硅和锗的有机化合物具有相似的性质,但是对于锗化合物的研究相对较少。本文将重点讨论硅的化合物。
硅与碳之间的键离解能较小,约为250-335千焦/摩尔。因此,四烷基和四芳基硅化合物在高温下仍然相对稳定,例如Si(C6H5)4在530℃下仍然保持不变。
硅碳键的化学活性通常比碳碳键要大。这是因为硅碳键具有较大的极性,使得硅原子更容易受到亲核试剂的攻击,碳原子更容易受到亲电子试剂的攻击。此外,由于硅可以利用d轨道形成五配位的过渡态,因此在硅原子上发生取代反应相对容易。
硅化合物的反应机理非常复杂,超出了本文的范围。但是有一些重要的说明。例如,旋光性的甲基-1-蔡基苯基硅烷在置换反应中常常伴随构型转化。对于一般情况下的R3SiX化合物,如果引入的亲核试剂Y比离去基团X更碱性,并且共轭酸的pK<6,则置换反应与溶剂的性质无关,而是与转化路径有关。这些转化路径可以通过具有X和Y的长轴键的过渡态进行。
在硅化学中,游离基的重要性相对较小。通过光化学反应产生的特丁氧基和其他游离基的去氢反应只能在溶液中通过电子自旋共振进行观察。例如:
R3SiH+Me3CO→R3Si+Me3COH
反应速率的比较如下:
p-XC6H4-MR3+H2O——>R3MOH+C6H5X
在HClO4的水-甲醇溶液中,反应顺序为Si(1)<Ge(36)<Sn(3×10 5)<Pb(2×10 8)。这表明随着原子体积的增大,外层轨道的可利用性增加,使得最初的溶剂配位较快达到五配位的过渡态。
烷基和芳基的硅卤化物由于水解反应而变得特别重要。这些化合物可以通过SiCl4的格氏法制备,或者在甲基衍生物存在下,通过Rochow法制备。这些卤化物通常是液体,容易水解。在某些情况下,可以分离出硅烷醇中间体,但是在水解过程中,二醇和三醇往往会缩合形成具有Si-O-Si键的硅氧烷。产物的种类取决于水解条件,可以得到不同分子量的线性、环状和交联的聚合物。这些聚合物常用于各种聚硅酮,商业聚合物通常具有R=CH3,但是为了特殊用途也可以加入其他基团。
通过适当比例的烷基卤化物水解,可以得到具有特殊物理性能的各种产物。这些聚合物可以是液体、橡胶或固体,一般具有高热稳定性、高介电强度、抗氧化和抗化学侵蚀性。
简单的硅氧烷的例子是Ph3SiOSiPh3,环状的三聚物或四聚物为(Et2SiO)3。线性聚合物含有-SiR2-O-SiR2-O-链,而交联的层状物具有基本单元:
与硅和锗的化合物不同,锡的化合物具有较高的配位数,并且可以产生阳离子化合物。
研究最深入的是具有X=ClO4、F、NO3等的CH3化合物。有趣的是,锡在固体中常常通过阴离子桥连结,锡原子的配位情况接近于具有平面Sn(Me)3基团的三角双锥。当X是RCOO时,化合物可以具有单配位基或二配位基的羧酸根链节。