Silicone sind weitverbreitete Kunststoffe. Dank der Stabilität der Silicium-Sauerstoff-Bindung sind sie widerstandsfähig gegenüber Chemikalien und Umwelteinflüssen und auch physiologisch unbedenklich. Dementsprechend erleichtern Silicone den Alltag in nahezu allen Lebensbereichen. Chemiker der Goethe-Universität haben in der Fachzeitschrift „Journal of the American Chemical Society“ einen neuen Weg beschrieben, lange gesuchte Silicon-Bausteine nunmehr einfach und effizient herzustellen.
Das breit gefächerte Anwendungsspektrum der Silicone reicht von medizinischen Implantaten und Kosmetikartikeln über Hydraulik-Öle und Dichtmassen, bis hin zum Korrosionsschutz – ein entscheidendes Thema angesichts globaler Korrosionsschäden in Höhe von rund 3.3 Billionen US-Dollar pro Jahr. Um Silicon-Kunststoffe für spezifische Anwendungen optimieren zu können, benötigt man maßgeschneiderte Chlorsilan-Bausteine zur Erzeugung und Vernetzung der langkettigen Polymere. Hierdurch lassen sich beispielsweise Viskosität und Fließeigenschaften des Materials beeinflussen. Gänzlich neue Herausforderungen entstehen auf dem Gebiet des 3D-Drucks, mit dessen Hilfe beispielsweise individualisierte Laufschuhe hergestellt werden.
Seit 1940 bildet der „Direkte Prozess“ nach Müller und Rochow das Rückgrat der Siliconindustrie. Hierbei wird elementares Silicium mit Chlormethan bei hohen Temperaturen und Drücken in Gegenwart eines Kupferkatalysators zu Methylchlorsilanen umgesetzt. Die Arbeitsgruppe um Prof. Matthias Wagner vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Goethe-Universität hat nun ein komplementäres Verfahren erarbeitet, das gegenüber dem Direkten Prozess mehrere Vorteile hat: Als Ausgangsstoffe nutzt es Hexachlordisilan und Chlorkohlenwasserstoffe. „Hexachlordisilan wird bereits großtechnisch für die Halbleiterindustrie hergestellt und das von uns besonders intensiv genutzte Perchlorethylen (PER) ist eine nicht brennbare Flüssigkeit, so kostengünstig, dass sie weltweit als Lösungsmittel für die chemische Reinigung eingesetzt wird“, so Matthias Wagner. Der Prozess läuft zudem bei Raumtemperatur und unter Normaldruck ab. An Stelle eines Katalysators reicht zur Aktivierung eine geringe Menge Chlorid-Ionen aus.
„Unser Verfahren liefert hoch funktionalisierte Organochlorsilane, die ideale Vernetzer sind. Außerdem eröffnet ihre spezielle Struktur beste Möglichkeiten, die mechanische Flexibilität der Siliconketten nach Wunsch einzustellen“, erklärt die Miterfinderin Isabelle Georg, deren Doktorarbeit von der Evonik-Stiftung gefördert wird. Neben ihr war auch Julian Teichmann an dem Projekt beteiligt. Er attestiert insbesondere der engen Kooperation zwischen Goethe-Universität und der Firma Evonik einen prägenden Einfluss auf seine Ausbildung: „Die regelmäßige Diskussion unserer Ergebnisse mit den Industriechemikern hat mir frühzeitig die Augen für ökonomische Zwänge und ökologische Notwendigkeiten geöffnet. Es war faszinierend zu sehen, wie der Weg von einer Laborentdeckung über das Patentverfahren bis zur Umsetzung im technischen Maßstab in der Praxis aussieht“.
Die Frankfurter Chemiker sehen das besondere Potential ihrer Monomere darin, dass diese neben Silicium-Chlor-Bindungen auch Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindungen enthalten. Erstere dienen zum Aufbau der anorganischen Silicium-Sauerstoff-Ketten, letztere lassen sich zu organischen Polymeren verknüpfen. Durch diese einzigartige Kombination eröffnen sich neue Wege zu anorganisch-organischen Hybridmaterialien.
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Publikation: I. Georg et al: Exhaustively Trichlorosilylated C1 and C2 Building Blocks: Beyond the Müller-Rochow Direct Process, in: J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b05950
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