Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин - Михаил Левицкий

Поливинилацетат и его «потомки»

С заменой атома водорода в этилене ацетатной группой – OC(=O)CH3 образуется винилацетат CH2=CH – OC(=O)CH3, а при его полимеризации получается поливинилацетат – [CH=CH(OC(O)CH3)]n – (ПВА), необычайно распространенный полимер: твердое, прозрачное и нетоксичное вещество. Его применяют в качестве клея для древесины, картона, керамической плитки и других материалов, а также как компонент лаков и красок.

В отличие от всех рассмотренных выше полимеров, поливинилацетат стал "родоначальником" двух весьма распространенных полимерных соединений, продолжая развивать "генеалогическое дерево" этилена. При гидролизе поливинилацетата ацетатные группы заменяются гидроксильными – ОН, и образуется поливиниловый спирт (рис. 1.32).

Поливиниловый спирт применяют в качестве загустителя в пищевой промышленности, при изготовлении косметических средств и шампуней и для производства растворимой упаковки лекарств. Интересно, что исходный мономер – виниловый спирт CH2=CH-OH – не существует в чистом виде: OH-группа при атоме углерода с двойной связью неустойчива, поэтому происходит перескок атома водорода и изомеризация в ацетальдегид. Поэтому получение полимера возможно только гидролизом поливинилацетата.

Взаимодействие спиртов с альдегидами приводит к ацеталям – это соединения, содержащие две группы OR у одного атома С. При взаимодействии поливинилового спирта с альдегидами образуются, соответственно, полиацетали. Таким образом, альдегид соединяет две группы ОН, стоящие почти рядом (рис. 1.33).

Если R = H, то это поливинилформаль, который используют для изготовления электроизоляционных лаков, стойких к действию масел, а до недавнего времени он применялся в качестве связующего при изготовлении магнитофонных лент для звуко– и видеозаписи. Если R = C3H7, то получаемый полимер – поливинилбутираль – применяют как соединительную пленку в производстве безосколочного стекла (триплекса), а при газопламенном напылении на металлические изделия образуются антикоррозионные покрытия. Если его смешать с фенольными смолами, то мы получим известный клей марки БФ (бутираль-фенол).

Общий признак строения всех рассмотренных материалов – линейное строение цепи, образующейся при полимеризации в результате раскрытия двойных связей. Этот способ получения полимеров не имеет аналогов в природе и является исключительно результатом творчества химиков. Полимерная цепь показанных полимеров состоит только из атомов углерода – их называют карбоцепными. При нагревании они размягчаются (исключая полиакрилонитрил), и это свойство обусловило выбор термина "термопласты". Все эти "потомки" этилена представляют собой полимеры, которые по свойствам заметно отличаются от полиэтилена, образуя класс материалов с самыми разнообразными свойствами. Диапазон свойств еще больше расширяется, когда перечисленные мономеры объединяют сополимеризацией. Например, известны сополимеры винилацетата с упомянутыми ранее метилметакрилатом или с акрилонитрилом.

В последнее время особенно популярным стал давно известный сополимер винилацетата с винилхлоридом, поскольку ожило производство "виниловых" грампластинок. Некоторые любители музыки предпочитают "теплую" аналоговую запись звука цифровой, да и сам внешний вид черной грампластинки вызывает ностальгическое удовольствие.

Отвлечемся ненадолго от основной темы. Безусловно, у некоторых людей восприятие произведений искусства более тонкое и обостренное, чем у большинства. Например, некоторые кинематографисты считают, что фильмы на кинопленке (которую они по традиции называют "целлулоид") эстетически более привлекательны, нежели на цифровых носителях. Часто можно услышать, что взять в руки бумажную книгу, пошелестеть страницами, почувствовать запах типографской краски несравненно приятнее, чем читать текст на экране планшета или смартфона. Таким образом, наш выбор часто определяется не практическими соображениями, а эмоциями, и здесь трудно что-либо возразить. Все это не мешает нам немного поиронизировать и предположить, что вернутся пишущие машинки с их незабываемым стрекотом, а голубиная почта потеснит электронную почту.

Вернемся к основной теме. В этом рассказе были перечислены полимеры, занявшие лидирующее положение с середины ХХ в. Вполне естественно, что с интенсивным развитием полимерной химии появились современные материалы-"конкуренты". Для изготовления монолитных изделий используют полиоксиметилен (другое название – "полиформальдегид", см. далее раздел "Создать новую науку"). Для клеевых композиций применяют эпоксидные смолы, в качестве прозрачного заменителя оргстекла – поликарбонат. Упомянута только малая часть новых материалов, которые были созданы и продолжают создаваться химиками-полимерщиками.

Несмотря на прогресс в химии полимеров, "родоначальник" рассмотренного класса соединений – полиэтилен – устоял и не потерял лидирующих позиций. Дело в том, что в 1950-х гг. были созданы металлоорганические катализаторы, которые позволили получать этот полимер, обладающий к тому же повышенной плотностью и прочностью, при низких температуре и давлении. Вслед за этим были созданы новые (металлоценовые) катализаторы, которые позволили получать сверхвысокомолекулярный полимер с молекулярной массой 3–5 млн. Он представляет собой высокопрочный термостойкий материал, а его волокна не уступают по прочности кевлару, из которого делают пуленепробиваемые жилеты (см. рассказ "Самый прочный полиамид").

Слова эпиграфа в полной мере относятся к герою нашего рассказа, который, участвуя в ярких событиях, долгое время оставался в тени, но в конечном итоге «сумел сказать свое весомое слово» в полимерной химии. Речь идет о соединении, называемом циклопентадиен: на рис. 1.34 показаны два варианта его структурной формулы и трехмерная модель.

В этом несколько громоздком названии сочетаются три фрагмента: цикло– (циклическая молекула), пента– (пять атомов углерода) и диен (две двойные связи). Аналогичным образом бензол можно назвать циклогексатриеном, но ему "повезло": название "бензол" – короткое и общеизвестное. Поскольку циклопентадиен постепенно начал завоевывать свои позиции, было предложено сокращенное обозначение "Ср", которое используют и в тексте, и при написании структурных формул. Циклопентадиен – совсем не редкое соединение, его получают из продуктов пиролиза нефти или при коксовании каменного угля. Долгое время его использовали как реагент в некоторых органических синтезах, но особого интереса он не вызывал и потому был малозаметен.