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
|
|
|
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 |
Si—О—Si. |
Так же ведут себя и многие другие электроположительные |
элементы. |
Поэтому в молекулах элементоорганических полимеров содержатся элементоксановые связи Э—О—Э—О 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