Chlorsilan

Chlorsilane sind eine Gruppe reaktiver, chlorhaltiger chemischer Verbindungen, die mit Silan verwandt sind und in vielen chemischen Prozessen verwendet werden. Jede solche Chemikalie hat mindestens eine Silicium-Chlor-Bindung.

Sie werden nach dem Rochow-Verfahren hergestellt, bei dem Silicium mit Chlorwasserstoff bei erhöhten Temperaturen in Gegenwart eines Kupferkatalysators behandelt wird. Die idealisierte Gleichung lautet

2 Si + 6 HCl → 2HSiCl3 + 2 H2,

Trichlorsilan (HSiCl3) ist das Hauptprodukt; Dichlorsilan (H2SiCl2) und Siliciumtetrachlorid (SiCl4) werden als Nebenprodukte erhalten.

Alle Chlorsilane reagieren mit Wasser unter Bildung von Chlorwasserstoff. Die verbleibende Hydroxylgruppe bindet an das Silicium und bildet zunächst eine Silolgruppe (analog zu Alkohol). Im Allgemeinen bindet dieses schließlich an eine feste Oxidoberfläche oder reagiert mit einem anderen Chlorsilan- oder Silolmolekül. In den letzteren Fällen bildet das Sauerstoffatom eine Verbindung zwischen zwei Siliciumatomen, analog zur Etherbindung in organischen Chemikalien und identisch mit der Bindung in Siliciumdioxid.

Siliciumtetrachlorid (SiCl4) und Trichlorsilan (HSiCl3) sind Zwischenprodukte bei der Herstellung von Reinstsilicium in der Halbleiterindustrie. Chlorsilane, die aus Rohsilicium erhalten werden, werden durch fraktionierte Destillationstechniken gereinigt und dann mit Wasserstoff reduziert, um Silicium von 99,999999999% (11 Neunen) Reinheit zu erhalten.

Organische Chlorsilane werden häufig als Beschichtungen für Silizium- und Glasoberflächen sowie bei der Herstellung von Silikon- (Polysiloxan-)Polymeren verwendet. Während Phenylchlorsilane und viele andere verwendet werden können, werden Methylsiloxane in den größten Mengen produziert.

Methylchlorsilane weisen eine bis drei Methylgruppen auf. Im Falle von Dichlordimethylsilan stehen zwei Chloratome zur Verfügung, so dass eine Reaktion mit überschüssigem Wasser eine lineare Kette von etherartigen Verknüpfungen zwischen Siliciumatomen erzeugt. Wie bei Polyethern erzeugen diese flexiblen Verbindungen ein gummiartiges Polymer, Polydimethylsiloxan (PDMS). Trichlormethylsilan kann verwendet werden, um Verzweigung und Vernetzung in PDMS-Molekülen zu induzieren, während Chlortrimethylsilan dazu dient, Rückgratketten zu beenden und das Molekulargewicht zu begrenzen.

Andere säurebildende Spezies, insbesondere Acetat, können Chlor in der Siliconsynthese mit geringem Unterschied in der Chemie des fertigen Polymers ersetzen. Diese Analoga von Chlorsilanen sind in den Dichtungs- und Klebstoffen, die an Verbraucher vermarktet werden, und als Vorläufer für medizinisches Silikon aufgrund der verringerten Toxizität weit verbreitet.