催化化学跨学科研究中心 (IRC³) 国立先进产业技术研究所 (AIST; 所长：Ryoji Chubachi) 和 Kazuhiko Sato (所长) 和 IRC 的其他人³，AIST，开发了一种能够通过酒精和二氧化硅（沙子的主要成分）之间的一步反应有效合成四烷氧基硅烷的技术。四烷氧基硅烷是硅化工的关键原料，也是有机硅等各种有机硅材料很有前景的原料。

从化学式的角度来看，四烷氧基硅烷是通过二氧化硅和醇之间的反应产生的，并产生水作为副产物。然而，通过二氧化硅和醇之间的反应合成四烷氧基硅烷是困难的，因为由四烷氧基硅烷和水生成二氧化硅和醇的逆反应要有利得多。通过在二氧化硅和醇的反应体系中添加有机脱水剂除去水副产物。此外，通过在二氧化碳和催化剂、金属醇盐和碱金属氢氧化物存在下进行反应，进一步提高了反应效率。该技术为利用沙子高效、低成本制造有机硅原料开辟了一条新途径。

这项技术的详细信息将于 2014 年 5 月 22 日至 23 日在东京国际论坛（东京千代田）举行的第三届 JACI/GSC 研讨会上进行介绍。

用沙子和各种含有机硅的产品组制造有机硅原料

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同时，一种直接从硅获得四烷氧基硅烷的已知方法是使用碱金属氢化物等催化剂使二氧化硅和碳酸二烷基酯反应。该方法不使用金属硅作为原料，因此从能源效率的角度来看是有利的。然而，碳酸二烷基酯是一种相对昂贵的化合物，其用量必须至少是二氧化硅用量的两倍，这使得使用这种方法以工业规模生产四烷氧基硅烷的成本非常高。

AIST专注于不使用金属硅而直接使二氧化硅和醇反应来制造四烷氧基硅烷的方法，并发现通过在有机脱水剂、二氧化碳和少量催化剂的存在下使二氧化硅和醇反应可以有效地合成四烷氧基硅烷。

这项研究得到了日本经济产业省未来先锋项目“有机硅功能材料创新催化工艺的开发”（2012财年至2013财年）和新能源产业技术综合开发机构“有机硅功能材料创新催化工艺的开发”项目（项目负责人：佐藤和彦）的支持（2014 财年至 2021 财年）。

从化学式的角度来看，二氧化硅与醇反应时会产生四烷氧基硅烷和水（图1）。虽然该反应确实产生了一些四烷氧基硅烷，但其收率不高，因为四烷氧基硅烷和水相互反应转化回二氧化硅和醇。然而，如果将反应中产生的水连续地从反应体系中除去，则可以抑制返回二氧化硅和醇的反应，并且可以获得高产率的四烷氧基硅烷（图1）。

图1：二氧化硅与醇反应时的化学式以及开发的合成方法

在这项研究中，研究人员在甲醇和二氧化硅（纯度：997%或更高；粒径：75-150 µm）的反应中添加有机物质丙酮二甲缩醛作为脱水剂，并在242℃的温度下反应24小时，获得了产率18%（基于二氧化硅）的四烷氧基硅烷（图1）。 2）。通过在二氧化碳存在下进行并添加少量金属醇盐和碱金属氢氧化物作为催化剂，进一步提高了反应效率。例如，二氧化硅、甲醇和丙酮二甲缩醛在二氧化碳压力(2MPa)下反应时，加入少量的甲醇钛(IV)和氢氧化钾，反应24小时后，收率48％。另外，如果将反应时间延长至96小时，则收率达到88％。这被认为是由于甲醇与二氧化碳反应而被活化，导致其与二氧化硅更有效地反应。而且，金属醇盐被认为促进甲醇和二氧化碳之间的反应。同时，碱金属氢氧化物起到分解二氧化硅的作用，即促进硅-氧键的断裂。

当与水反应时，丙酮二甲缩醛转化为丙酮和甲醇。然而，丙酮二甲缩醛可以很容易地从丙酮中再生出来，因此可以作为脱水剂重新使用。另外，二氧化碳仅起到反应促进剂的作用，在反应中并不被消耗；因此，它也可以重复使用。经过检查，整个反应过程的唯一副产物是水。此外，所开发的方法优于使用四氯化硅的传统制造方法，因为所开发的方法不使用氯化合物，因此不存在传统方法中存在的氯污染的风险。

二氧化硅与甲醇的反应中添加有机脱水剂等时的收率比较

所开发的技术使得四烷氧基硅烷（硅化学工业的关键原材料）能够由廉价且广泛使用的原材料（即二氧化硅和酒精）高效合成。通过避免使用金属硅，这种制造工艺节能且成本低廉，因此未来有机硅材料的使用预计会增加。

研究人员打算通过改进有机脱水剂和催化剂的结构来进一步提高该反应的效率。此外，他们还将验证该反应对各种硅源和醇的适用性。为了在未来几年内实用化这项技术，研究人员还将研究有机脱水剂的再生和催化剂的回收利用，评估相对于传统四烷氧基硅烷制造方法的成本优势，同时考虑如何扩大四烷氧基硅烷的制造规模。