正硅酸乙酯的水解缩合反应

正硅酸乙酯的水解缩合反应

正硅酸乙酯又称硅酸四乙酯或四乙氧基硅烷，常温下为无色液体，稍有气味。微溶于水，溶于乙醇、乙醚。相对密度0.9320（20/4℃），折光率1.3928，其熔点、沸点、闪点分别为-77、165.5、46℃，无水分时稳定，蒸馏时分解。遇水逐渐分解成氧化硅。分子式为C8H20O4Si或Si(OCH2CH3)4，分子量208.33，CAS号78-10-4结构是为：

OR

RO—Si—OR（R=CH2CH3）

OR

研究表明，正硅酸乙酯的水解缩合反应可分为3步，第一步是正硅酸乙酯形成单硅酸和醇，如式（1）所示，此即水解反应。

Si(OCH2CH3)4+H2O Si(OH)4+C2H5OH (1)

第二步是第一步反应生成的硅酸之间或者硅酸与正硅酸乙酯之间发生缩合反应，如式（2）、（3）所示。此时，Si—O—Si键开始形成。由于二者除生成聚合度较高的硅酸外，分别生成水和醇，因此又分别称为脱水和脱醇缩合。

第三步是由此前形成的低聚合物进一步聚合形成长链的向三维空间扩展的骨架结构，因此称为聚合反应。如式4所示。

OH OH OH OH

HO—Si—OH+ HO—Si—OH + HO—Si—O—Si—OH+ H2O (2) OH OH OH OH

OH O C2H5OH OH

HO—Si—OH+C2H5O—Si—OC2H5HO—Si—O—Si—OH+ C2H5O H (3) OH O C2H5OH OH

n(Si—O—Si) (—Si—O—Si—) (4) 第二步和第三步反应通常又合称为缩聚反应。

从以上4个反应对TEOS与水的反应全过程有重要影响，因为水解反应的生成物是第二步反应的反应物，而且缩聚反应常在水解反应未完全完成前就已开始了。

当水解和缩合反应发生后，反应体系中出现微小的、分散的胶体粒子，该混合物被称为溶胶；而第三步聚合反应时，这些胶体粒子通过范德华力、氢键或化学键力相互联结而形成一种空间开放的骨架结构，因而称之为凝胶。有鉴于此，从微观-亚微观-宏观的尺度可将上述TEOS转变为凝胶的过程概括为单体聚合成核、颗粒生长、粒子链接3个阶段。

正硅酸乙酯的水解缩聚反应可用总反应式表示：

Si(OCH2CH3)4+2H2O=SiO2+4C2H5OH

研究表明，增加水/TEOS之比（以下简称“水硅比”）可以促进水解，但同时水还会稀释生成的单硅酸的浓度，同时水硅比过大还会导致已形成的硅氧键重新水解，二者共同作用的结果是凝胶化时间的延长；相反水硅比较低时，聚合速率则较快。鉴于上述结果，从化学反应平衡的角度可以看出，当水硅比小于等当量2时，TEOS相对较多，发生醇缩合反应（式（3））；而当水硅比大于2时，水解反应较快，产生较多的单硅酸和乙醇，前者发生水缩合反应（）。