорганические соединения широко используются в органическом синтезе , хотя это относительно незначительная сфера применения . В частности, триметилсилилхлорид Me .
3 SiCl является основным силилирующим агентом. Один классический метод называемый реакцией Флуда, синтеза этого класса соединений, заключается в нагревании гексаалкилдисилоксанов R.
33SiOSiR
3 с концентрированной серной кислотой натрия и галогенидом . [23]
Силилгидриды
[ редактировать ]Связь кремния с водородом длиннее связи C–H (148 по сравнению с 105 пм) и слабее (299 по сравнению с 338 кДж/моль). Водород более электроотрицательен , чем кремний, отсюда и название силилгидридов . Обычно присутствие гидрида не упоминается в названии соединения. Триэтилсилан имеет формулу Et.
3 СиХ . Фенилсилан — это PhSiH.
3 . Исходное соединение SiH
4 называется силаном .
Силены
[ редактировать ]Кремнийорганические соединения, в отличие от своих углеродных аналогов, не имеют богатого химического состава двойных связей . [25] Соединения с силеновыми связями Si=C (также известные как алкилиденсиланы ) являются лабораторными диковинками, такими как кремнийбензольный аналог силабензол . В 1967 году Гусельников и Флауэрс предоставили первые доказательства существования силенов в результате пиролиза диметилсилациклобутана . [26] О первом стабильном (кинетически экранированном) силене сообщил Брук в 1981 году. [27] [28]
Дисилены имеют двойные связи Si=Si, а дисилины представляют собой кремниевые аналоги алкина. О первом силине (с тройной связью кремний-углерод) сообщалось в 2010 году. [29]
Силолы
[ редактировать ]Силолы , также называемые силациклопентадиенами , являются членами более широкого класса соединений, называемых металлолами . Они являются кремниевыми аналогами циклопентадиенов и представляют современный академический интерес из-за их электролюминесценции и других электронных свойств. [30] [31] Силолы эффективны в транспорте электронов. Своей низкой НСМО они обязаны благоприятному взаимодействию между разрыхляющей сигма кремния и разрыхляющей пи-орбиталью бутадиенового - орбиталью фрагмента.
Пятикоординированный кремний
[ редактировать ]В отличие от углерода, соединения кремния могут быть координированы до пяти атомов в группе соединений, начиная от так называемых силатранов , таких как фенилсилатран , и заканчивая уникально стабильным пентаорганосиликатом: [32]
Стабильность гипервалентного кремния лежит в основе реакции Хиямы , реакции сочетания, используемой в некоторых специализированных приложениях органического синтеза. Реакция начинается с активации связи Si-C фторидом :
- Р-СиР'
3 + Р"-Х + Ф −
→ РР" + Р'
3 СиФ + Х −
Различные реакции
[ редактировать ]В общем, почти любая связь кремний-гетероатом чувствительна к воде и самопроизвольно гидролизуется. [33] Однако ненапряженные связи кремний-углерод очень прочны и расщепляются лишь в небольшом количестве экстремальных условий. Сильные кислоты будут протодесилировать арилсиланы, а в присутствии катализатора на основе кислоты Льюиса — алкилсиланы. Большинство нуклеофилов слишком слабы, чтобы вытеснить углерод из кремния: исключениями являются ионы фтора и алкоксиды , хотя последние вместо этого часто депротонируют органосилан до илида кремния . [34]
В качестве источника ковалентного гидрида гидросиланы являются хорошими восстановителями .
Некоторые аллилсиланы могут быть получены из аллиловых эфиров, таких как 1 , и соединений моносилила меди, которые образуются in situ в результате реакции соединения дисилилцинка 2 с йодидом меди в: [35] [36]
химической связи с цинком формальное аллильное замещение бензоилоксигруппы В этом типе реакции полярность кремния меняется на обратную в и происходит .
Ненасыщенные силаны, подобные указанным выше, подвержены электрофильному замещению .
Воздействие на окружающую среду
[ редактировать ]Кремнийорганические соединения влияют на экспрессию иммунитета пчел (и других насекомых), делая их более восприимчивыми к вирусной инфекции. [13] [37]
См. также
[ редактировать ]- Соединения углерода с элементами 3-го периода : алюминийорганические соединения , фосфорорганические соединения , сероорганические соединения.
- Соединения углерода с другими элементами 14 группы : германийорганические соединения , оловоорганические соединения , свинцовоорганические соединения.
- Силилены , карбенов. аналоги
- Силиленоиды , карбеноидов. аналоги
- Декаметилсиликоцен
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Мюллер, Ричард (январь 1965 г.). «Сто лет кремнийорганической химии» . Журнал химического образования . 42 (1): 41. дои : 10.1021/ed042p41 . ISSN 0021-9584 .
- ^ Перейти обратно: а б Томас, Нил Р. (октябрь 2010 г.). «Фредерик Стэнли Киппинг — пионер кремниевой химии: его жизнь и наследие» . Кремний . 2 (4): 187–193. дои : 10.1007/s12633-010-9051-x . ISSN 1876-990Х .
- ^ Киппинг, Фредерик Стэнли (1 января 1912 г.). «CCXXII.—Органические производные кремния. Часть XV. Номенклатура кремнийорганических соединений» . Журнал Химического общества, Сделки . 101 : 2106–2107. дои : 10.1039/CT9120102106 . ISSN 0368-1645 .
- ^ Справочник моющих средств. Часть F. Производство . Ури Цолер, Пол Сосис. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. 2009. ISBN 978-1-4200-1465-5 . OCLC 319710487 .
{{cite book}}
: CS1 maint: другие ( ссылка ) - ^ «Премия Фредерика Стэнли Кипинга в области химии кремния» . Американское химическое общество . Проверено 22 декабря 2022 г.
- ^ Рочоу, Юджин Г. (июнь 1945 г.). «Прямой синтез кремнийорганических соединений» . Журнал Американского химического общества . 67 (6): 963–965. дои : 10.1021/ja01222a026 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Перейти обратно: а б Джанета, Матеуш; Шаферт, Славомир (2017). «Синтез, характеристика и термические свойства амидо-POSS типа Т8 с концевой п-галогенфенильной группой». Журнал металлоорганической химии . 847 : 173–183. дои : 10.1016/j.jorganchem.2017.05.044 .
- ^ Чой, Чарльз. «Возможность роста жизни на основе кремния» . Журнал «Астробиология» . Архивировано из оригинала 21 августа 2017 г. Проверено 28 октября 2019 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ Фрэмптон, Марк Б.; Зелиско, Пол М. (2009). «Кремнийорганическая биотехнология». Кремний . 1 (3): 147–163. дои : 10.1007/s12633-009-9021-3 . S2CID 195219283 .
- ^ Павленко, С. (2011) [1986]. Кремнийорганическая химия . де Грюйтер. п. 7. ISBN 978-3-11-086238-6 .
- ^ Кинраде, Стивен Д.; Гиллсон, Эшли-МЭ; Найт, Кристофер Т.Г. (2002). «ЯМР кремния-29 свидетельствует о временном комплексе шестивалентного кремния в диатомовой водоросли Navicula pelliculosa ». Дж. Хим. Soc., Далтон Транс. (3): 307–9. дои : 10.1039/b105379p .
- ^ Бэйнс, В.; Таке, Р. (2003). «Химия кремния как новый источник химического разнообразия в разработке лекарств». Курс. Мнение. Препарат Дисков. Дев . 6 (4): 526–543. ПМИД 12951816 .
- ^ Перейти обратно: а б «Обычные химические вещества для сельскохозяйственных культур делают пчел восприимчивыми к смертельным вирусам» . Физика.орг. 2017.
- ^ Перейти обратно: а б «Свойства атомов, радикалов и связей» (PDF) . Лаборатория Закаряна, UCSB . Проверено 28 ноября 2022 г.
- ^ Справочник по химии и физике (81-е изд.). ЦРК Пресс. Июнь 2000 г. ISBN. 0-8493-0481-4 . Ошибка параметра в {{ ISBN }} : отсутствует ISBN .
- ^ Колвин, Э. (2014) [1981]. Кремний в органическом синтезе . Баттерворт. ISBN 978-1-4831-4223-4 .
- ^ Рёше, Л.; Джон, П.; Рейтмайер, Р. (2003). «Органические соединения кремния». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Уайли. дои : 10.1002/14356007.a24_021 .
- ^ Марцинец, Б., изд. (2009). «Гидросилилирование». Достижения кремниевой науки . Том. 1. Спрингер. стр. 3–51. дои : 10.1007/978-1-4020-8172-9_1 . ISBN 978-1-4020-8172-9 .
- ^ Рамирес-Олив, Э.; Эрнандес, А.; Мартинес-Росалес, Ж.М.; Агилар-Эльгесабаль, А.; Эррера-Перес, Г.; Сервантес, Дж. (2006). «Влияние метода синтеза Pt/MgO на гидросилилирование фенилацетилена» (PDF) . Архив 126 :136.
- ^ Линдерман, Рассел Дж.; Стиасни, Никола; Хиерсеманн, Мартин (2009). «Триметилсилиллитий». Энциклопедия реагентов для органического синтеза . дои : 10.1002/047084289X.rt312.pub2 . ISBN 978-0471936237 .
- ^ Дикхо, Иоахим; Гизе, Бернд (1992). «Трис(триметилсилил)силан». Орг. Синтез . 70 : 164. дои : 10.15227/orgsyn.070.0164 .
- ^ Перейти обратно: а б Ликисс, Пол Д. (1995). «Синтез и строение органосиланолов ». Достижения неорганической химии . 42 : 147–262. дои : 10.1016/S0898-8838(08)60053-7 . ISBN 9780120236428 .
- ^ Наводнение, Э.А. (1933). «Получение галогенидов триэтилкремния». Дж. Ам. хим. Соц. 55 (4): 1735–6. дои : 10.1021/ja01331a504 .
- ^ Чатгилиалоглу, Златоуст; Феррери, Карла; Ландэ, Янник; Тимохин, Виталий И. (2018). «Тридцать лет (TMS) 3 SiH: веха в радикальной синтетической химии». Химические обзоры . 118 (14): 6516–72. doi : 10.1021/acs.chemrev.8b00109 . ПМИД 29938502 . S2CID 49413857 .
- ^ Оттоссон, Хенрик; Стил, Патрик Г. (2006). «Силилены, силены и дисилены: новые реагенты на основе кремния для органического синтеза?». хим. Евро. Дж . 12 (6): 1576–85. дои : 10.1002/chem.200500429 . ПМИД 16138382 .
- ^ Гусельников, Л.Е.; Цветы, MC (1967). «Термическое разложение 1,1-диметил-1-силациклобутана и некоторые реакции нестабильного промежуточного продукта, содержащего двойную связь кремний-углерод». хим. Коммун. (Лондон) (17): 864–5. дои : 10.1039/C19670000864 .
- ^ Брук, Адриан Г.; Абдесакен, Ферейдон; Гутекунст, Бриджит; Гутекунст, Герхард; Каллури, Р. Кришна (1981). «Твердый силаэтен: выделение и характеристика». Дж. Хим. Соц., хим. Коммун. (4): 191–2. дои : 10.1039/C39810000191 .
- ^ Бейнс, Ким М. (2013). «Ручей Силенес: вдохновение для поколения». хим. Коммун . 49 (57): 6366–9. дои : 10.1039/C3CC42595A . ПМИД 23752786 .
- ^ Гау, Д.; Като, Т.; Саффон-Мерсерон, Н.; Де Козар, А.; Коссио, Ф.; Басейредо, А. (2010). «Синтез и структура стабилизированного основанием C-фосфино-Si-аминосилина». Angewandte Chemie, международное издание . 49 (37): 6585–8. дои : 10.1002/anie.201003616 . ПМИД 20677192 .
- ^ «Прямой синтез 2,5-дигалосилолов» (PDF) . Органические синтезы . 85 : 53–63. 2008. doi : 10.15227/orgsyn.085.0053 .
- ^ Обуи, Лоран; Жербье, Филипп; Хьюби, Нолвенн; Ванц, Гийом; Виньяу, Лоуренс; Хирш, Лайонел; Джано, Жан-Марк (2004). «Синтез новых дипиридилфениламиносилолов для высокоэмиссионных органических электролюминесцентных устройств». Нью Дж. Хим . 28 : 1086–90. дои : 10.1039/b405238b .
- ^ Диренберг, Сирик; Шакель, Мариус; де Кейзер, Адрианус HJF; Краненбург, Мирко; Лутц, Мартин; Спек, Энтони Л.; Ламмертсма, Куп (2002). «Пентаорганосиликаты тетраалкиламмония: первые высокостабильные силикаты с пятью углеводородными лигандами». хим. Коммун. 4 (4): 348–9. дои : 10.1039/b109816k . hdl : 1874/14327 . ПМИД 12120068 . S2CID 20937906 .
- ^ Павленко 2011 , с. 3.
- ^ Эльшенбройх, Кристоф (2006) [2005]. Металлоорганические соединения . Перевод Оливейры, Хосе; Эльшенбройх, Кристоф (3-е изд.). Уайли. стр. 240–244. ISBN 978-3-527-29390-2 .
- ^ Шмидтманн, Эрик С.; Острайх, Мартин (2006). «Механистическое понимание катализируемых медью аллильных замещений бис (триорганосилил) цинками. Энантиоспецифическое получение -хиральных силанов». хим. Коммун. (34): 3643–5. дои : 10.1039/b606589a . ПМИД 17047792 .
- ^ Путем изотопной десимметризации на подложке (замена водорода на дейтерий ) можно продемонстрировать, что реакция протекает не через симметричный π-аллильный интермедиат 5 , который давал бы равную смесь 3a и 3b , а через Π-δ интермедиат 4, что приводит к 3а , только посредством окислительного присоединения или восстановительного элиминирования. стадии
- ^ Хорошо, Джулия Д.; Кокс-Фостер, Диана Л.; Маллин, Кристофер А. (16 января 2017 г.). «Инертный пестицидный адъювант синергизирует патогенность вируса и смертность личинок медоносных пчел» . Научные отчеты . 7 : 40499. Бибкод : 2017NatSR...740499F . дои : 10.1038/srep40499 . ПМК 5238421 . ПМИД 28091574 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Магнуса Уолтера Избранные аспекты кремнийорганической химии
- Кремний в органическом синтезе
- С. Марсден (редактор): Современная кремнийорганическая химия. Тематическая серия в журнале органической химии Beilstein открытого доступа.