Dimetildiklorosilan

Dimetildiklorosilan je tetraderična, organsko silicijeva spojina s formulo Si(CH₃)₂Cl₂. Pri sobni temperaturi je brezbarvna tekočina, ki zlahka reagira z vodo in tvori linearne in ciklične Si-O verige. Dimetildiklorosilan se industrijsko proizvaja kot glavni prekurzor dimetilsilikona in polisilanskih spojin.

Zgodovina

O prvih organsko silicijevih spojinah sta prvič poročala Charles Friedel in James Crafts leta 1863, ki sta iz dietilcinka in silicijevega tetraklorida sintetizirala tetraetilsilan.[1] Večji napredek v kemiji organsko silicijevih spojin je bil dosežen šele, ko je Frederick Kipping s svojimi študenti začel eksperimentirati z diorganodiklorosilani (R₂SiCl₂), ki so bili pripravljeni z reakcijo silicijevega tetraklorida z Grignardovimi reagenti. Za žalost je imela ta metoda veliko eksperimentalnih težav.[2] V tridesetih letih 20. stoletja se je povpraševanje po silikonih povečalo zaradi potrebe po boljših izolatorjih za električne motorje in tesnilnih materialih za letalske motorje, s tem pa tudi potreba po učinkovitejši sintezi dimetildiklorosilana. Da bi rešili ta problem, so družbe General Electric, Corning Glass Works in Dow Chemical Company sklenile partnerstvo, ki je na koncu preraslo v družbo Dow Corning Company. V letih 1941-1942 sta Eugene G. Rochow, kemik iz podjetja General Electric, in Richard Müller, ki sta neodvisno delala v Nemčiji, našla alternativno sintezo dimetildiklorosilana, ki je omogočila njegovo industrijsko proizvodnjo. V tridesetih letih 20. stoletja se je povpraševanje po silikonih povečalo zaradi potrebe po boljših izolatorjih za električne motorje in tesnilnih materialih za letalske motorje, s tem pa tudi potreba po učinkovitejši sintezi dimetildiklorosilana. in Richard Müller, ki sta neodvisno delala v Nemčiji, našla alternativno sintezo dimetildiklorosilana, ki je omogočila njegovo industrijsko proizvodnjo.[1] Ta neposredna sinteza ali neposredni postopek, ki se uporablja v današnji industriji, vključuje reakcijo elementarnega silicija z metilkloridom v prisotnosti bakrovega katalizatorja.

Priprava

Pri Rochowovi sintezi je metilklorid prehajal skozi segreto cev, napolnjeno z zmletim silicijem in bakrovim(I) kloridom.[2] Pri sedanji industrijski metodi se fino zmleti silicij nahaja v reaktorju s tekočim slojem pri približno 300 °C. Katalizator se uporablja kot Cu2O. Metilklorid se nato pretaka skozi reaktor, pri čemer nastaja predvsem dimetildiklorosilan. 2 CH₃Cl + Si → (CH₃Cl)₂SiCl₂ Mehanizem neposredne sinteze ni znan, vendar je bakrov katalizator bistvenega pomena za potek reakcije. Poleg dimetildiklorosilana so produkti te reakcije še CH₃SiCl₃, CH₃SiHCl₂ in (CH₃)₂SiCl, ki jih ločimo med seboj s frakcijsko destilacijo. Donosi in vrelišča teh produktov so prikazani v naslednji tabeli.[3] Spojina Donos (%) Vrelišče (°C) (CH₃)₂SiCl₂ 80–90 70.0 CH₃SiCl₃ 5–15 65.7 CH₃SiHCl₂ 3–5 40.7 (CH₃)₃SiCl 3–5 57.3

Glavne reakcije*

Dimetildiklorosilan hidrolizira in tvori linearne in ciklične silikone, spojine, ki vsebujejo Si-O ogrodje. Dolžina nastalega polimera je odvisna od koncentracije skupin, ki zaključujejo verigo in so dodane reakcijski zmesi. Hitrost reakcije je odvisna od prenosa reagentov prek fazne meje med vodno in organsko fazo, zato je reakcija najučinkovitejša v turbulentnih pogojih. Reakcijsko sredstvo lahko še dodatno spreminjamo, da bi povečali izkoristek določenega produkta. n(CH₃)₂SiCl₂ + nH₂O → [(CH₃)₂SiO]n + 2nHCl m(CH₃)₂SiCl₂ + (m+1)H₂O → HO[Si(CH₃)2O]mH + 2mHCl

Dimetildiklorosilan reagira z metanolom, pri čemer nastajajo dimetoksidimetilsilani.

(CH₃)₂SiCl₂ + 2CH₃OH → (CH₃)₂Si(OCH₃)₂ + 2HCl Čeprav je hidroliza dimetoksidimetilsilanov počasnejša, je ugodnejša, kadar je neželjen stranski produkt klorovodikova kislina:[3] n(CH₃)₂Si(OCH₃)₂ + nH₂O → [(CH₃)₂SiO]n + 2nCH₃OH

Ker se dimetildiklorosilan zlahka hidrolizira, se z njim ne sme ravnati na zraku. Ena od metod za
   	odpravo te težave je pretvorba v manj reaktiven bis(dimetilamino)silan.

(CH₃)₂SiCl₂ + 4HN(CH₃)₂ → (CH₃)₂Si[N(CH₃)₂]₂ + 2H₂N(CH₃)₂Cl Druga prednost pretvorbe dimetildiklorosilana v bis(dimetilamino)silan je, da v kombinaciji z disilanolnim komonomerom tvori natančno alternirajoč polimer. [4]

n(CH₃)₂Si[N(CH₃)₂]₂ + nHO(CH₂)₂SiRSi(CH₂)₂OH → [(CH₃)₂SiO(CH₂)₂SiRSi(CH₂)₂O]n + 2nHN(CH₃)₂

Kovinski natrij se lahko uporabi za polimerizacijo dimetildiklorosilana, pri čemer nastanejo polisilanske verige s Si-Si ogrodjem. Na primer, dodekametilcikloheksasilan se lahko pripravi na naslednji način:[5]

6 (CH₃)₂SiCl₂ + 12 M → ((CH₃)₂Si)₆ + 12 MCl Pri reakciji nastaneta tudi polidimetilsilan in dekametilpentasilan. Za prilagoditev lastnosti polimera lahko dodamo različne vrste prekurzorjev diklorosilana, kot je Ph₂SiCl₂[5] V organski sintezi se (skupaj s svojim bližnjim sorodnikom difenildiklorosilanom) uporablja kot zaščitna skupina za gem-diole.

Uporaba

Glavni namen dimetildiklorosilana je uporaba v sintezi silikonov, industrija, ki je bila leta 2005 ocenjena na več kot 10 milijard dolarjev na leto. Uporablja se tudi pri proizvodnji polisilanov, ki so prekurzorji silicijevega karbida.[3] V praksi se lahko diklorodimetilsilan uporablja kot premaz na steklu, da se prepreči adsorpcija mikrodelcev.[6]

Viri in literatura

1. H. Sakurai: Silicon, Organosilicon Chemistry. Encyclopedia of Inorganic Chemistry, 2. izdaja. New Jersey, Wiley 2005.
2. E. G. Rochow, W. S. Tatlock: Dimethyldichlorosilane, Inorg. Synth. 1950, 3, str. 56–58.
3. A. Mitra, D. A. Atwood: Polysiloxanes and Polysilanes, Encyclopedia of Inorganic Chemistry Online, 2. izdaja. New Jersey, Wiley 2005.
4. U. Lauter, S. W. Kantor, K. Schmidt-Rohr, W. J. MacKnight: Vinyl-Substituted Silphenylene Siloxane Copolymers: Novel High-Temperature Elastomers, Macromolecules. 1999, 32, str. 3426-3431.
5. R. West, L. Brough, W. Wojnowski: Dodecamethylcyclohexasilane, Inorganic Syntheses. 1979, 19, str. 265–268.
6. H. Monjushiro, M. Hatta, H. Watari: Size sorting of biological micro-particles by Newton-ring nano-gap device, Journal of Chromatography A. 2005, 1106, str. 205-210.