第二章 有机硅化合物的基本性质

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酸类 CH3COOH Me3SiCH2COOH PhMe2SiCOOH Me3SiOSiC3H6COOH Ka×105 1.75 0.60 0.54 0.60 酸类 CH3CH2COOH Me3CCH2COOH Me3SiC2H4COOH Ka×105 1.32 1.00 1.24
键角
Si-O-Si键角的预计值是 键角的预计值是110°左右,但实验结果却表明, 键角的预计值是 °左右,但实验结果却表明, 硅氧烷中氧的键角趋向于接近130°或更高些。对硅化合物 硅氧烷中氧的键角趋向于接近 °或更高些。 H3Si-O-SiH3的振动光谱分析表明,它有一个线性结构,更 的振动光谱分析表明,它有一个线性结构, 确切地说,其键角是 确切地说,其键角是154±4°。 ± ° 由于氧原子上的p 电子进入了硅的空的3d轨道 轨道, 由于氧原子上的 电子进入了硅的空的 轨道,形成 配键, 键带有部分双键性质, 了dπ-pπ配键,以致使 配键 以致使Si-O键带有部分双键性质,这就阐 键带有部分双键性质 明了键角的偏离。 明了键角的偏离。
碳和硅元素性质的比较
项目 原子半径,nm 第一电离能,kJ/mol 电负性 金属性 价键 原子价键 配位数 C 0.0914 1090 2.5 非金属性 4 4 C-H、C-O、C-F、C-N等 C=C、C=N、C=O等 C≡C、C≡N Si 0.1176 791.0 1.8 金属性 4 1,2,4,5,6,10 Si-C、Si-F、Si-O、Si-N等 Si=Si、Si=C、Si=N等 Si≡Si
Me3Si-取代脂肪羧酸的有机基团的氢后,羧基中氧与氢 取代脂肪羧酸的有机基团的氢后, 取代脂肪羧酸的有机基团的氢后 之间的电子对将偏向于氢,使氢不易质子化, 之间的电子对将偏向于氢,使氢不易质子化,而导致酸性 下降。 下降。 Me3Si-对酸类(在25℃下)表观电离常数的影响 对酸类( 对酸类 ℃
Si-Y、C-Y原子间距离 、 原子间距离
键 实测值(Å) 共价半径和 (Å) C-C C-Si Si-Si C-O Si-O Si-F Si-Cl 1.54 1.86~1.90 2.34 1.42 1.62~1.66 1.54~1.59 1.99~2.09 1.54 1.94 2.34 1.43 1.91 1.89 2.16 Schomarke-Stevenson式计算 值 1.54 1.88 2.34 1.42 1.76 1.69 2.05
硅键的离子化键能( 硅键的离子化键能(kJ/mol) )
键 Si-C Si-H Si-O Si-F 键能 932.6 1045.2 1014.2 933.3 键 Si-Cl Si-Br Si-I Si-S 键能 796.2 748.9 700.4 806.2
Si-F键的共价键能虽然很大,但实际上硅氟化合物很活泼。 Si- 键的共价键能虽然很大,但实际上硅氟化合物很活泼。 因为在Si 键中含有较多成分的离子键, Si因为在Si-F键中含有较多成分的离子键,而离子键能又不 是很大。又例如,Si- 键共价键能比Si Cl键小 Si- 键小, 是很大 。 又例如 , Si-H 键共价键能比 Si-Cl键小 , 但在与 醇等物作用时,Si-Cl键比Si- 键活泼。 键比Si 水 , 醇等物作用时 , Si-Cl键比 Si-H键活泼 。 这是因为这 类反应都是离子反应, Si- 键的离子化键能远较Si Si类反应都是离子反应 , 而 Si-H 键的离子化键能远较 Si-Cl 键大。但在自由基反应中,Si- 键就要比Si Cl键活泼 Si- 键活泼。 键大。但在自由基反应中,Si-H键就要比Si-Cl键活泼。
+
H2Si
Cl
从而使偶极矩数据下降。 , 从而使偶极矩数据下降。
键能与热稳定性
共价键能愈大,热稳定性愈大。 C-C键能比 键能比C-Si键能大, 键能大, 键能比 键能大 但四甲基硅烷(Me4Si)的热稳定性比新戊烷 的热稳定性比新戊烷(Me4C)大得多, 大得多, 但四甲基硅烷 的热稳定性比新戊烷 大得多 其原因就是因为在四甲基硅烷中存在着dπ-pπ配键。而碳 配键。 其原因就是因为在四甲基硅烷中存在着 配键 没有d轨道,不能成为生成 配键的电子接受体, 没有 轨道,不能成为生成dπ-pπ配键的电子接受体,因此 轨道 配键的电子接受体 新戊烷中不可能有这样的配键。 新戊烷中不可能有这样的配键。
pπ-pπ键 键
dπ-pπ键 键
硅核外有五个空的d轨道,在一定条件下可以得以利用。 硅核外有五个空的 轨道,在一定条件下可以得以利用。 轨道 如果与硅相联的原子或基团有未成键p电子对时(如卤素、 如果与硅相联的原子或基团有未成键 电子对时(如卤素、 电子对时 氧、羟基、氨基等),很有可能进占硅的空d轨道,形成 羟基、氨基等),很有可能进占硅的空 轨道 ),很有可能进占硅的空 轨道, dπ-pπ配键。 配键。 配键
硅键
3来自百度文库4-242
Si
188.3
334-242
H
303.8 413.3
O
422.5 344.4
F
560.6 426.7
Cl
368.2
Br
295.8
I
221.7
碳键 344.4
327.6
278.6
218
Si- 键强, C—C键比Si-Si键强,这是因为在同族元素中,共价键结合力 C键比Si Si键强 这是因为在同族元素中, 随原子量的增加而减弱。Si-Si键很容易破裂,除Si-F键外,以 随原子量的增加而减弱。Si-Si键很容易破裂, Si- 键外, 键很容易破裂 Si- 键最为最牢固。所以在硅化合物中,这种键最为普遍。 Si-O键最为最牢固。所以在硅化合物中,这种键最为普遍。
氯硅烷类与相应的氯甲烷的偶极矩比较
硅化物 H3SiCl SiH2Cl2 SiHCl3 偶极矩(D) 1.28 1.17 0.85 碳化物 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 偶极矩(D) 1.87 1.56 1.00
是由于氯原子的p电子进入硅的 空轨道,形成dπ-pπ 是由于氯原子的 电子进入硅的3d空轨道,形成 电子进入硅的 空轨道 配键, 配键, 结构为
第二章 有机硅化合物的基本性质
第一节 硅原子的结构与性质
一、硅的原子结构
硅和碳同属Ⅳ主族,但硅有 个电子 分成三层排列, 个电子, 硅和碳同属Ⅳ主族,但硅有14个电子,分成三层排列,碳 有6个电子,分二层排列。 个电子,分二层排列。 个电子
Si: 1s C: 1s 2s 2p 2s 2p 3s 3p 3d
硅的电负性较小,构成共价键时, 硅的电负性较小,构成共价键时,共享电子对偏向于电负性 较大的元素。因此,当形成Si Si—Y 较大的元素。因此,当形成Si Y时,这些共价键具有一定的离 子化成分,倾向于Si 的极化形式, 子化成分,倾向于Siδ+一Yδ-的极化形式,这就是很多有机硅化 合物既能进行自由基型反应,又能进行离子型反应的原因。 合物既能进行自由基型反应,又能进行离子型反应的原因。
偶极矩
偶极矩是指分子中正电中心和负电中心间的距离(偶极长) 偶极矩是指分子中正电中心和负电中心间的距离(偶极长) 是指分子中正电中心和负电中心间的距离 与正电荷或负电荷的电量的乘积,其单位为 ( 德拜)。 )。表 与正电荷或负电荷的电量的乘积,其单位为D( 德拜)。表 示分子极性的大小。 示分子极性的大小。 硅的电负性比碳小, 硅的电负性比碳小,按常规推测各种氯硅烷的偶极矩应 当比相应的氯甲烷大,但实际结果却相反。 当比相应的氯甲烷大,但实际结果却相反。
Me3Si-对胺类(25℃下)的表观电离常数的影响 对胺类( ℃ 对胺类
胺类 CH3NH2 Me3SiCH2NH2 CH3CH2NH2 Me3SiC2H4NH2 Kb×104 5.1 9.1 5.6 9.7 胺类 CH3CH2CH2NH2 Me3SiC3H6NH2 (Me3SiCH2)2NH Me3CCH2NH2 Kb×104 4.9 5.6 25.0 1.6
H3Si
+
O SiH3
H3Si
.. O SiH3 ..
H3Si
O SiH3
+
键角测定值
化合物 Si-O-Si Me3Si-O-SiMe3 (Me2SiO)3 (Me2SiO)4 H3Si-O-SiH3 Cl3Si-O-SiCl3 130±10° 125±5° 142.5° 154±4° 175±4° 键角 O-Si-O -----— 115±5° 109° — — C-Si-C 111±4° — 106° — —
共价键的反应类型
均裂
1、取代反应 、 2、加成反应 、 3、消除反应 、 4、氧化还原反应 、
异裂
硅的电负性较小,非金属性比碳弱,因此, 硅的电负性较小,非金属性比碳弱,因此,在与各种非金属 元素成键时,硅键应当比相应的碳键强(见表2) 2)。 元素成键时,硅键应当比相应的碳键强(见表2)。 某些硅键和碳键的键能( 某些硅键和碳键的键能(kJ/mol) C
单键 双键 键型 三键
硅的电负性、键能与离子键特性
原子的电负性是指原子在分子中吸引电子的能力, 原子的电负性是指原子在分子中吸引电子的能力,是元素的一种 基本性质。它可以用来比较各种原于形成负离子或正离于的倾向。 基本性质。它可以用来比较各种原于形成负离子或正离于的倾向。 某些常见元素的电负性 Si 1.8 F O Cl N Br C S I H 4.0 3.5 3.0 3.0 2.8 2.5 2.5 2.4 2.1
二、dπ-pπ配键 配键
什么是dπ-pπ配键? 配键? 什么是 配键 在形成π键时,通常由两个成键原子各提供一个 电子 电子, 在形成 键时,通常由两个成键原子各提供一个p电子, 键时 形成pπ-pπ键。但当一个原子的p轨道与另一个原子的 轨 键 但当一个原子的 轨道与另一个原子的 轨道与另一个原子的d轨 形成 道侧面交盖成π轨道时,形成 道侧面交盖成 轨道时,形成dπ-pπ键。 轨道时 键
dπ-pπ配键存在的证据 配键存在的证据 配键 键长
有机硅化合物的共价键,总带有一定的离子键成分, 有机硅化合物的共价键,总带有一定的离子键成分,这 种极化作用产生的吸引力将影响成键的两个原子的核间距离, 种极化作用产生的吸引力将影响成键的两个原子的核间距离, 而反映在共价键键长的缩短上。但是,在许多有机硅化合物 而反映在共价键键长的缩短上。但是, 中,即使考虑到这种由于键合原子的电负性差异而引起键长 缩短,实测值比预计值还是要短,其原因就在于存在着 缩短,实测值比预计值还是要短,其原因就在于存在着dπpπ 配键。 配键。
三、 Me3Si基的电子效应 基的电子效应
1 正诱导效应
在Me3Si-中,三个甲基均是推电子基团,而且 的电负 中 三个甲基均是推电子基团,而且Si的电负 的推电子能力比Me 还强 还强, 性又较小,所以 的推电子能力比 性又较小,所以Me3Si-的推电子能力比 3C-还强,即具有 所谓的正诱导效应,通常记作+ 。 所谓的正诱导效应,通常记作+I。 Me3Si-取代脂肪胺的有机基团中的氢后,由于其具有较 取代脂肪胺的有机基团中的氢后, 取代脂肪胺的有机基团中的氢后 强烈的正诱导效应,氮上的电子云密度相对的讲要升高, 强烈的正诱导效应,氮上的电子云密度相对的讲要升高,其 碱性则相应增加。 碱性则相应增加。
dπ-pπ配键理论的应用 配键理论的应用 配键
SiH3 N H3Si SiH3
现象:三硅烷胺的给电子性能很弱,甚至不能与二硼烷或三 现象:三硅烷胺的给电子性能很弱, 甲基硼形成络合物。 甲基硼形成络合物。 解释:氮原子上一对p电子将进入三个硅原子的 轨道,即这对 解释:氮原子上一对 电子将进入三个硅原子的d轨道, 电子将进入三个硅原子的 轨道 电子除了在氮原子的一个p轨道中运行外, 电子除了在氮原子的一个 轨道中运行外,还要在三个 轨道中运行外 硅原子的d轨道里循环。 硅原子的 轨道里循环。 轨道里循环
所谓离子化键能是指放一正电荷到硅原子上及放一负电 荷到与之相联原子上所需能量与正常键能之和。 荷到与之相联原子上所需能量与正常键能之和。亦即产生下 列反应之能量: 列反应之能量:
Si Y
Si+
+
Y
某些硅键的离子键特性( ) 某些硅键的离子键特性(%)
Si-C 12 Si-H 2 Si-F 70 Si-Cl 30 Si-Br 22 Si-I 8 Si-O 50 Si-S 12 Si-N 30
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