硅氧烷键(Me-O-Si)的形成与性质.doc

硅氧烷键(Si-O-Si)的形成与性质yd13607全文转载:杜作栋,有机硅化学,第七章207-自然界中有许多无机物如玻璃、石英、陶瓷等都含有Si-O-Si键，但没有有机基团，因此属于无机聚硅氧烷类。本章是讨论在硅原子上联有有机基团(R)的硅氧烷类化合物。这类化合物在有机硅化学中是精髓，无论是低分子物还是高分子物(特别是后者)都占有十分重要的地位。可以这样说，没有有机硅氧烷(Siloxane)或聚硅氧烷(polysiloxane)就没有现代有机硅工业。第一节有机硅氧烷类化合物的制备含硅氧烷链最少的化合物为二硅氧烷，其中只含有一个Si-O-Si链。更多的话，可以用(Si-O)nSi表示n2，3，4，称为三硅氧烷、四硅氧烷、多硅氧院成聚硅氧烷。硅氧烷键可以直链型、环型网状交链等形式存在。在制备时，由于使用的原料或反应条件的不同，所获得的多硅氧烷含有不同数量和类型的硅氧烷键。制备方法大致可分为两大类，即水解法和非水解法。水解法是指含硅官能基有机硅烷水解形成Si-O-Si键化合物的方法；非水解法是指含有相同官能基或不同官能基硅比合物之间通过相互缩合形成Si-O-Si键，以及某些含硅-碳键化合物，通过硅-碳键的断裂而形成Si-0-Si键的方法。一、水解硅官能有机硅烷这一制备方法与硅醇的制备方法有密切的关系，凡是不稳定的硅醇，都能缩合成硅氧烷化合物。硅官能有机硅烷的水解首先经过硅醇，因此硅醇是由硅官能有机硅烷经过水解法制备有机硅氧烷的中间体。几乎所有硅醇都有某种程度的自发地缩合成为硅氧烷的倾向。由此看来，水解是硅烷变成硅氧烷工序中小的一个特别重要的步骤。硅官能有机硅烷能水解以制取SiOSi化合物的大致有下列几种：Si-X(XF、C1、Br、I、CN、SCN等)；SiOR；SiOCOR；Si-N；Si-S；Si-H等。其中以Si-C1化合物水解最有实用意久，Si-OR次之，SiOCOR，Si-N，Si-H又次之。在此我们将详细地讨论一下Si-C1的水解。(一)有机硅烷的水解有机氯硅烷最简单的水解形式是将有机氯硅烷加入过量的水中进行反应。水的过量通常是使生成的盐酸浓度控制在不超过20%为宜。该反应由于生成的HCl溶于水而放热。盐酸溶液及生成的热都加速了中间体硅醇的自发缩合反应。因此其水解产物主要为硅氧烷如三甲基氯硅烷水解生成六甲基二硅氧烷：2(CH3)3SiCl+H2O(CH3)3SiOSi(CH3)3+2HCl二甲基二氯硅烷水解时，依操作方法和条件的不同，会生成各式各样的化合物，其中主要产物，包括20-50%的环型硅氧烷和80-50的线型聚二甲基硅氧烷-,-二醇。水解缩合过程大致如下由反应过程可以看出，水解反应所生成的R2S(OH)2或R2SiClOH在质子的作用下，或者各自缩合或者相互缩合，最后都能形成Si-O-Si键。在水解过程中，如果所用的水量不足，或者水量虽足，但反应条件十分温和，则所得产物其末端将含有氯原子。如二甲基二氯硅院的乙醚溶液，用二氧六环与水的混合物水解(1mo1氯硅烷用不到1mol水)，则生成聚硅氧烷组成如下：二烷基二氯硅烷的水解产物不仅随水用量的改变而有影响，而且与使用的酸碱助剂和溶剂的种类不同而有所改变。当用6mo1L HCl水溶液代替水进行水解肘，低聚的环型硅氧烷的含量可增加到大约70；相反，若用50-85%的H2SO4代替水来水解二甲基二氯硅烷时，仅产生含少量环体的高分子量的聚硅氧烷，原因是H2SO4对缩聚有促进作用。而当在碱存在下，水解二乙基二氯硅烷和二甲基二氯硅烷时，前者只能获得(C2H5)2Si-(OH)2而后者可以获得HOSi(CH3)2OSi(CH3)2OH。有些不易水解的氯硅烷，如CF3C6H4)3SiCl，只有在碱存在下才能水解，有些烃基氯硅烷由于Si-C键具有弱极性，在酸中易受亲电试剂进攻而不稳，在这种情况下，宜在碱中进行水解，如（CH3)3SiF，CH2=CH-CH2-SiC13等。过量的碱会加速水解时的缩合反应。因此，把有机卤硅烷加到过量的碱溶液中时，得到的基本上是高分子量的聚硅氧烷。原因是产生的盐有盐析作用，硅二醇浓度相对增加，有利于分子间缩合而成大分子。除直接用水解外，无机盐的水合物以及含水的SiO2等，亦可作为水的来源来水解氯硅院。如(CH3)2SiCl2用上述化合物水解时，产生的水解产物只含少量的低分子量硅氧烷，常压、200以下可蒸出的组分通常不到10%，其余皆为高分子量聚硅氧烷。常用无机盐水合物有：FeSO47H2O，CuSO45H2O，CuCl22H2O，Na2SO410H2O，Ca(NO3)26H2O等。水解时有否溶剂存在，对水解产物有很大的影响。有机溶剂大致可分为二类：一类是与水混溶的，如；另一类是不混溶或微溶的，如甲苯、二甲苯、二乙醚、二丁醚和三氯乙烯等。如氯硅烷在与水混溶的溶剂存在下水解时，一般说来，可得较高产率的环硅氧烷；同样在惰性的而不混溶于水的有机镕剂中水解，结果也一样，环体产量增加。这是因为它们既是有机氯硅烷的良溶剂，又是产物的良溶剂，因此一方面有机氯硅烷能充分稀释而水解，从而得到较好的分布；另一方面水解产物又能进入溶剂层而保护起来，不受酸的水溶液作用。这样带羟基封端的硅氧烷相被稀释，分子内缩合胜过分子间结合倾向，故环型化合物优先生成。当三官能基硅烷水解时，有无溶剂存在，对产物的结构影响更大。如甲基三氯硅烷在无溶剂下水解，得到的是高度交联的疑胶状或粉末状聚硅氧烷；若在水中加入惰性溶剂进行水解，则有利于分子内缩合，特别像含有大的有机基团如（CH3)3C-的RSiCl3在过量的乙醚中水解时，能产生低分子量的聚合物(RSiO1.6)4,其结构类似于六次甲基四胺：用醇类作为溶剂，由于它们与其它惰性溶剂不同，可以参与反应，所得结果也较特殊。可以单独使用它们，也可以与其它溶剂混合使用。(C2H5)2SiCl2在水和乙醇中水解，可生成较好收率的三元坏或四元环体。此外，应当特别指出，用水和醇水解由二、三或四氯硅烷的混合物时可得到高度交联、但仍可溶解的聚硅氧烷而无凝胶形成。其原因可能是由于氯硅烷在水与醇的混合物中同时发生醇解和水解，形成的SiOR水解较慢，阻碍了聚合物分子链的增长加入醇后,似乎拉平了不同硅烷水解速度的差异从而造成了均匀的共水解和共缩合的条件.假若有两种氯硅烷在一体系中进行共水解所得产物随原料结构而定,若两原料结构相似如R3SiCl，R3SiCl，则所得二硅氧烷有对称的，也有不对称的：若二者结构相差很大,如(CH3)3S1C1和Ph3SiCl，前者水解速度甚速，缩合也快,所以主要产物为对称的二硅氧婉。如要得较多的不对称二硅氧烷，则需多加Ph3SiCl。下列反应是制备一些不对称二硅氧烷的实例；不同卤硅烷对水解速度的影响顺序如下所以要想用共水解来制备共聚物时,一般说要求两种卤硅烷的结构相近，其水解速率也近似。水解方式不同,对水解产物也有影响。连续法进行水解时，将氯硅烷和水按计算量混合，此时反应体系pH较恒定，故反应比较均匀，形成的环体也较多；若用间歇法，即将氢硅烷加到水中，一直至反应结束,这样反应体系HCl浓度会逐渐增加。另一种方法，所谓逆水解方式，即把水加到氯硅烷中去,这样反应体系的HCl浓度很大，足以裂解一般的硅氧烷键。所以逆水解方式对于制备共聚物特别有利，如Me2SiCl2与Ph2SiC12在一起进行逆水解，即可得较高产率的共聚物。(二)其它硅官能有机硅烷的水解氯硅烷是工业上用直接法得到的产物，所以制备硅氧烷用这类物质较为经济。但有时由于各种原因，不得不用水解其它硅宫能有机硅烷的方法来制备硅氧烷。1烷氧基硅烷的水解此法本来是制取硅醇的好方法，因水解时，介质呈中性，S1-OH不易再缩合。在某些场合，如需要制备一些含有烷氧基的聚硅氧烷时，从烷氧基硅烷出发进行水解就较为方便。有些碳官能基不稳定的氯硅烷进行水解比也需先将氯原子换成烷氧基。水解方法与有机氯硅烷所用水解方法相似，只是要加入少量催化剂以加速水解与缩合反应。常用催化剂有盐酸、草酸乙酸、三氯乙酸等。若希望获得较多低分子量的环体，亦需在体系中加入情性溶剂。如从甲基三乙氧基硅烷在苯中完全水解的产物中，分离出了少量可升华的、低分子量的硅氧烷，其组成为(CH3)SiO1.56和(CH3)SiO1.58。水解甲基三正丁氧基硅烷和乙基三乙氧基硅烷亦得到类似的产物。如果水量不足，在聚合链中会有一部分烷氧基保留。如水解(CH3)3Si(OC2H5)2时，生成两端以C2H5O-封端的,-双(二甲基乙氧基硅氧基)聚二甲基硅氧烷：其中合硅原子最多可至11个。部分水解CH3Si(OC2H5)3时，同样可产生,-双(二甲基乙氧基硅氧基)聚甲基乙氧基硅氧烷：这一系列的化合物,己制出的有四种即n03.二、同官能缩合法以同宫能缩合反应制备SiOSi化合物有下列数种类型：在这四种反应中，以SiOH的组合最为重要。这在上章讲得很多了，在此处再补充一下形成环型硅氧烷的一些事例。Ph2Si(OH)2在乙醇中或乙酸中缩合能形成三环体(Ph2SiO)3，而在OH-催化下，却能形成四环体(Ph2SiO)4, Et2Si(OH)2在离子交换树脂催化剂下形成三环和四环的混合物在缩合过程中，除了生成环体外，尚有HO-SiR2O-nSiR2OH.乙酰氯能使Ph2Si(OH)3、HOSiPh2OSiPh2OH形成(Ph2SiO)4.烷氧基硅烷的均聚合，一般是在加热、加压下进行，并需有催化剂，如A1X3、BX3等存在。如二乙基二乙氧基硅烷在上述条件下缩合，能生成线型聚硅氧烷和环三硅氧烷。烷氧基硅烷缩合的催化剂，尚有有机酸及其酸酐，如二甲基二乙氧基硅烷与乙酸酐或乙酸在一起加热能形成环硅包烷，反应机理比较复玖中间可能经过杂缩合反应。乙酰氧基硅烷均聚合，是在较高温度下进行的，如二烃基二乙酰氧基硅烷热至200以上时，就有液体硅氧烷产生。(六)烷氧基硅烷与有机硅醇反应所用催化剂很多，如HCl，CF3C00H，CH3C6H4SO3H，C2H5ONa，Al(OR)3,SiONa,(RCOO)2Sn等。其它如：这种反应同样也是用来合成含不同聚硅氧烷链节的共聚物的。曾用此法制得甲基乙基，甲基丙基以及甲基苯基硅氧烷共聚物。而这种共聚物用共水解法是难以得到的。联结在硅原子上的羟基、甲氧基、乙氧基，借助于高级脂肪酸的锡化合物或别的催化剂的作用，能在室温下起反应，这一性质是若干室温硫化硅橡胶硫化的基础。(二)氨基代有机硅烷氨基代有机硅烷目前已发表的有上百种化合物，它们的制造方法很多，其中氨基取代的烃基有脂肪族、芳香族之众因而合成路线不尽相同。1.氨基代脂肪烃基硅烷具有实用意义的氨基代脂肪烃基硅烷是。-取代甲基型硅烷与-取代丙基型硅烷，其制备方法各有不同，现分别描述如下：(1)卤代烃基硅烷和胺或氨反应此反应特别适合于-氨基代甲基型硅烷偶联剂的制备。南京大学化学系在-取代甲基型硅烷偶联剂方面进行了很多研究工作与应用开发。南大-42，南大-73，南大-22等都是通过-氯化甲基硅烷的氨或胺解来制备的，例如：氯甲基硅烷与NH3反应，而且要得到伯胺为主的产物，则必须采用地量20倍的氨：三嗪氯中一个氯原子被有机硅基甲氧基取代，保留两个氯苯原子与织物反应，可以作透气防水雨衣：(CH3)3