矽氧烷
矽氧烷（siloxane）是以矽-氧-矽鍵為骨架的一類化合物。這類的H(OSiH2)nOH母體（鏈矽氧烷），或者是環狀的(OSiH2)n的衍生物（環矽氧烷）。[1]含有單個矽原子的官能團R3Si-O-則稱烷氧矽基（siloxy）。
結構
[編輯]四配位的矽原子取四面體結構，Si–O鍵鍵長為1.64 Å（相比Si–C鍵長短得多，後者為1.92 Å）。Si–O–Si鍵鍵角為142.5°。[2]作為比較，醚類中的碳氧鍵鍵長為1.414(2) Å，C–O–C鍵角為111°。[3]由於鍵長更長，鍵角更大，矽氧烷骨架中Si–O鍵旋轉的位阻要比醚類小。這種特性導致矽氧烷玻璃化轉變溫度低等性質。
合成
[編輯]矽氧烷主要通過矽烷醇的脫水縮合製備：
- 2 R3Si–OH → R3Si–O–SiR3 + H2O
而矽烷醇通常是氯矽烷原位水解得到的。雙分子矽烷醇脫水得到含兩個矽的R2Si(OH)2，進一步脫水，能得到長鏈產物：
- n R2Si(OH)2 → H(R2SiO)nOH + n−1 H2O
或環狀產物：
- n R2Si(OH)2 → (R2SiO)n + n H2O
三矽烷醇的脫水縮合可得到籠形結構的矽氧烷，通式為(RSi)nO3n/2。立方體的n = 8（類似於立方烷）；六方柱的n = 12。[4]
反應
[編輯]有機矽氧烷完全氧化得二氧化矽。例如六甲基環三矽氧烷的燃燒反應：
- ((CH3)2SiO)3 + 12 O2 → 3 SiO2 + 6 CO2 + 9 H2O
強鹼作用下矽氧鍵斷裂水解，得到矽烷醇的共軛鹼：
- ((CH3)3Si)2O + 2 NaOH → 2 (CH3)3SiONa + H2O
此反應也被用於製造矽烷醇。以及將環狀矽氧烷轉化為鏈狀。[5]
命名
[編輯]
矽氧烷有一套縮寫符號，基於組成分子的不同基團： M-基團：(CH3)3SiO0.5, D-基團：(CH3)2SiO, T-基團：(CH3)SiO1.5。
| 環矽氧烷 (甲基環矽氧烷) | CAS | 鏈矽氧烷 | CAS |
|---|---|---|---|
| L2, MM：六甲基二矽氧烷 | 107-46-0 | ||
| D3：六甲基環三矽氧烷 | 541-05-9 | L3, MDM：八甲基三矽氧烷 | 107-51-7 |
| D4：八甲基環四矽氧烷 | 556-67-2 | L4, MD2M：十甲基四矽氧烷 | 141-62-8 |
| D5：十甲基環五矽氧烷 | 541-02-6 | L5, MD3M：十二甲基五矽氧烷 | 141-63-9 |
| D6：十二甲基環六矽氧烷 | 540-97-6 | L6, MD4M：十四甲基六矽氧烷 | 107-52-8 |
應用
[編輯]鏈狀矽氧烷具有高粘度和不揮發的性質，低化學活性，並且絕緣。用於填縫劑、潤滑劑等。
甲基環矽氧烷為(-O-Si(CH3)2-)單元構成的環狀化合物，具有低粘度和高揮發性，用於清潔劑，[6] 以及化妝品的使用。[7]環矽氧烷的生物降解產生矽烷醇。[8]
安全性
[編輯]矽氧烷被廣泛用於醫療和化妝品，因此有諸多實驗驗證其安全性。實驗顯示LD50>50 g/kg，近似認為無毒。[9]然而矽氧烷可能對水生動物具有毒性。[10][11]有報告稱甲基環矽氧烷L4和L5會在水生動物體內累積。[12]然而，不同的實驗室研究得到項目矛盾的結果，其環境安全性仍不甚明確。[13]
在歐盟，D4和D5被認定具有毒性而受到REACH法案管制。加拿大將D4納入治污的規範。[10]而加拿大的一項2011年的報告則稱「未發現環矽氧烷D5對環境的危害」。[14]
參考資料
[編輯]- ^ Siloxanes （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, IUPAC Gold Book
- ^ H. Steinfink, B. Post and I. Fankuchen "The crystal structure of octamethyl cyclotetrasiloxane" Acta Crystallogr. 1955, vol. 8, 420-424. doi:10.1107/S0365110X55001333
- ^ "Dichlorosilane–dimethyl ether aggregation: a new motif in halosilane adduct formation" K. Vojinović, U. Losehand, N. W. Mitzel Dalton Trans., 2004, 2578-2581. doi:10.1039/B405684A
- ^ S. D. Kinrade, J. C. H. Donovan, A. S. Schach and C. T. G. Knight (2002), Two substituted cubic octameric silicate cages in aqueous solution. J. Chem. Soc., Dalton Trans., 1250 - 1252. doi:10.1039/b107758a
- ^ Röshe, L.; John, P.; Reitmeier, R. "Organic Silicon Compounds" Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. John Wiley and Sons: San Francisco, 2003. doi:10.1002/14356007.a24_021.
- ^ Barbara Kanegsberg; Edward Kanegsberg. Handbook for Critical Cleaning: Cleaning agents and systems. CRC. 2011: 19. ISBN 978-1-4398-2827-4.
- ^ Amarjit Sahota. Sustainability: how the cosmetics industry is greening up. Wiley. 25 November 2013: 208. ISBN 978-1-118-67650-9.
- ^ S. Varaprath, K. L. Salyers, K. P. Plotzke and S. Nanavati "Identification of Metabolites of Octamethylcyclotetrasiloxane (D4) in Rat Urine" Drug Metab Dispos 1999, 27, 1267-1273.
- ^ Moretto, Hans-Heinrich; Schulze, Manfred; Wagner, Gebhard. Silicones. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. 2005. doi:10.1002/14356007.a24_057.
- ^ 10.0 10.1 Karpus, Jennifer. Exec: Silicone industry must focus on safety, environment. Rubber & Plastic News. 20 June 2014 [8 April 2015]. （原始內容存檔於2017-09-06）.
- ^ Bienkowski, Brian. Chemicals from Personal Care Products Pervasive in Chicago Air. Scientific American. 30 April 2013 [8 April 2015]. （原始內容存檔於2015-06-20）.
- ^ Wang, De-Gao; Norwood, Warren; Alaee, Mehran; Byer, Jonatan D.; Brimble, Samantha. Review of recent advances in research on the toxicity, detection, occurrence and fate of cyclic volatile methyl siloxanes in the environment. Chemosphere. October 2013, 93 (5): 711–725. doi:10.1016/j.chemosphere.2012.10.041.
- ^ "Siloxanes: Soft, shiny -- and dangerous?" by Christine Solbakken, Science Nordic, August 28, 2015. Retrieved May 31, 2016. [2017-02-17]. （原始內容存檔於2017-01-13）.
- ^ Report of the Board of Review for Decamethylcyclopentasiloxane (Siloxane D5) established under Section 333(1) of the Canadian Environmental Protection Act of 1999, October 20, 2011 (PDF). [2017-02-17]. （原始內容存檔 (PDF)於2016-08-04）.