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

Вероятно, каждый знает, что такое полиэтилен: он необычайно распространен в быту, и его получают полимеризацией этилена (рис. 1.24).

Индекс "n" показывает, сколько звеньев находится в цепи полимера: эту величину называют степенью полимеризации. Она может меняться в широком диапазоне – от десятков тысяч до миллионов.

Не так-то просто добиться того, чтобы этилен начал полимеризоваться. Это происходит при весьма высоком давлении 2000–3000 атм и температуре 200–300 ℃. Промышленное оборудование, выдерживающее подобные условия, было создано далеко не сразу. Самое интересное, что уже достаточно давно этилен "подсказывал" ученым, как можно облегчить полимеризацию его двойной связи. Эту связь можно "расшевелить", заменив один атом водорода какой-нибудь органической группой, немного оттягивающей от нее электроны. И довольно давно ученые обратили внимание на две подсказки: замена атома водорода фенильной группой Ph приводит к стиролу CH2=CHPh, а замена хлором – к винилхлориду CH2=CHCl, (группу CH2=CH– называют винильной). Стирол легко полимеризуется на свету, образуя плотную прозрачную массу, что было обнаружено в 1840-х гг. Точно так же винилхлорид склонен к самопроизвольной полимеризации на свету. Естественно, оба эти соединения стали первыми в классе веществ, способных полимеризоваться.

Название исходного мономера стирола (франц. styréne) было предложено его первооткрывателем – французским химиком М. Бонастром, который в 1831 г. получил стирол при сухой перегонке стиракса – смолы восточного эвкалипта.

Полистирол – стеклообразный прозрачный материал, весьма хрупкий, зато обладающий исключительно высокими электроизоляционными свойствами. Материаловеды называют его стопроцентным диэлектриком. Для повышения его ударопрочности вводят бутадиен CH2=CH-CH=CH2, который при сополимеризации встраивается в полимерную цепь. Полистирол широко используют в виде окрашенного листового материала для изготовления вывесок, рекламных щитов и для отделки интерьеров. Очень популярен вспененный полистирол как теплоизолирующий материал, а также он часто применяется в качестве упаковки при перевозке хрупких предметов (рис. 1.25).

Материал для оконных рам – поливинилхлорид – плотный, прочный и химически устойчивый. При формовании он дает малую усадку, что позволяет сохранять заданные размеры. Поливинилхлорид широко используется в производстве устойчивых к коррозии труб, патрубков и покрытий для пола. Он легко пластифицируется, образуя гибкий материал, из которого делают искусственную кожу. С 1950-х гг. из поливинилхлорида стали изготавливать оконные рамы, и в практику вошел термин «профиль ПВХ» (рис. 1.26).

Оргстекло – полиметилметакрилат

Далее химики сами стали искать группы, присоединение которых к этилену облегчает полимеризацию, и, естественно, такие группы были найдены. Производное этилена, в котором атом водорода замещен карбоксильной группой СН2=СН-С(О)ОН, называют акриловой кислотой. Если далее заместить второй атом водорода метильной группой, то образуется метил-акриловая кислота СН2=С(Me) – С(О)ОН, которую называют метакриловой. Затем карбоксильная группа под действием метанола превращается в сложноэфирную, образуется метиловый эфир метакриловой кислоты СН2=С(Me) – С(О)ОMe, кратко называемый метилметакрилат (ММА). Все вышесказанное объясняет, откуда взялось название, в котором никак не упоминается этилен, хотя исходное соединение является его прямым производным.

Полиметилметакрилат (ПММА) (рис. 1.27) – прозрачный пластик, получивший два распространенных названия – «плексиглас» и «оргстекло». Интенсивное производство началось в период между двумя мировыми войнами, причиной этого было бурное развитие авиации: появились самолеты, в которых кабину пилота нужно было закрывать прозрачным фонарем. Оргстекло удачно сочетало все необходимые свойства: оно было оптически прозрачно, не образовывало осколки, что обеспечивало безопасность летчика. В настоящее время полеты происходят на гиперзвуковых скоростях, и возникающие высокие температуры и давление исключили использование этого полимера в авиации. Его заменили многослойные композиции на основе органических и силикатных стекол.

Современное применение оргстекла – внутренняя и наружная реклама, небьющиеся стекла очков, различные бытовые предметы и сувениры. Полиметилметакрилат не смог вытеснить обычное силикатное стекло в быту, так как под действием погодных условий со временем он желтеет и мутнеет.

Синтетическая шерсть – полиакрилонитрил

При замене атома водорода в этилене нитрильной группой образуется акрилонитрил CH2=CH-C≡N, то есть нитрил акриловой кислоты. И снова мы видим, что название вещества не говорит о его прямой связи с этиленом. Полиакрилонитрил образуется при полимеризации акрилонитрила, и по некоторым косвенным признакам он был очень привлекателен как волокнообразующий полимер, но при нагревании не размягчался, а начинал разлагаться. Таким образом, для переработки полимера в волокно необходимо было его растворить, но на это не был способен ни один из известных растворителей. Ситуация напоминала ту, которая в свое время сложилась с целлюлозой – она не размягчалась и не растворялась (описано в разделе «Лидер среди природных полимеров»). К этому моменту химики уже представляли себе и сам процесс полимеризации, и строение образующейся полимерной молекулы. Было понятно, что в полимере нет поперечных химических связей, его молекулы линейны, и, следовательно, полимер должен растворяться. Именно эти рассуждения позволили начать поиски растворителя, но найти его не удавалось в течение долгого времени. Причина отсутствия растворимости та же, что и в случае с целлюлозой, – сильное взаимодействие между полимерными цепями за счет водородных связей. Они возникают между атомами водорода C-H, находящимися в одной полимерной молекуле, и нитрильными группами соседней полимерной цепи (рис. 1.28). Обратите внимание, что обычно в образовании водородных связей участвуют атомы водорода O-H или N-H-групп, однако в этом случае связь C-H химически связана с нитрильной группой, что приводит к увеличению полярности группы C-H. Этого оказывается достаточно для ее участия в образовании водородной связи с атомом азота нитрильной группы, находящейся в соседней молекуле.