Condensazione

La condensazione è il secondo step della chimica del processo sol-gel e il suo meccanismo più largamente accettato prevede l’attacco di una molecola di alcossido da parte di un silanolo deprotonato nucleofilo:

≡ 𝑆𝑖𝑂 + 𝑆𝑖(𝑂𝐻) ⇌ ≡ 𝑆𝑖 − 𝑂 − 𝑆𝑖 ≡ + 𝑂𝐻 (2.6)

Nello specifico questo tipo di attacco può essere subìto sia da un silanolo che da un alcossido, secondo le reazioni (2.2) e (2.3). Queste ultime illustrano due diverse tipologie di condensazione che prendono rispettivamente il nome di dealcolazione, con espulsione di una molecola di alcool, e disidratazione, con eliminazione di acqua.

A seconda delle condizioni, la condensazione può risultare nella formazione di un ampio range di prodotti che variano da network molecolari e particelle colloidali. Infatti, l’avanzamento della condensazione dipende dal grado di completezza della reazione di idrolisi, dal momento che, affinché avvenga, è necessario che sia presente almeno un gruppo silanolo attaccato al silicio centrale. Se l’idrolisi arriva a completezza prima che si verifichi il primo step di condensazione, il prodotto risultante rende disponibili tutti siti presenti per le successive reazioni. Al contrario, se dopo la fase di idrolisi il prodotto di reazione sarà solo parzialmente idrolizzato, i siti messi a disposizione per la reazione di condensazione saranno inferiori.

Effetto del catalizzatore

Come accennato nel paragrafo precedente, la comprensione degli effetti catalitici è spesso molto complicata a causa della sempre maggiore acidità dei gruppi silanoli che si vengono a creare durante la polimerizzazione[12].

Pohl e Osterholtz investigarono la condensazione dell’alchilsilanotriolo in bis-alchiltetraidrossidisilossano in soluzione acquosa tamponata in funzione del pD (dove D indica deuterio). La velocità minima di reazione venne registrata in corrispondenza del valore pD = 4.5, mentre la pendenza della curva negli intervalli di pD rispettivamente inferiori e superiori a tale valore, erano rispettivamente pari a +1 e -1. Ciò sta ad indicare che anche la condensazione è una reazione catalizzata specificatamente in ambiente acido e basico. È interessante comparare tali risultati con la dipendenza del tempo di gelificazione dal pH (figura 2.10), in quanto viene spesso considerato essere un indicatore della cinetica di condensazione per i sistemi sol-gel[12].

Figura 2.10 (a) profilo di velocità della condensazione dell’alchilsilanotriolo in soluzione acquosa tamponata in funzione di pD (ref. [11]). (b) Tempo di gelificazione ( ∝ 1/velocità di condensazione) versus pH per silicati (ref. [11]).

Come riportato in figura 2.10 (b), la velocità complessiva di condensazione è massimizzata a pH intermedi a minimizzata a pH pari a 2.5. In condizioni basiche è quindi possibile ottenere sistemi più stabili. Il minimo a pH ~ 2.5 corrisponde al punto isoelettrico della silice: i gruppi silanoli superficiali sono protonati e deprotonati a valori di pH più bassi e più alti, rispettivamente. Lo spostamento della velocità minima di reazione da un valore di pD pari a 4.5 ad uno di pH pari a 2.5 riflette non solo il carattere via via sempre più acido dei silanoli con l’avanzamento della condensazione, ma anche l’effetto induttivo che i gruppi sostituenti esercitano sull’atomo di silicio.

Così come per l’idrolisi, anche la condensazione risente quindi dell’influenza dell’utilizzo di catalizzatori acidi e basici. Nel primo caso si ha la protonazione del gruppo silanolo, con abbassamento della densità elettronica dell’atomo centrale di silicio. Questo lo rende elettrofilo ed esposto ad attacchi nucleofili da parte di ulteriori gruppi silanolo. Sostituendo i gruppi alcossido (elettron-donatori), con gruppi OH- e SiO- (elettron-attrattori), si destabilizza la formazione di cariche positive nello stato di transizione intermedio, con conseguente rallentamento della cinetica di condensazione[13].

Figura 2.11 Meccanismo di condensazione in catalisi acida.

In questo caso, la condensazione si verifica in corrispondenza dei silanoli terminali, risultando in una struttura a catena nel sol e un gel costituito da un reticolo interconnesso[9].

In ambiente basico, invece, si verifica l’attacco nucleofilo di un gruppo silanolo deprotonato sull’atomo di silicio neutro secondo un meccanismo SN2 con la formazione di un intermedio di reazione penta o esacoordinato.

Figura 2.12 Meccanismo di condensazione in catalisi basica.

Ad elevati valori di pH il tempo di gelificazione aumenta, stando ad indicare che la reazione di condensazione procede senza che si verifichi alcuna gelificazione. In questo caso il sol sarà costituito da piccoli agglomerati altamente ramificati, che poi reticolano per formare un gel colloidale di particelle.

Figura 2.13 Dipendenza della velocità di idrolisi e condensazione del Si(OR)4 dal pH[13].

In figura 2.14 è illustrato uno schema che meglio riassume lo sviluppo della morfologia delle particelle durante la sintesi sol-gel al variare del pH.

Figura 2.14 Effetto del pH sulla morfologia delle particelle durante le reazioni sol-gel. (Reprinted with permission from ref 252. Copyright 1996 Swiss Chemical Society).

Natura del gruppo organico -R

Durante il processo sol-gel, la condensazione può avvenire mediante due tipologie di reazioni (vedi reazioni (2.2) e (2.3) al paragrafo 2.2.1.3) che possono coinvolgere varie specie chimiche presenti in soluzione, derivanti del precedente stadio di idrolisi verificatosi con diversi gradi di estensione. Per questo motivo gli effetti induttivi e sterici non risultano essere ben documentati per quello che riguarda i tetra alcossidi. Come per i triorganilsilanoli, si assume che anche per gli alcossidi tetrafunzionali si verifichi un abbassamento della velocità di condensazione all’aumentare della lunghezza, del numero e del grado di ramificazione della catena alchilica o aromatica, presente. In altre parole, qualsiasi sostituente che provoca un maggiore ingombro sterico nello stato di transizione, porta ad un ritardo della condensazione. Al contrario, quest’ultima risulta essere accelerata nel caso in cui l’atomo centrale di silicio sia circondato da soli gruppi silanoli. I gruppi alchilici con carattere elettron-donatore riducono l’acidità del corrispondente silanolo, spostando il punto isoelettrico della silice verso valori di pH più elevati (figura 2.10 (a)). Si può affermare infine che, in ambiente acido, l’ingombro sterico dato dai lunghi sostituenti alchilici risulta essere predominante rispetto all’effetto induttivo provocato dagli stessi[12].