Файл: Андрианов К.А. Технология элементоорганических мономеров и полимеров учеб. пособие.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 173

Скачиваний: 6

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

 

 

 

Общие сведения

об

элементоорганических

соединениях

 

 

13

Таблица

1. Электроотрицательность (х)

элементов

по шкале

Полинга

 

 

Р о u l i n g

L . T h e Nature

of

the

C h e m i c a l Bon d

and

Structure of

Molecules

and

C r y s t a l s ,

3-rd

ed. C o r n e l l

U n i v .

Press,

I t h a r a ,

N . - Y . ,

i 9 6 0 .

 

 

 

 

 

 

 

L i

Be

В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

N

О

F

1,0

1,5

2,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,5

3,0

3,5

4,0

Na

Mg

A l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Si

P

S

C l

0,9

1,2

1,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,8

2,1

2,5

3,0

К

C a

Se

T i

V

Cr

 

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

0,8

1,0

1,3

1,5

1,6

1,6

 

1,5

1,8

1,8

1,8

1,8

1,9

1,6

1,8

2,0

2,4

2,8

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

 

Te

R u

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

 

1,9

2,2

2,2

2,2

1,9

1,7

1,7

1,8

1,9

2,1

2,5

Cs

Ba

L a -

Hf

Ta

W

 

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

T l

Pb

Bi

Po

At

0,8

0,9

L u

1,3

1,5

1,7

 

1,9

2,2

2,2

2,2

2,4

1,9

1,8

1,8

1,9

2,0

2,2

1,1 -

 

 

 

1,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F r R a Ac Th Pa U N p -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,5

 

 

No

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,8

0,9

1,1

1,3

1,7

 

1,3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П р и м е ч а н и е . Э л е к т р о о т р и ц а т е л ь н о с т ь э л е м е н т а м о ж е т с у щ е с т в е н н ы м о б р а з о м м е ­ н я т ь с я в з а в и с и м о с т и о т в и д а и ч и с л а п р и с о е д и н е н н ы х к н е м у г р у п п и л и а т о м о в .

В—В, Si—Si, P—P, As—As и другие менее стабильны, чем связь С—С. Сравнение энергии связей таких элементов, как кремний, бор, фосфор, с энергией связей углерода подтверждает эти положения (табл. 2).

Таблица 2.

Энергия

химических

связей

кремния,

бора,

фосфора и

углерода

с различными

элементами

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C o t t r e l l

Т . ,

T h e

Strength

of C h e m i c a l Bonds . 2~nd ed.

 

Butterwort h

Publishers,

L o n d o n ,

1958.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Э н е р г и я с в я з и ,

 

 

 

 

 

 

Э н е р г и я с в я з и ,

Э л е м е н т

 

 

 

кп ал/моль

 

Э л е м е н т

 

 

 

ккал/молъ

*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Si

в

Р

с

 

 

 

 

 

 

Si

в

р

с

С

 

 

 

76

70

65*

83

О

 

 

 

 

 

108

113

86*

86

Si

 

 

53

—.

76

F

 

 

 

 

 

135

139 117*

111

В

 

 

 

—,

69

—.

70

C l

 

 

 

 

91

94

78

81

P

 

 

 

—,

—.

48

65*

Br

 

 

 

 

74

74

63

68

H

 

 

 

76

77

99

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• H a r t l e y s .

В . , H o l m e s

W ,

S. et

a l . , Q u a r t .

R e v . ,

17,

204

(1963).

 

 

Как

видно

из

табл.

2,

наименьшая

энергия

у

связей

Р—Р

(48 ккал/молъ),

Si—Si (53

ккал/молъ)

и В—В (69

ккал/молъ),

кото­

рые поэтому более склонны к термическому

разрыву, чем связи

Р—С (65

ккал/молъ),

Si—С (76 ккал/молъ),

 

В—С (70

ккал/молъ) и

С—С (83

ккал/молъ).

Еще

большей

энергией

обладают связи

Р—О

(86 ккал/молъ),

 

Si—О (108

ккал/молъ)

и

В—О (113

ккал/молъ),


14

Ч. I, Общие

сведения об алементоорганических соединениях

поэтому большинство важнейших

элементоорганических олигомеров

и полимеров, нашедших практическое применение,

характеризуется

именно

наличием

силоксановых,

алюмоксановых,

титансилокса-

новых

и подобных

группировок атомов в молекулярных цепях.

2. Склонность к реакциям конденсации, ведущим к образованию элементоксановых связей. Бор, алюминий, кремний, титан и неко­ торые другие элементы имеют склонность образовывать высокомо­

лекулярные соединения с элементоксановыми связями

в цепи.

В таких соединениях чередуются атомы этих элементов и

кислорода

• • • - Э - О - Э - 0

что позволяет осуществить синтез полимеров с неорганическими

цепями молекул.

 

3.

Неспособность

электроположительных элементов ( A I , В, Si

и др.)

образовывать

стабильные к окислению гомоцепные молекулы.

Как уже отмечалось, электроположительные элементы обладают большим сродством к кислороду, и поэтому, например, гомоцепные

соединения кремния в присутствии кислорода воздуха

переходят

из соединений со связями Si—Si в соединения со связями

SiОSi.

Так же ведут себя и многие другие электроположительные

элементы.

Поэтому в молекулах элементоорганических полимеров содержатся элементоксановые связи Э—О—ЭО и другие связи, где чередуются

элементы с

положительной

и отрицательной

поляризацией.

4. Неспособность

электроположительных элементов образовывать

двойные или

тройные

связи

с любыми другими

элементами. До на­

стоящего времени не получены непредельные соединения общей

формулы R„9 = 0

и R „ 9 = 3 R „ , способные полимеризоваться за счет

двойных связей,

как это происходит при синтезе органических

гомо- и гетероцепных полимеров. Это свидетельствует о том, что

электроположительные элементы, в отличие от углерода,

по-видимо­

му, не способны образовывать стабильные соединения с

двойными

и тройными

связями.

 

 

Как известно, органические соединения, содержащие

две

гидр-

оксильные

группы у одного атома углерода, встречаются

редко;

более электроположительные элементы, напротив, способны удер­ живать не только две, но даже три гидроксильные группы. При попытке получить органические соединения с двумя гидроксильными группами они обычно отщепляют молекулу воды и образуют альде­ гиды или кетоны. Ди - и триоксипроизводные электроположительных элементов к подобному превращению не способны (из-за невозмож­ ности образования двойной связи у атомов этих элементов) *, вслед­ ствие чего элементоорганическая химия не знает соединений, анало­ гичных органическим альдегидам и кетонам.

* Б 1952 г. К. А. Андрианов и H . Н . Соколов масс-спектро- графическим методом доказали возможность существования крайне нестабиль­ ных диалкилоксисиланов R 2 S i = 0 [ДАН СССР, 82, 909 (1952)].


Общие сведения об .элементоорганических соединениях 15

Таким образом, в отличие от органической химии, где кратная связь р%—рѵ имеет огромное значение для синтеза органических высокомолекулярных соединений многих классов, в химии элементоорганических соединений такие связи могут участвовать в образо­ вании макромолекул только в том случае, если они входят в состав групп, обрамляющих элементоорганическую цепь. Во всех других случаях, особенно для элементоорганических макромолекул с не­

органическими

цепями,

кратные

связи в реакциях не участвуют

(в элементоорганической

химии

соединения

с кратными

связями

Э = Э вообще

не получены). Вместе с тем, в отличие от соединений

углерода, для соединений многих

электроположительных

элементов

существенную роль играет ковалентная связь

dK—р%, когда атомы

электроположительных элементов

(Si, В, A l , Р) являются

акцепто­

рами электронов из-за наличия свободных орбиталей. В кремнийорганических соединениях, например, такая связь возможна между атомами кремния и кислорода (или галогена, азота и углерода ароматического ядра). Указанные отличия элементоорганических соединений и предопределяют специфику их химических свойств.

Перспективы развития химии и технологии элементоорганических полимеров

Для развития народного хозяйства требуется рост производства разнообразных материалов, необходимых в машиностроении, строительстве, быту и т. д. Исходными веществами являются синте­ тические элементоорганические высокомолекулярные соединения, используемые в производстве пластических масс, электроизолиру­ ющих, лакокрасочных, смазочных и строительных материалов. Сейчас трудно найти отрасль народного хозяйства, в которой не применялись бы эти соединения, причем производство элементоор­ ганических олигомеров и полимеров все время увеличивается. Они сочетают ценные технические качества с удобными и высокопро­ изводительными методами переработки в материалы и изделия самой различной формы и габаритов, и это обеспечивает элементоорганическим олигомерам и полимерам большое будущее.

Карбоцепные высокомолекулярные соединения (цепи молекул которых построены только из атомов С) являются обычно недоста­ точно тепло- и атмосферостойкими, поэтому химики-синтетики всегда стремились к поискам новых, более тепло- и атмосферостойких полимеров. Это стремление и явилось одной из причин появления других высокомолекулярных соединений, цепи которых состоят, в частности, из атомов кремния и кислорода.

Исследования в области термостойких элементоорганических полимеров представляют большой интерес для создания неметалли­ ческих материалов, сохраняющих свои свойства стабильными в те­ чение длительного времени и при повышенных температурах. Среди


16 Ч. I. Общие сведения об элементоорганических соединениях

неметаллических синтетических материалов исключительно инте­ ресными и перспективными являются армированные волокнами пластики, особенно стеклопластики. В них сочетаются высокие механические показатели с комплексом других ценных свойств, кроме того, для стеклопластиков характерна неизменяемость их свойств во времени и в сравнительно широком диапазоне температур. Не менее важное значение приобретает и проблема создания него­ рючих пластиков, в связи с чем возникают определенные трудности

в выборе подходящих для этого полимеров.

 

 

Большой интерес для получения

теплостойких стеклопластиков

представляют полиорганосилоксаны

с разветвленной, лестничной

и

спироциклической' структурой

молекул

 

 

 

 

R

 

R

R

R

 

R

О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

I

 

 

 

 

 

 

_ S i - 0 - S i - O -

f

 

I

 

Si

 

I

I

0

 

о

 

 

 

 

 

 

0

о

1

.

I

 

 

 

1

I

 

 

 

o - s i - o /

 

 

— Si —

R

 

R

 

 

 

 

/

\

 

 

 

 

 

 

R

R

или полимеры, являющиеся сочетаниями этих структур.

 

Термостойкость полимеров

зависит от структуры

макромолекул,

а

термоокислительная

стабильность

и негорючесть — от типа об­

рамляющих цепи органических групп. Поэтому очень важно сочетать в молекуле полимера оптимальную частоту сетки и подходящие

боковые группы. В этом случае наибольший эффект можно

ожидать

от полиорганосилоксанов указанных выше

структур с метальными

и фенильными обрамляющими группами.

Хотя метальные

группы

окисляются легче, чем фенильные, при их замещении кислородом потери полимера незначительны.

В последнее время разрабатываются новые термостойкие поли­ меры для стеклопластиков — синтезируются блоки с лестничными цепями молекул, содержащими функциональные группы, которые реагируют между собой и образуют сшитые полимеры из блоков с лестничной структурой. Блоки с лестничной и спироциклической структурой молекул могут полимеризоваться без выделения летучих веществ и, следовательно, обеспечить контактное формование стеклопластиков. Такие полимеры при относительно небольшом

числе сшивок

имеют в своем составе блоки

с лестничной структурой

и обладают высокой жесткостью цепей и

поэтому

очень высокой

температурой

стеклования.

 

 

Полиорганосилоксаны с разветвленной, сшитой и

циклолинейной

структурой представляют исключительно большой интерес для создания конструкционных слоистых пластиков, работающих в ши-


Общие сведения об алементоорганических соединениях 17

роком интервале температур. Полиорганосилоксаны или полититанорганосилоксаны с резко выраженной сетчатой • структурой или с лестничной структурой разветвленного строения (получаемые из блоков циклических и спироциклических олигомеров, способных полимеризоваться без выделения летучих веществ) особенно инте­ ресны для изготовления изделий методом контактного формования. Они позволят получать материалы с очень высокой теплостой­ костью. Все это потребует дальнейшего развития методов синтеза

олигомеров

и

их превращения

в полимеры заданной структуры,

с тем чтобы разработать научные

основы создания неметаллических

материалов

с

заданными свойствами.

Выпускаемые в настоящее время промышленностью полимерные кремнийорганические соединения применяются в качестве самых различных жаро- и морозостойких материалов, масел и смазок, пригодных для работы в весьма широких интервалах температур. В настоящее время освоено производство более 200 различных полимеров, электроизоляционных и жаростойких лаков, эмалей, жидкостей, масел, смазок, этилсшшкатов и т. д. Специфические свойства полимерных кремнийорганических соединений обеспечили их применение (а порой и незаменимость) в самых различных областях. Типичным примером, иллюстрирующим прогресс техники, обус­ ловленный внедрением кремнийорганических материалов, является точное литье. Один из наиболее простых кремнийорганических продуктов — этилсиликат — позволяет при отливке изделий из металла точно воспроизводить заданные размеры, без последующей механической обработки. Элементоорганические олигомеры и поли­ меры настойчиво и заслуженно завоевывают все новые и новые позиции..Они не только находят широкое распространение в произ­ водстве многих необходимых для жизни человека материалов (ткани( , синтетический мех, искусственная кожа), но и вносят в эти материалы новые черты — долговечность, малую сминаемость и др.

Химия синтетических элементоорганических полимеров — мо­ лодая наука, она пока не смогла охватить широкие горизонты (кото­ рые она уже частично открыла), но ей много предстоит открыть в будущем. Возможности науки в области химии элементоорганиче­ ских полимеров, а, следовательно, и в развитии их производства, поистине неограниченны. Если вначале синтетические полимеры появились как результат подражания природным соединениям и для их замены, то сейчас есть много таких полимеров, которые являются творчеством ученых и инженеров и не имеют себе аналогов

вприроде.

Кнастоящему времени в области изучения химии элементоор­ ганических олигомеров и высокомолекулярных соединений значи­ тельные успехи достигнуты пока лишь для молекул линейного

строения. Что же касается такой весьма перспективной области, как химия элементоорганических макромолекул с лестничной,

6лоди#^^а СССР

Э К З Е М П Л Я Р