Kitobni o'qish: «Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин»

Name: Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин
Author: М. М. Левицкий
ISBN: 9785001396932

М. М. Левицкий

Shrift:

Книга издана при поддержке Политехнического музея и Фонда развития Политехнического музея.

Научный редактор Александра Борисова, канд. хим. наук

Редактор Ирина Сисейкина

Оформление серии Андрея Бондаренко и Дмитрия Черногаева

Издатель П. Подкосов

Руководитель проекта А. Шувалова

Ассистент редакции М. Короченская

Корректоры Е. Воеводина, Е. Чудинова

Компьютерная верстка М. Зинуллин

Дизайн обложки А. Бондаренко

Иллюстрация на обложке Shutterstock

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

"КНИГИ ПОЛИТЕХА" – партнерский проект ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО МУЗЕЯ, издательств CORPUS, "АЛЬПИНА НОН-ФИКШН" и "БОМБОРА".

В серии выходят лучшие современные и классические книги о науке и технологиях – все они отобраны и проверены учеными и отраслевыми специалистами.

Серия "Книги Политеха" – это пять коллекций, связанных с темами постоянной экспозиции Политехнического музея:

"Человек и жизнь" – мир живого, от устройства мозга до биотехнологий.

"Цифры и алгоритмы" – математика, искусственный интеллект и цифровые технологии.

"Земля и Вселенная" – происхождение мира, небесные тела, освоение космоса, науки о Земле.

"Материя и материалы" – устройство мира с точки зрения физики и химии.

"Идеи и технологии" – наука и технологии, их прошлое и будущее.

Политехнический музей представляет новый взгляд на экспозицию, посвященную науке и технологиям. Спустя столетие для музея вновь становятся важными мысль и идея, а не предмет, ими созданный.

Научная часть постоянной экспозиции впервые визуализирует устройство мира с точки зрения современной науки – от орбиталей электрона до черной дыры, от структуры ДНК до нейронных сетей.

Историческая часть постоянной экспозиции рассказывает о достижениях российских инженеров и изобретателей как части мировой технологической культуры – от самоходного судна Ивана Кулибина до экспериментов по термоядерному синтезу и компьютера на основе троичной логики.

Политехнический музей делает все, чтобы встреча человека и науки состоялась. Чтобы наука осталась в жизни человека навсегда. Чтобы просвещение стало нашим общим будущим.

Подробнее о Политехническом музее и его проектах – на polymus.ru

Предисловие

Для нас большая честь быть авторами предисловия к книге нашего друга и коллеги Михаила Левицкого. К сожалению, Михаила Моисеевича не стало в 2020 году; таким образом, эта книга становится и нашей данью памяти о его насыщенной, интересной жизни. "Лаборатория химических историй" – абсолютное отражение характера автора, его прекрасно узнаваемого стиля. В основе этого стиля, конечно же, блестящее знание химической науки. Упомянем, что профессиональный кругозор Михаила Моисеевича, в частности, позволил подготовить цикл статей для интернет-энциклопедии "Кругосвет" (www.krugosvet.ru) и написать несколько научно-популярных книг, одна из которых была переиздана в Китае (!).

Стоит отметить, что когда к научно-популярному жанру обращается профессиональный ученый, то это совершенно не рядовой случай. А Михаил Левицкий – крупный специалист, хорошо известный научной общественности собственными исследованиями, опубликованными более чем в сотне научных статей. Кроме того, две его монографии – "Металлорганосилоксаны. Современные концепции и методы" и "Металлоксидные кластеры в элементоорганических матрицах" – остаются на настоящий момент единственными книгами, описывающими необычные виды металлокомплексов – каркасные металлосил- и гермсесквиоксаны. Важно подчеркнуть, что впервые эти соединения были описаны именно в работах Левицкого. Читатель увидит несколько замечательных структур этих соединений на страницах "Лаборатории химических историй".

При этом высокий профессиональный уровень отнюдь не делал Михаила Моисеевича скучным и назидательным. Напротив, его тонкая, интеллигентная манера общения очень располагала к себе. И прежде всего научную молодежь, которая в такой благожелательной атмосфере с удовольствием рассказывала о своих первых успехах. Искренний интерес к собеседникам делал эти академические посиделки вокруг Михаила Моисеевича любимой формой отдыха молодых специалистов в перерывах между совершением химических открытий. Неповторимый уют этих "микросеминаров" дополнительно усиливался угощением фирменным кофе (с лимоном!) и разгадыванием приносимых в лабораторию хитроумных головоломок.

Еще одной яркой особенностью научной карьеры Михаила Левицкого было активное участие в международных научных конгрессах. Только на симпозиум "Современная химическая физика" Михаил Моисеевич приезжал более 15 раз, не забывая и про знаменитые на весь химический мир металлорганические конференции на волжском теплоходе. Бархатистый баритон барда Левицкого – замечательный саундтрек вечеров на этих конференциях, памятный очень многим.

Впрочем, Михаил Моисеевич был хорош и без гитары. Изящное чувство юмора и мастерство рассказчика делали свое дело, и прекрасных историй можно вспомнить множество. Чего стоит одна – про то, как в 1965 году Михаил Моисеевич, строго говоря, не самый большой футбольный фанат, ходил на матч СССР – Бразилия. Действительно, в тот летний день в Лужниках, помимо ста тысяч других людей, собралась отличная молодая компания – Пеле, Гарринча и Миша Левицкий.

Увлекательность повествования и включение в книгу про серьезную науку юмористических историй – тоже характерные черты "Лаборатории химических историй", полностью соответствующие портрету автора. К сожалению, к моменту ухода Михаила Моисеевича из жизни книга еще не была полностью подготовлена к выпуску. Потребовался значительный вклад людей, которых мы хотели бы упомянуть отдельно. Это сотрудники ИНЭОС РАН – аспирант Алина Комарова, а также доктора химических наук Дмитрий Перекалин и Алексей Биляченко. Большую работу по подготовке рукописи к изданию проделали специалисты "Альпины нон-фикшн" – корректор Елена Воеводина, руководитель проектов Александра Шувалова, генеральный директор Павел Подкосов, которых мы также хотели бы поблагодарить за то, что эта книга увидела свет.

Елена Соломоновна Шубина,
профессор
Владимир Иосифович Брегадзе,
профессор
Институт элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова
Российской академии наук (ИНЭОС РАН)

Введение

Эта книга рассказывает в первую очередь о самых выдающихся исследованиях в химии, этапах развития этой науки и главных ее достижениях. Отдельно упомянуты работы, отмеченные Нобелевской премией, – ведь именно эти исследования двигали всю науку вперед, при этом они очень интересны. Конечно, в книге пойдет речь и о самих лауреатах премии, кроме того, представлены интересные и значимые работы, не отмеченные этой премией. И рассказано это отнюдь не сложным научным языком, ведь авторы исследований приложили особые усилия, чтобы сделать полученные результаты понятными широкой аудитории. Кроме того, упомянуты некоторые почти забытые имена ученых, роль которых, с точки зрения автора книги, весьма заметна в развитии химии.

Книга состоит из четырнадцати глав, которые не связаны между собой хронологически, поэтому начинать чтение можно с любой главы. Так как в ряде случаев содержание разделов пересекается, в текст включены пометки, отсылающие к соответствующим другим главам. Некоторые рисунки дополнены ссылками, что позволяет читателю с помощью смартфона увидеть анимацию рисунка.

Первая глава "Империя длинных молекул" знакомит читателя с этапами развития полимерной химии, появившейся в середине ХХ в. и ставшей не просто крупной, а гигантской областью в химической науке. Столетиями полимеры использовались в повседневной жизни, и этот накопленный опыт со временем привел к появлению новой ветви химии.

Вторая глава "Биохимия тоже химия" рассказывает о другой крупной области химии, которая сегодня стала самостоятельной наукой. Достижения в этой сфере за последние годы впечатляют не только ученых-химиков, но и далеких от науки людей: в конечном итоге биохимия – с ее кропотливыми и сложными исследованиями – работает на сохранение здоровья всего человечества.

Одно из самых современных направлений в химии – создание механических устройств, представляющих собой отдельные молекулы. Эти работы приближают эпоху квантовых компьютеров, о чем рассказано в третьей главе "Молекулярные механизмы и машины".

Четвертая глава, которая называется "Самая главная частица и ее жилище", расскажет об электроне – главной элементарной частице в химии, благодаря которой осуществляются все превращения. Каким образом электрон располагается у атомного ядра – не может представить даже самое буйное воображение. Однако об этом смогут рассказать ученые.

О новой науке – квантовой химии, позволяющей вычислить свойства пока не полученного вещества, будет рассказано в пятой главе "От колбы к компьютеру". Современный мир уже немыслим без компьютеров, их успешное объединение с химией произошло при появлении квантовой химии.

Шестая глава – "Ближайшие «родственники» углерода" – познакомит читателя с изящной архитектурой молекул, полученных с участием двух элементов – кремния и германия, которые оказались исключительно значимыми в развитии современной химии.

Седьмая глава – "Тысячелетия спрессованы в минуты" – посвящена процессам, которые в течение тысячелетий происходили в земной коре – но теперь, когда их удалось воспроизвести в лабораторных условиях, все превращения можно наблюдать в течение нескольких минут.

В восьмой главе, которая называется "Новые грани ферроцена", будет рассказано о неизвестных ранее полезных свойствах соединения, полученного в середине ХХ в. Ферроцен обрел громадную популярность и буквально стал эмблемой элементоорганической химии, однако, несмотря на то, что процессы его превращений хорошо изучены, есть нечто, увеличивающее диапазон его использования.

В девятой главе "Озарения, открытия, превратности судьбы" читатель узнает о том, как к исследователю приходит озарение, как совершаются открытия, как они влияют на судьбу самих первооткрывателей и к каким драматическим поворотам могут привести.

Простые расчеты, описанные в десятой главе "Всему своя цена", могут помочь принять правильное решение, найти компромисс между желаемым и достижимым: ведь как в науке, так и в жизни перед человеком постоянно встают сложные задачи, требующие разумных действий.

Химия – наука чистых экспериментов и точных результатов, но жизнь порой любит иронизировать. Иногда важные открытия совершались благодаря присутствию случайных примесей. Примеры приведены в одиннадцатой главе "Всегда ли надо мыть посуду?".

В двенадцатой главе под названием "Лабораторные будни" описаны весьма забавные и необычные ситуации. Это опровергнет ваши представления о том, что рядовые дни химика и окружающая рабочая обстановка внешне малопривлекательны.

Тринадцатая глава "Образный язык химиков" расскажет о том, как ученые демонстрируют свою увлеченность химией, часто создавая образные названия веществ и дополняя их изображением различных бытовых предметов.

А четырнадцатая глава "Вернемся к прочитанному" поможет освежить полученные в процессе прочтения книги знания.

Добро пожаловать в увлекательный мир химии!

Глава 1
Империя длинных молекул

Люди стали использовать полимеры за много столетий до того, как появился сам термин "полимеры". Из шкур животных делали одежду и обувь, мех служил для пошива теплой одежды, а шерстяные, хлопковые, льняные, конопляные (пенька) и джутовые волокна – для производства одежды, мешков и канатов. В этом ряду натуральных материалов упомянем и каучук. Со временем люди стали искать способы улучшить свойства природного сырья, появились новые технологии, что по существу и означает развитие цивилизации. В процессе развития различных ремесел мастера, совершенно не знавшие химии, начинали экспериментировать со всеми подручными материалами подряд – и находили исключительно удачные реагенты. Некоторые из таких рецептов сохранились до нашего времени и успешно используются.

Универсальный материал

Использование шкур животных для изготовления необходимых для жизни предметов началось задолго до того, как люди научились прясть и ткать. Важным было также создание пергамента – материала для письма из тонкой телячьей кожи, употреблявшегося до изобретения бумаги. Рукописи на пергаменте сохраняются в течение столетий.

Некоторые из перечисленных предметов используют и в наши дни. Сделать такие вещи из шкуры животного было совсем не просто. После вымачивания в известковом молоке (водная суспензия Ca(OH)₂) удаляли волосяной покров, на внутренней поверхности шкуры соскребали остатки мышечной ткани. Высушенная шкура напоминала лист фанеры. Затем ее снова замачивали и разминали, растирая на камне или на бревне, а позже стали использовать ребристые барабаны. Мастеров называли кожемяками, и, скорее всего, от названия ремесла появилась и распространенная русская фамилия Кожемякин. После обработки кожа становилась рыхлой, мягкой и как будто мыльной с обеих сторон. Далее следовала самая важная стадия в технологическом процессе – дубление, в результате которого кожа становилась упругой, прочной и водостойкой. Для дубления было испробовано множество различных средств: отвары коры различных деревьев, пищевые отходы. Существовало также малоэффективное жировое дубление, которое, благодаря простоте и быстроте, использовалось кочевниками.

В начале XV в. искусство выделки кожи было особенно развито в Турции. Кожа становилась необычайно мягкой за счет того, что вначале ее выдерживали в собачьих и птичьих экскрементах, затем в отрубях, инжире, меде и виноградном соке, после чего обрабатывали известью и растягивали на деревянной раме. Можно себе представить, какое было количество неудачных попыток, прежде чем удалось создать столь непростую технологию. Секреты ремесла хранились в строжайшей тайне. По преданию, знание этого секрета спасло жизнь пленному турку во время войны Турции с Венгрией в середине XV в. Пленного уже вели на повешение, но он уговорил отменить казнь в обмен на секрет, который сулил богатство местным жителям. Возможно, именно таким путем искусство высококачественной выделки кожи пришло в Европу. Невольно вспоминаются похожие истории: известно, что китайцы держали в секрете рецепты изготовления фарфора и шелка, однако европейцам все же удалось раздобыть тайны этих технологий.

Строение кожи сегодня хорошо изучено. Ее основу составляет белок коллаген, имеющий вытянутую нитевидную структуру. Группы из трех сплетенных молекул укладываются параллельно, образуя коллагеновое волокно (рис. 1.1).

Одно из наиболее эффективных дубильных веществ, употреблявшихся в древние времена, содержалось в коре дуба, а также в чернильных орешках, образующихся иногда на дубовых листьях. Так появилось слово "дубление". Отвары коры или орешков добавляли в чан с вымоченной кожей. В более поздних исследованиях было выявлено и действующее вещество – танины. Эта группа соединений представляет собой связанные бензольные ядра, содержащие гидроксильные группы, то есть фрагменты -С₆Н₄-ОН. Пример одного из веществ этой группы показан на рис. 1.2.

В молекулах коллагена, как и в любом белке, содержатся пептидные группы – С-NH – C(=O) – C-, и в процессе дубления между ними и молекулами танина образуются связи. В результате возникает пространственная сетка, придающая коже прочность, пластичность, водоустойчивость и износостойкость.

Процесс дубления был длительным – иногда до нескольких месяцев, однако, как это иногда бывает, различные жизненные обстоятельства вынудили мастеров искать более быстрые методы. Французский химик Арман Сеген, работавший некоторое время с великим ученым Лавуазье, во времена французской революции стал поставщиком кожи для обуви армий Наполеона. На обувь был огромный спрос, и возникла острая необходимость сократить продолжительность дубления. Сеген смог решить эту проблему: он стал использовать концентрированные спиртовые экстракты дубовой коры, что позволило сократить время дубления до нескольких дней. Более того, такая кожа превосходила по качеству ту, что была сделана старым методом.

Особо значимым событием стало изобретение немецкого ученого Л. Ф. Кнаппа в 1853 г. В качестве дубителей он предложил соли хрома, которые для тех же целей широко применяют и в наши дни. Механизм дубления приблизительно такой же, что показан на рис. 1.2 с танином – в результате образуются поперечные сшивки между молекулами коллагена.

Отходы кожевенного производства тоже оказались полезны. При умеренном нагревании в водных растворах тройной жгут из полимерных цепей расплетается, образуется желе, сильно набухающее в воде, которое после высушивания становится стекловидной коричневой массой – это всем известный столярный клей. При аналогичной переработке отходов рыбного производства получают желатин, он состоит практически из тех же молекул коллагена. Его используют как пищевую добавку при изготовлении студней и желе. Кроме того, частицы светочувствительного бромида серебра, распределенные в желатине, представляют собой эмульсию, которую наносят на фотопленку и фотобумагу; набухая в воде, желатин позволяет проявителю и закрепителю проникать внутрь светочувствительного слоя. В биологических экспериментах желатин используют как среду для выращивания колоний различных бактерий. По мнению специалистов, желатин – лучший клей при изготовлении деревянных музыкальных инструментов.

Попутно отметим, что технологическая химия имеет свою специфику. Нельзя рассматривать кусочек натуральной кожи как реагент, который можно поместить в колбу и провести реакцию. В современных условиях взаимодействие синтетической и технологической химии складывается следующим образом: химики-синтетики берут в качестве реагента фрагмент молекулы белка, образующего коллаген, и проводят взаимодействие с различными веществами, которые предположительно могут оказаться дубителями – то есть осуществляют сшивание молекул. Часто удается выделить продукт взаимодействия в виде индивидуального соединения и изучить его строение. Иногда химикам удается получить нужный эффект от действия реагентов, которые ранее для этих целей не изучались. По результатам таких работ технологи начинают проводить испытания с образцами натуральной кожи. Результаты обычно представляют в виде таблиц, в которых указывается тип кожи, состав действующего реагента, температура, время выдержки (реагент должен проникнуть внутрь материала), испытания на влагостойкость, прочность и ряд других свойств. Это позволяет выбрать оптимальные реагенты и условия. Для объяснения полученных результатов используются схемы, которые предоставили химики-синтетики. Очень часто такое сотрудничество оказывается плодотворным.

В заключение вспомним, что и в наши дни натуральная кожа остается широко используемым материалом. Возможно, вскоре убой животных, шкуры которых используются для кожевенной промышленности, будет запрещен. Однако есть вероятность, что для изготовления кожаных изделий будут пригодны шкуры животных, выбывших из производства молочных продуктов. Несомненно одно: доведенные до совершенства современные технологии позволяют создавать кожаные изделия исключительной красоты и использовать замечательные возможности этого древнего и всегда популярного материала.

Лидер среди природных полимеров

Речь пойдет о целлюлозе. Лидером она названа потому, что это самый распространенный органический полимер на Земле. Кроме того, для него разработано очень много вариантов химической модификации.

Предметы из целлюлозы постоянно окружают нас в повседневной жизни: 40–60 % древесины состоит из целлюлозы, в хлопковой вате ее содержание – 96–98 %, а ворсинки тополиного пуха – это практически чистая целлюлоза. Линейная полимерная молекула целлюлозы собрана из циклических молекул глюкозы (рис. 1.3), молекулярная масса – от 400 000 до 2 млн, а сама молекула напоминает бусы.

Факт содержания глюкозы в структуре целлюлозы невольно подводит к вопросу: можно ли использовать ее в пищевых целях, поскольку глюкоза – ценный питательный продукт? Вероятно, среди первобытных людей тоже встречались экспериментаторы. Наблюдая, с каким удовольствием пощипывали травоядные животные траву, люди тоже пробовали есть ее, но быстро убеждались, что это не утоляет голод. Все дело в том, что в организме травоядных присутствует фермент (биологический катализатор), который способен расщеплять целлюлозу. В организме человека он отсутствует. И в конце концов люди нашли растения, содержащие глюкозу, крахмал и другие соединения, пригодные в качестве пищевых продуктов, а также научились правильно использовать свойства целлюлозы. Линейное строение ее молекул способствует образованию волокон, которые достаточно прочны. Например, благодаря этим волокнам деревья с тонкими высокими стволами могут противостоять непогоде.

Наиболее распространенное применение волокнистой целлюлозы – изготовление хлопчатобумажных тканей. Хлопковые волокна в силу своих природных свойств идеально подходят для прядения нитей, но хлопок – это культура, которую довольно трудно выращивать: он растет лишь в определенной климатической зоне. Можно ли использовать целлюлозу древесины, чтобы делать из нее волокна и ткани?

Для вытягивания нитей полимер обычно нагревают до размягчения, а затем полученный расплав продавливают сквозь пластину с маленькими отверстиями – фильеру. На выходе из фильеры полимер застывает в виде нитей. Для этого полиэтилен достаточно нагреть до 180–200 ^оС, а поликапролактам, из которого получают капроновые волокна, нужно нагревать до 250–300 ^оС. Однако для целлюлозы такой способ неприменим. Известно, что древесина при нагревании не размягчается и не становится текучей – она просто начинает обугливаться. Выражаясь научным языком, температура размягчения целлюлозы выше температуры ее термического разложения.

Есть другой способ получения волокна из полимеров. Отличительная особенность линейных полимеров – способность растворяться в органических растворителях. Таким образом, полимер необходимо растворить, а полученный раствор продавить через фильеру в ванну с осадителем. Осадитель – это жидкость, которая легко смешивается с растворителем, но не растворяет сам полимер. В итоге на выходе из фильеры получаются нити. А далее исследователи столкнулись с очень сложной задачей. Как следует из показанной формулы (рис. 1.4), целлюлоза имеет линейное строение, но в то же время она не растворяется ни в одном из известных растворителей. Причина этого станет понятной, если посмотреть на строение полимерного звена целлюлозы. Каждый циклический фрагмент содержит три гидроксильные группы -ОН. Полярные группы всегда в той или иной степени взаимодействуют, и в данном случае между этими полярными гидроксильными группами соседних полимерных цепей возникает так называемая водородная связь, которая представляет собой электростатическое взаимодействие частичного отрицательного заряда на атоме О и положительного – на атоме Н. На рис. 1.4 эти связи показаны штриховыми линиями.

В результате все молекулы оказываются объединенными в единую структуру, напоминающую сшитый полимер. Водородная связь в 15–20 раз слабее ковалентной связи, однако следует помнить, что водородные связи располагаются по всей длине достаточно протяженной молекулы. Получается, что "много слабых вместе – это сила". Поэтому чрезвычайно трудно отделить одну молекулу от другой и перевести ее в раствор. Молекулы цепляются друг за друга, словно застежки-липучки на одежде и обуви. Несмотря на то что каждый маленький крючок такой застежки держится за противоположную поверхность не очень крепко, невозможно расцепить все крючки разом.

Кажется вполне логичным, что для растворения целлюлозы надо заменить гидроксильные группы другими – такими, которые не образуют сетку поперечных связей. Первое решение этой задачи было найдено давно. В 1885 г. французский химик Л. Шардонне предложил получать искусственное волокно из целлюлозы, заменив в ней гидроксильные группы нитрогруппами, которые образуются при нитровании азотной кислотой. Поскольку побочный продукт – это вода, то для ее связывания в реакционную систему вводили концентрированную серную кислоту, которая реагирует с водой, образуя гидраты (рис. 1.5).

Полимер хорошо растворялся в спиртоэфирной смеси, образуя прядильный раствор, пригодный для формования волокон. Однако полученные волокна были непригодны для прямого использования, поскольку оказались необычайно горючими. Напомним, что нитроцеллюлоза – основное исходное соединение при изготовлении бездымного пороха. Чтобы снизить горючесть, из отформованного волокна нитрогруппы удаляли длительной обработкой гидросульфидом аммония NH₄SH. В результате всех этих процедур происходил частичный разрыв макромолекул, и механическая прочность волокна заметно снижалась.

Тем не менее нитроцеллюлоза нашла свое применение: на ее основе был создан первый в истории промышленный пластик – целлулоид, содержащий 75 % нитроцеллюлозы и 25 % камфары в качестве пластификатора. Пластификатор – это вещество, которое вводят в состав полимерных материалов для повышения его эластичности или пластичности (то есть чтобы полимерный материал стал пластиком). Он был разработан американским изобретателем Д. У. Хайатом в 1869 г. Основная цель изобретения состояла в том, чтобы найти материал, заменяющий дорогую слоновую кость, которую использовали в производстве бильярдных шаров. Целлулоид быстро стал популярным: из него, помимо бильярдных шаров, начали делать линейки, расчески, корпуса музыкальных инструментов, мячи для настольного тенниса и детские игрушки. Огромную роль целлулоид сыграл в развитии кинематографии – он стал прозрачной основой кинопленки.

Целлулоид обладает массой достоинств: изделия из него можно получать отливкой и прессованием, он легок, прочен, отлично полируется, подвергается механической обработке, подобно кости и рогу, легко окрашивается, при нагревании изделия до 120 ℃ снова становится пластичным и принимает любую форму. Однако все эти достоинства перечеркиваются одним недостатком – целлулоид исключительно пожароопасен и может гореть без воздуха, поскольку по составу близок к бездымному пороху. История помнит жуткие пожары в кинобудках и на складах фотоматериалов. В настоящее время этот пластик на основе природного полимера полностью заменили другие полимеры.

Пожароопасность удалось исключить, когда вместо нитрогрупп в состав целлюлозы ввели ацетатные группы CH₃C(=O)O-. В элементарном звене целлюлозы находятся три гидроксильные НО-группы: возможно ацетилирование как двух НО-групп, так и трех (рис. 1.6а, б). Ацетилирование – это химическая реакция, в ходе которой атом водорода замещается на остаток уксусной кислоты CH₃CO. Уксусная кислота ацетилирует очень слабо, поэтому используют более активный уксусный ангидрид, а для связывания выделяющейся воды применяют концентрированную серную кислоту, как и в производстве нитроцеллюлозы.

Ацетатцеллюлоза впервые была получена П. Шутценбергером в 1865 г. в Германии. Он сразу отметил, что, в отличие от нитроцеллюлозы, новое соединение плохо загорается и быстро гаснет. Ацетатцеллюлозное волокно оказалось мягким, эластичным, малосминаемым, однако оно обладает невысокой прочностью, поэтому при изготовлении тканей в него добавляют натуральные и синтетические волокна.

Триацетат целлюлозы полностью вытеснил нитроцеллюлозу из кино- и фотопромышленности, а также стал основным материалом при изготовлении магнитофонных лент. Пластмассы на основе триацетата целлюлозы (рис. 1.6б), называемые этролами, используют в производстве трубопроводов, через которые транспортируется природный газ, при изготовлении деталей автомобилей, самолетов, судов (штурвалов, приборных щитков, пригодных для работы в экстремальных условиях Арктики и тропиков). Триацетат целлюлозы – абсолютный лидер среди материалов, применяемых в производстве оправ очков – около 70 % всех производимых пластмассовых оправ.

Диацетат целлюлозы (рис. 1.6а) содержит НО-группы и, соответственно, гидрофилен (то есть не отталкивает воду). Его используют в качестве полимера-носителя для лекарственных препаратов продолжительного действия. Диацетатные пленки применяют для остекления теплиц и парников, так как они пропускают УФ-лучи. Если еще уменьшить количество ацетатных групп и, соответственно, увеличить содержание НО-групп, то полимер можно использовать в хирургии – в случаях, когда необходимо накладывать швы с рассасывающимися нитями.

Итак, результаты химической модификации целлюлозы оказались успешными. А можно ли просто растворить целлюлозу, никак не модифицируя, не изменяя ее состав и не разрушая полимерные цепи? Ранее было сказано, что целлюлоза ни в чем не растворялась, однако для химии нет ничего невозможного – за исключением тех случаев, когда требуется нарушить законы природы.

В целом предполагалось, что если на некоторое время разрушить водородные связи и затем получить из раствора волокно, то эти связи восстановятся сами, и мы вновь получим исходную целлюлозу. Разрушить водородные связи можно, если ввести в полимер какое-то высокополярное соединение, которое будет взаимодействовать с гидроксильными группами более интенсивно, чем гидроксильные группы между собой. В этом случае можно рассчитывать на то, что соединение, постепенно проникая внутрь с поверхности, будет размыкать "крючки" водородных связей.

Растворитель для целлюлозы был найден в 1857 г. швейцарским химиком Э. Швейцером. Это было весьма необычное соединение, которое никогда и никем не рассматривалось в качестве растворителя – водный раствор комплексного соединения гидроксида меди с аммиаком [Cu(NH₃)_n](OH)₂, n= 4 ÷ 6 (диапазон в значении "n" указывает на то, что это комплекс переменного состава). Его получают растворением гидроксида меди Cu(OH)₂ в водном аммиаке (нам его раствор известен как нашатырный спирт, который в медицине применяют при потере сознания). Целлюлоза растворяется в медно-аммиачном комплексе при комнатной температуре, затем раствор продавливается через фильеру в ванну с проточной водой. Медно-аммиачный комплекс вымывается, а полученное волокно по составу будет представлять собой исходную целлюлозу. Тем не менее при этом происходит некоторая трансформация, немного изменяется пространственное расположение звеньев полимерной молекулы, а полученные волокна совсем не похожи на хлопковое волокно. Они имеют блестящую поверхность и внешне напоминают натуральный шелк, поэтому такое волокно стали называть медно-аммиачным шелком. Оно оказалось непрочным. В 1901 г. работы немецкого химика Ф. Тиле ознаменовали следующий этап в истории этого волокна: формование стали проводить с одновременной вытяжкой, благодаря чему участки полимерных цепей ориентировались вдоль оси волокна, что привело к заметному повышению прочности.

Все описанное выше – поиски растворителя, разрушающего водородные связи между цепями линейного полимера, ориентирование полимерного волокна в процессе формования – воспринимается на первый взгляд как обычная научная работа, опирающаяся на существующие представления о строении и свойствах полимеров. Удивительно, что в то время, когда проводились эти работы, науки о полимерах вообще не существовало: она появилась спустя несколько десятилетий. Соответственно, не было таких понятий, как макромолекула, линейный полимер, "обязанный" в чем-то растворяться, ориентирование полимерных звеньев. Помимо этого, еще даже не было установлено точное строение целлюлозы.

Можно только удивляться необыкновенной интуиции первых химиков-полимерщиков, сумевших настолько грамотно разработать весь процесс получения волокна, что в основных чертах он сохранился неизменным до наших дней.

Интересно, что разрушает водородные связи в целлюлозе не только реактив Швейцера, но и сжиженный аммиак (t кип. – 33,5 ^оС). Если опустить в него на некоторое время спичку или тонкий карандаш, то водородные связи частично разрушатся, поскольку аммиак свяжет атомы водорода гидроксильных групп в ионы аммония NH₄⁺. В итоге дерево станет пластичным, и карандаш можно будет завязать узлом. При комнатной температуре жидкий аммиак быстро испарится, водородные связи восстановятся в деформированной древесине, которая вновь приобретет исходную жесткость. Естественно, такие опыты необходимо проводить в хорошем вытяжном шкафу с использованием резиновых перчаток: пары аммиака при вдыхании вызывают нестерпимую боль.

Был найден еще один способ растворения целлюлозы. Ученым пришлось пойти на небольшую хитрость: на промежуточном этапе химически модифицировали целлюлозу, чтобы ее растворить, а в процессе вытягивания нити удаляли модифицирующую группу и вновь получали исходную целлюлозу. Речь идет об известном процессе получения вискозного волокна. Измельченную древесину обрабатывают водным раствором NaOH, гидроксильные группы – ОН превращаются в – ONa. На следующей стадии применяют жидкий сероуглерод CS₂ – это соединение практически является аналогом углекислого газа O=C=O, в котором атомы кислорода заменяются родственным элементом – серой S=C=S. Сероуглерод встраивается между атомами O и Na в группах -ONa (рис. 1.7).

Образуется вязкая водно-щелочная масса (вискоза, от лат. viscosus – "вязкий"), которую продавливают сквозь фильеру в ванну с серной кислотой. Ионы натрия переходят в раствор в форме сульфата, сероуглерод высвобождается и удаляется вместе с сернокислым раствором. Образовавшаяся шелковистая нить представляет собой чистую целлюлозу. Сам процесс в 1891 г. изобрели англичане Ч. Кросс, Э. Беван и К. Бидле, а через год они организовали производство вискозы. Она применяется для изготовления тканей, которые приятны в носке, не препятствуют нормальному воздухообмену, легко окрашиваются и образуют нежные драпировочные складки.

Из той же самой вискозной массы получают продукт, имеющий такой же состав, но внешне совсем не похожий на ткань. Это целлофан – шуршащая прозрачная пленка. Идея производить не волокно, а пленку пришла к швейцарскому химику Ж. Бранденбергеру: он искал способ защитить скатерть от грязных пятен. Он обработал хлопчатобумажную ткань вискозным сырьем, в результате скатерть огрубела и стала жесткой, а само покрытие легко отслоилось в виде прозрачной пленки. Бранденбергер понял, что получил новый пленочный материал – его производство он наладил через несколько лет. Вискозную массу продавливали не через фильеру с множеством отверстий, а через узкую щель. На какое-то время целлофан стал самым популярным упаковочным материалом, сейчас его вытеснил более дешевый полиэтилен. Однако, если проанализировать ситуацию, мы поймем, что это не самая удачная замена. Целлофан исключительно хорош для хранения пищевых продуктов: он позволяет "дышать" упакованному содержимому, надолго сохраняя его свежесть. Также целлофан легко утилизируется естественным образом – разлагается, что особенно актуально в современных условиях, когда остро встает вопрос утилизации отходов.

Подводя итог, отметим, что достоинства природного полимера – целлюлозы – были в полной мере оценены и умело использованы настойчивыми химиками-исследователями.

Когда упорство выше знаний

Помимо описанных выше натуральной кожи и целлюлозы, существует еще один природный полимер, который человечество сумело успешно приспособить к своим нуждам. Это натуральный каучук (заимствование из французского языка: caoutchouc <индейск. каучу, сложение кау – "дерево" и учу – "течь". Каучук буквально – "сок, текущий из дерева"¹). Впервые каучук обнаружили в начале XVI в. участники экспедиции Христофора Колумба, прибывшие на Американский континент. Они увидели, что туземцы играют в мяч, сделанный из совершенно неизвестного материала. Мяч отскакивал от земли, легко сжимался и быстро восстанавливал свою первоначальную форму. Долгое время каучук, привезенный из Южной Америки, был просто заморской диковинкой.

В 1735 г. французская экспедиция во главе с исследователем Ч. Кондамином установила, что каучук получают из млечного сока бразильской гевеи, который собирают, делая косые надрезы на коре и прикрепляя к дереву сосуд для сбора сока (рис. 1.8). Млечный сок (научное название – латекс) представляет собой эмульсию со взвешенными в воде мелкими каплями каучука. Содержание каучука – 34–37 %. При небольшом нагревании или действии органических кислот латекс "сворачивается" подобно тому, как створаживается нагретое скисшее молоко, и чистый каучук легко отделяется от воды. В 1738 г. Кондамин представил в Парижской академии наук образцы каучука и описание способов его получения в Южной Америке. Новое вещество вызвало научный интерес, однако единственное применение в 1770 г. нашел британский химик Джозеф Пристли – именно он был первооткрывателем кислорода (см. главу "Озарения, открытия, превратности судьбы", рассказ "Открытия не могло не быть"). Пристли обнаружил, что каучук может стирать написанное графитовым карандашом. Такой предмет мы называем ластиком. Попытки использовать каучук продолжил британский химик и изобретатель Чарльз Макинтош. Он поместил тонкий слой каучука между двумя слоями ткани и из этого материала стал шить водонепроницаемые плащи. В 1823 г. он организовал в Глазго мануфактурное производство водонепроницаемой одежды, и с тех пор непромокаемый плащ из прорезиненной ткани носит его имя.

Однако не путайте его с известными однофамильцами. Изначально Макинтоши были представителями древнего шотландского клана. В свое время в Северной Америке был выведен сорт яблок, ставший популярным и получивший название в честь создателя, Джона Макинтоша, а современная линейка персональных компьютеров Macintosh (Mac) корпорации Apple получила название от сорта яблок.

Впрочем, вернемся к прорезиненным плащам. Первые эксперименты оказались неудачными: зимой такие плащи становились твердыми от холода, а летом расползались от жары. Через год вся продукция превращалась в жидкое месиво и издавала отвратительный запах.

Устранить эти недостатки решился американский изобретатель-одиночка Чарльз Гудьир. Он не имел никакого образования и, естественно, никакого представления о том, из чего состоит натуральный каучук. Почему он полагал, что эта задача имеет решение? Может быть, ему что-то подсказывала интуиция, но скорее всего, его привели в изумление свойства каучука, который не имеет аналогов среди всех предметов окружающего нас мира. Он способен увеличивать свою длину в 6–8 раз и возвращаться в исходное состояние после снятия растягивающего усилия – впрочем, мы уже привыкли к каучуку и не удивляемся его высокоэластическим свойствам. Гудьир, вероятно, был поражен уникальными свойствами каучука и решил непременно найти ему применение. Он с фанатичным упорством вводил в каучук различные добавки. С помощью скалки для теста он смешивал с пластинками каучука все, что попадалось под руку: песок, соль, мел, перец, сахар, сыр, чернила, магнезию и даже суп, твердо веря, что решение задачи найдется. Поиски длились не один год. Среди добавок оказалась и порошкообразная сера, которой он припудривал образцы каучука, чтобы они не слипались. Один из образцов случайно оказался у нагретой печи, но не растекся, а сохранил форму. Гудьир, внимательно следивший за результатами экспериментов, мгновенно это заметил. Так в 1839 г. был открыт процесс, названный впоследствии вулканизацией, а полученный продукт стали называть резиной. Происхождение слова "вулканизация" очень романтичное – оно связано с именем древнеримского бога огня Вулкана, покровителя кузнецов и литейщиков. Это одно из знаменательных событий в истории полимерной химии. Слово "резина" означает на латыни просто "смола". Еще при жизни Гудьира в США, Англии, Франции и Германии начали строить заводы по производству резины. Его имя входит в название резинотехнической фирмы Goodyear Tire and Rubber (США), занимающей одно из ведущих мест в производстве шин. Самое удивительное, что найденный Гудьиром способ вулканизации дошел до наших дней практически без изменений, и серу до сих пор считают оптимальным вулканизатором.

Современная химия только подтверждает, что найденный Гудьиром вариант был исключительно удачным. Исходный мономер изопрен содержит две двойные связи, соединенные одинарной. При его полимеризации образуется полиизопрен – натуральный каучук. Это полимер линейного строения с чередующимися двумя простыми и одной двойной связями в цепи (рис. 1.9).

Молекула натурального каучука содержит 20 000–40 000 элементарных звеньев, молекулярная масса – 1 400 000–2 700 000, и он хорошо растворяется в большинстве органических растворителей. При вулканизации кратные связи, присутствующие в цепи полимера, взаимодействуют с серой, при этом возникают поперечные мостики, содержащие несколько атомов серы (рис. 1.10).

В результате вулканизации образуется прочный эластичный материал, нерастворимый в органических растворителях.

Как часто бывает, решение одной проблемы приводит к появлению новых. Резина стала пользоваться огромным спросом, и основным ее потребителем была автомобильная промышленность, особенно после изобретения конвейерного метода сборки. Автор метода – предприимчивый Генри Форд – в 1932 г. купил у Бразилии более миллиона гектаров для создания плантаций гевеи.

В то время Бразилия процветала: она надолго стала монополистом по выращиванию деревьев-каучуконосов и, естественно, старалась беречь источник своего богатства. Вывоз семян гевеи был строго запрещен. Однако, как показывает история, невозможно сохранить технологические секреты и методики. Англичанам удалось вывезти в трюме океанского судна 70 000 семян гевеи, вследствие чего каучуконосные плантации появились в Индии, на острове Шри-Ланка (прежнее название Цейлон), а также на Малайском архипелаге.

В начале ХХ в. в некоторых странах пытались искать местные растения, способные заменить гевею. В Советском Союзе был найден тянь-шаньский одуванчик кок-сагыз, который выращивали на полях России, Украины, Казахстана. Были построены заводы для переработки этого каучука, который по качеству считался не уступающим каучуку из гевеи. В конце 1950-х гг. с увеличением производства синтетического каучука возделывание одуванчика-каучуконоса было прекращено.

Примечательно, что первый метод производства синтетического каучука был разработан в России. В 1910 г. российский химик С. В. Лебедев предложил реакцию дивинила из этилового спирта, она до сих пор носит его имя. Дивинил стал исходным соединением для производства синтетического каучука, однако он не смог полностью вытеснить природный. Мировой объем производства натурального каучука в настоящее время превышает 8 млн тонн в год. Он незаменим при производстве крупногабаритных шин, способных выдерживать большие нагрузки. Лучшие фирмы-производители изготавливают шины для легковых автомобилей из смеси натурального и синтетического каучука, а главной областью применения натурального каучука остается шинная промышленность.

Химия привлекательности

В предыдущих разделах этой главы мы рассказали, что создание поперечных сшивок между линейными молекулами стало одной из задач модификации природных полимеров (натуральной кожи и каучука). Существует природный полимер, в котором белковые цепи уже соединены поперечными мостиками – не слабыми водородными связями, как у целлюлозы, а прочными химическими. Речь идет о волосяном покрове млекопитающих: толщина отдельных ворсинок у мериносовой овцы – основного "поставщика" шерстяной пряжи – 0,02 мм, толщина конского волоса – до 0,2 мм. Известно, что сшитые полимеры при нагревании не размягчаются и ни в чем не растворяются, поэтому их модификация затруднена, но не невозможна. Однако химики всегда находят решение: они сумели разрушить полярные связи в целлюлозе (см. выше – "Лидер среди природных полимеров") и не отступили при поиске метода, который позволял бы разрушить не слабые полярные, а сильные химические связи.

Изменение структуры шерстяных волокон почти не применяется, поскольку их свойства практически оптимальны. Чаще всего для снижения усадки при стирке таких изделий в шерстяную пряжу в процессе изготовления нитей добавляют синтетические волокна. Тем не менее существует один широко известный пример их модификации.

Волосяной покров млекопитающих – материал, отформованный в виде волокна самой природой, но часто естественная форма не устраивает человека. Например, многие люди предпочли бы иметь не прямые, а волнистые волосы. Обычные способы завивки – накручивание в мокром виде на бигуди или завивание горячими щипцами – не слишком эффективны. При первом же воздействии влажного воздуха или воды волосы распрямляются. Все объясняется свойствами сшитой структуры. Полимерные белковые молекулы волос соединены поперечными связями из мостиков с двумя атомами серы (дисульфидных) (рис. 1.11) – почти таких же, которые ранее упоминались при обсуждении вулканизации резины.

Рассуждая логически, мы понимаем, что надо разрушить поперечные химические связи, придать полимеру нужную форму, а затем восстановить эти связи, чтобы вернуть полимеру исходный состав – и, соответственно, свойства. Иными словами, сначала "распороть", а потом "сшить". Разрушение и восстановление химических связей – это обычная задача, с которой химики сталкиваются постоянно. Таким образом, чтобы изменить форму волос, надо разрушить дисульфидные мостики, создать новую форму и восстановить поперечные сшивки. Химики решили эту задачу, разработав метод химической завивки. Вначале волосы обрабатывают гидросульфитом натрия: дисульфидные мостики размыкаются, образуя тиогруппы – SH (рис. 1.12).

Обработанным волосам можно придать нужную форму: например, накрутить на бигуди, а затем провести обратную реакцию, то есть вновь создать дисульфидные мостики, воздействуя либо кислородом воздуха, либо раствором пероксида водорода. Мостики при этом восстанавливаются, волосы приобретает прежнюю упругость и "запоминают" новую форму (рис. 1.13).

Вода на такую завивку уже не действует, однако волосы постепенно отрастают, и всю процедуру приходится периодически повторять. Следует иметь в виду, что в основном химические реакции – особенно те, которые происходят не в растворе, а на границе твердого тела (поверхность волоса) и раствора – протекают не полностью. В итоге дисульфидные мостики восстанавливаются не до конца, и после неоднократной обработки качество волос ухудшается. Тем не менее с точки зрения химика поставленную задачу можно считать решенной.

Многократное уплотнение

Два слова в заголовке – это дословный перевод термина "поликонденсация". Это своеобразное сочетание греческого и латинского корней: поли- (греч. πολύ – "многочисленный") и конденсация (лат. сondēnsāre – "уплотнять"). Поликонденсация – следующий (после полимеризации) распространенный способ получения полимеров. Если полимеризация – результат творчества химиков, то поликонденсация по существу – копирование природных процессов. При полимеризации рост цепи происходит благодаря раскрытию двойных связей или циклов. Рост цепи при поликонденсации происходит в результате взаимодействия двух реакционных групп в соседних молекулах, что сопровождается выделением низкомолекулярного продукта, обычно это вода, спирты, NaCl. Все природные полимеры образуются в результате поликонденсации.

Таким образом, в реакции участвуют два соединения, у каждого имеются две реакционноспособные (функциональные) группы А и B, при их взаимодействии образуется мостиковая группа, обозначенная Х (рис. 1.14).

Важно, чтобы группы А и B могли вступать в реакцию друг с другом. Фрагменты двух молекул соединяются, и выделяется побочный низкомолекулярный продукт реакции, который можно легко отделить. Логически рассуждая, мы приходим к выводу, что если в реакционной смеси одно из соединений присутствует в большем количестве, чем второе, то рост полимерной цепочки быстро остановится, и на концах получившейся молекулы окажутся фрагменты того соединения, которое имеется в избытке (рис. 1.15).

Поэтому для получения длинных полимерных цепочек берут исходные соединения в эквимолекулярном соотношении, то есть 1:1. Реагентов, удовлетворяющих требованиям поликонденсации, очень много, но далеко не все стали основой производимых полимеров. Практика отобрала те варианты, которые образуют полимеры с интересными и полезными свойствами, не требуют сложного производства и экономически оправданны.

Полимер, вызвавший покупательскую истерию

В 1935 г. американский ученый У. Карозерс, ведущий химик компании DuPont, создал новый полимер. Он провел поликонденсацию адипиновой кислоты и гексаметилендиамина (рис. 1.16). При взаимодействии карбоксильных групп – С(О)ОН и аминогрупп – NH₂ выделяется вода и образуется группировка – C(O)NH-, называемая амидной.

Естественно, полимеры с такими группами в цепи стали называть полиамидами. Для полимера, полученного Карозерсом, общепринятым стало название "нейлон". Существует предположение, что это объединение сокращенных названий двух городов – Нью-Йорка и Лондона: NYLON = New York + London.

Полимер размягчается при 260 ^оС, после чего его можно продавливать сквозь фильеру, чтобы на выходе получить тонкие нити. В 1938 г. началось промышленное производство нейлона, причем оно было сразу ориентировано на производство дамских чулок. Ранее чулки вязали из более привычных материалов – хлопка, шелка, вискозы, поэтому тонкие прозрачные чулки стали настоящей революцией. Товар оказался столь востребованным, что вызвал массовую истерию: вокруг универмагов, в которых продавались чудо-чулки, выставлялись полицейские посты, чтобы сдерживать толпы покупательниц, пытающихся прорваться к прилавкам. Сразу же после покупки женщины разрывали упаковку и надевали обновку прямо на улице. В первый же день появления в магазинах было продано семьдесят две тысячи пар новых чулок, а за первый год – 70 млн пар. Никогда в истории торговли ни один товар не имел такого успеха. Повышенный спрос не утихал вплоть до начала Второй мировой войны, когда нейлон был объявлен стратегическим материалом. Из него начали шить парашюты, палатки, тенты для военных машин, походные рюкзаки, военное обмундирование. Нейлоновые чулки можно было купить только по специальным карточкам, но после окончания Второй мировой свободная продажа возобновилась, и в первый же день в нью-йоркском универмаге Macy's за шесть часов было раскуплено 50 тысяч пар чулок.

К концу 1960-х гг. в моду вошли мини-юбки, чулки с поясом и резинками стали выглядеть неэстетично, и в результате производители придумали колготки, которые быстро обогнали чулки по количеству продаж. В настоящее время из нейлона делают не только чулки и колготки: его используют при изготовлении втулок, корпусов подшипников, так как он имеет низкий коэффициент трения и к тому же незаменим в производстве парашютов.

Можно регулировать свойства нейлона – как и других полиамидов. В этих полимерах присутствует заметное количество областей, где участки полимерных молекул расположены упорядоченно, они образуют включения кристаллической фазы, причем одна и та же макромолекула может проходить через кристаллические и аморфные области (рис. 1.17).

Между участками полимерных молекул в кристаллической фазе существуют особые "взаимоотношения". Карбонильные группы в одной молекуле и аминогруппы в соседней молекуле взаимодействуют, образуя так называемые водородные связи >С=О…Н – N<. О подобных связях между НО-группами в целлюлозе рассказывается в разделе "Лидер среди природных полимеров". Именно водородные связи формируют в полиамидах кристаллическую структуру.

Если между двумя карбонильными группами четное количество атомов углерода – точнее, метиленовых групп -СН₂– (на рис. 1.18 показаны четыре такие группы), то амино- и карбонильные группы в соседних цепях располагаются столь удачно, что каждая из них легко дотягивается до соседней, образуя водородную связь. В результате возникает плотная сетка, и температура плавления кристаллических областей достигает 260 ^оС.

Если в цепочку, связывающую карбонильные группы, добавить еще одну метиленовую группу (рис. 1.19, пять метиленовых групп), то взаиморасположение карбонильных и аминогрупп в соседних цепях оказывается менее удачным: часть из них не "дотягивается до соседей", сетка водородных связей становится более редкой, и температура плавления кристаллических областей снижается.

Добавление еще одной метиленовой группы вновь обусловливает "удачное" расположение >С=О и Н – N< – групп, и температура плавления повышается. Это отчетливо видно на графике, иллюстрирующем зависимость температуры плавления кристаллических областей в полиамидах от расстояния между карбонильными группами: полимеры с четным количеством метиленовых групп плавятся при более высоких температурах (рис. 1.20).

Кристаллическая фаза повышает прочность и понижает пластичность. Таким образом, изменяя состав исходных соединений, можно регулировать свойства полиамидов.

Как обойти патент

Необычайный коммерческий успех нейлона привлек внимание других стран – в первую очередь Германии, где химия была высокоразвитой. Патент на производство нейлона принадлежал американской фирме DuPont, и потому производство этого полимера другой фирмой и тем более в другой стране требовало соответствующих выплат владельцам патента. Германия же очень быстро, буквально в тот же год, когда в США в продаже появились нейлоновые чулки, нашла оригинальное решение. Немецкий химик П. Шлак предложил иной способ получения полиамида, имеющего точно такой же состав, как у нейлона. Исходным соединением был циклический амид капроновой кислоты, называемый капролактамом. Поясним название. Капроновая кислота С₅Н₁₁С(=О)ОН получила свое название потому, что содержится в жире козьего молока (лат. capra – коза) и в свободном состоянии имеет характерный "козлиный" запах. Как и любая карбоновая кислота, она может образовывать амид, то есть группировку – С(=О) – NH-. Если амид замкнут в цикл, его называют лактамом. Капролактам и раскрытие его цикла с образованием полиамида, получившего название "капрон", показаны на рис. 1.21. В Германии этот полимер называют "перлон".

Состав капрона (количество всех атомов в элементарном звене полимера) действительно совпадает с составом нейлона, но главное заключается в другом. Если бы Германия предложила иной способ получения нейлона с тем же строением, то запатентовать такой полиамид вряд ли получилось бы. Важно, что строение – то есть порядок расположения атомов – различно. Сравните строение цепи нейлона и капрона (рис. 1.22).

В нейлоне путь от одной группы NH до такой же ближайшей группы проходит исключительно по цепочке из – CH₂-групп, а при движении между этими группами в капроне неизбежно "встретится" группа C=O. Иными словами, получается, что фрагменты диамина и дикарбоновой кислоты соединены в нейлоне по принципу "голова к голове" и "хвост к хвосту", а в капроне – "голова к хвосту" (рис. 1.30). Именно это различие в строении позволило Германии организовать независимое производство практически такого же полиамида. Области применения нейлона и капрона совпадают, однако капрон размягчается при более низкой температуре и потому более удобен в переработке.

Самый прочный полиамид

В середине 1960-х гг. фирма DuPont вновь сумела всколыхнуть полимерную химию. Решая задачу разработки волокна с повышенной прочностью, которое могло бы вытеснить стальной корд в автомобильных шинах, химик-исследователь Стефани Кволек заменила в структуре нейлона цепочки из метиленовых групп – СН₂– бензольными ядрами, и полученный ароматический полиамид получил название "кевлар" (рис. 1.23).

Кевлар устойчив к воздействию химических веществ, не горит, не размягчается при нагревании и начинает разлагаться только при температуре 430–480 ^оC. Прядение волокон производят из раствора (обычно в серной кислоте). Волокно из кевлара в семь раз прочнее стального волокна, причем с понижением температуры его прочность увеличивается. Такие волокна добавляют в оптоволоконный кабель, поскольку нить предотвращает его растяжения и разрывы по всей длине кабеля. Ткань из кевлара невозможно порвать, порезать или растянуть, из нее делают перчатки и защитные вставки в спортивную одежду для мотоспорта или сноубординга. Самый известный способ применения – изготовление бронежилетов, и, разумеется, кевлар применяют в той области, для которой он и создавался, – им заменяют тяжелый стальной корд в автомобильных шинах (кордом называют прочные нити, которые встроены в полимерный материал шины для увеличения прочности).

Щедрый этилен и его потомки

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.

Лучший изолятор

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.

При поисках высокополярного растворителя, который мог бы разрушить эти водородные связи, было испытано несколько тысяч различных органических соединений. Почему же потребовалось исследовать такое большое количество растворителей? Дело в том, что поиск подходящего растворителя ведется в определенной области "подозреваемых" соединений. Опытные химики могут весьма точно очертить такую область. Имеются даже некоторые теоретические предпосылки, которые помогают выбрать класс подходящих веществ. Но невозможно указать заранее формулу конкретного соединения. И поиск правильного решения с помощью рассуждений не гарантирует успешный результат: необходим накопленный опыт, экспериментальное чутье и часто просто бесконечное экспериментирование.

В конечном итоге проблему удалось решить. История науки показывает, что широкий и интенсивный поиск решения задачи часто приводит к успеху – особенно если известно, что она в принципе разрешима. Было найдено сразу несколько растворителей, и оптимальным оказался диметилформамид (CH₃)₂NC(O)H.

Лишь по одной детали можно судить, насколько трудной была задача по поиску растворителя. На растворяющую способность веществ заметно влияют даже незначительные различия в структуре. Например, очень близкие по строению к диметилформамиду (CH₃)₂NC(O)H соединения – формамид H₂NC(O)H и диэтилформамид (C₂H₅)₂NC(O)H – не растворяют полиакрилонитрил. Можно представить, как легко было "проскочить" мимо нужного соединения, проверив лишь растворяющую способность двух из трех очень похожих соединений. Диметилформамид положил начало использованию полиакрилонитрильного волокна, которое стали получать, продавливая раствор через фильеры в воду (диметилформамид смешивается с водой). Волокно по внешнему виду напоминает шерсть, окрашивается в различные цвета, обладает заметной прочностью, светостойкостью и термостойкостью (длительно выдерживает 120–130 ℃, практически не изменяя своих свойств). Недостаток этого волокна – низкая гигроскопичность (влагопоглощаемость). Его торговое название в отечественной промышленности – "нитрон", а в зарубежной – "орлон" (рис. 1.29).

Орлон, в свою очередь, помог начать широко использовать диметилформамид. Ранее это было довольно редкое соединение, имевшееся далеко не в каждой лаборатории, но после того, как была обнаружена уникальная растворяющая способность, его стали производить в промышленном масштабе. Диметилформамид оказался почти универсальным растворителем и в настоящее время широко применяется в производстве пленок, лаков, красок, искусственной кожи, а также служит реакционной средой, обладающей каталитическими свойствами. В научной литературе для него даже есть специальное сокращение – ДМФА (в англоязычной литературе – DMF).

Необычное превращение происходит с полиакрилонитрилом при 300 ^оС: нитрильные группы взаимодействуют, замыкая циклы, затем происходит дегидрирование (отщепление водорода), и образуется имеющий лестничное строение полимер, состоящий из конденсированных циклов (рис. 1.30).

В результате нагрева соединение приобретает черный цвет (его называют "черным орлоном"), оно выдерживает нагревание в открытом пламени до температуры красного каления без видимого разрушения. Так как это соединение ни в чем не растворяется, то для получения определенного изделия его формируют из полиакрилонитрила, а затем оно подвергается термообработке. При дальнейшем нагревании черного орлона при 1500–2000 ^оC в среде инертного газа образуется углеволокно.

Углеродные волокна (иногда их называют графитовыми волокнами) обладают редким сочетанием свойств. Они имеют большую прочность на растяжение и потому используются для армирования полимерных композиций для авиации и автомобилестроения. Высокая термостойкость волокон придает этим композициям огнестойкость, кроме того, компактный слой углеродных волокон эффективно отражает тепло, что затрудняет терморазложение связующего полимера.

Благодаря высокой химической стойкости этих волокон, изготовленные из них ткани применяют для фильтрации агрессивных жидкостей, очистки газов и при изготовлении защитных костюмов для работы с едкими веществами.

Углеродные волокна электропроводны, что позволяет их использовать в качестве добавки при изготовлении электропроводящего асфальтобетона для нагреваемого дорожного покрытия аэропортов. Это помогает в зимний период легко устранять обледенение взлетных полос.

При введении таких волокон в структуру ткани образуется нагревающийся материал, используемый в быту, например при изготовлении термоодежды и термоодеял. В отличие от металлических нитей и спиралей углеродные волокна устойчивы к многократным изгибам, что обеспечивает долговечность и безопасное использование таких изделий.

Из полимерных композиций с углеволокном изготавливают легкий и прочный спортивный инвентарь: хоккейные клюшки, лыжи, лыжные палки, вёсла, велосипедные рамы.

Клей мгновенного действия – цианоакрилат

Если в молекуле этилена нитрильную группу -C≡N (как в предыдущем примере) и сложноэфирную группу -С(=О)ОMe (как в полиметилметакрилате, рассмотренном выше) присоединить к одному и тому же атому углерода, то образуется цианоакрилат (рис. 1.31) СH₂=С(СN)(СООR). Его склонность к полимеризации исключительно высока из-за того, что электронная плотность сильно оттянута от двойной связи добавленными группами. Он применяется в виде мономера, а полимер получается сам в процессе использования. Это широко известный суперклей "циакрин". Он был создан американским химиком Гарри Кувером и мгновенно стал сверхпопулярным веществом. В 2010 г. американский президент Барак Обама наградил Кувера за эту разработку Национальной медалью технологий и инноваций. Циакрин склеивает большинство известных материалов и отвердевает почти мгновенно под действием влаги, присутствующей в незначительных количествах на большинстве поверхностей. Еще эффективнее, чем влага, действуют амидные группы, присутствующие в белках, поэтому его с успехом стали применять для обработки ран, ожогов, а также для склеивания треснувших ногтей. Свойства циакрина можно варьировать, изменяя группу R в сложноэфирной группе -OC(=O)R. Наиболее распространен циакрин, у которого R = CH₃, однако у него низкая водостойкость. Она повышается, когда R = C₂H₅ и C₃H₇, но такие соединения заметно дороже. Когда R = C₈H₁₇ (октил-цианоакрилат), клей наименее токсичен, его применяют для остановки сильных кровотечений и для склеивания кровеносных сосудов при хирургических операциях.

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").

Три шага творчества одной простой молекулы

Иной бесцветен в первом ряду, но во втором блистает.
Вольтер

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.

Известная забава

В органической химии существует реакция, имеющая сразу два названия: "диеновый синтез" и "реакция Дильса – Альдера", и обычно используют либо первое, либо второе название. Участвуют два реагента: соединение с двойной связью (олефин) и соединение с двумя двойными связями, разделенными одной одинарной (сопряженный диен). Олефин Х – СН=СН – Х обычно содержит дополнительные группы Х (Х – карбонильная, карбоксильная, нитрогруппа и др.), которые активируют двойную связь олефина, что облегчает протекание синтеза. Все три двойные связи в реагентах раскрываются с последующим замыканием и образованием новых связей (рис. 1.35). Таким образом, в исходной системе – три двойные связи, а в результате образуется циклическое соединение с одной двойной связью. Поскольку в процессе происходит только перегруппировка связей, то побочные продукты не образуются.

За открытие этой реакции немецкие химики О. Дильс и К. Альдер в 1950 г. были удостоены Нобелевской премии. Диеновый синтез широко применяют при синтезе лекарств, витаминов и других продуктов.

"Герой" нашего рассказа – циклопентадиен – способен проводить диеновый синтез "сам с собой", причем просто при хранении, и никакие дополнительные группы Х не требуются. Одна молекула участвует как диен, а вторая "изображает" олефин, то есть участвует только одной двойной связью (рис. 1.36). В полученной молекуле нет сопряженных двойных связей, то есть расположенных через одну простую связь по типу: -С=С-С=С-. Следовательно, оно не может далее участвовать в диеновом синтезе.

Тем не менее с участием циклопентадиена удалось реализовать эффектный вариант диенового синтеза. В качестве исходного было взято соединение, содержащее два циклопентадиенильных кольца, связанных гибкой углеводородной перемычкой -(СН₂)_n– (рис. 1.37а). Второй компонент, как и на рис. 1.35, – олефин, активированный группами Х. Одно из циклопентадиенильных колец, играя роль диенового компонента, реагирует с олефином строго по схеме диенового синтеза (рис. 1.37б). В верхнем циклическом фрагменте образовавшейся молекулы появилась "одинокая" кратная связь. Следовательно, теперь это уже олефиновый компонент: в нижней части имеется не затронутый пока диеновый компонент – циклопентадиенильное кольцо. Все эти двойные связи также могут реагировать далее по схеме диенового синтеза (рис. 1.37в). Вновь образующиеся связи на двух стадиях показаны утолщенными.

Реакция, прошедшая в одной части молекулы, может протекать и в другой части, и вся цепочка реакций повторится. Реагирующие кратные связи перемещаются по молекуле: такая реакция получила название "домино", поскольку напоминает ситуацию, когда одна падающая кость вызывает падение соседней. Превращения типа "домино" в органической химии представляют собой особый класс реакций: осуществляется целый каскад перегруппировок без введения дополнительных реагентов. Однако рассмотренная изящная реакция до поры до времени не использовалась и оставалась лишь элегантной историей для профессиональных химиков.

"Частичка" алмаза

В 1933 г. чешские химики С. Ланда и В. Махачек выделили из нефти с Годонинского месторождения (которое расположено в Моравии) соединение с составом C₁₀H₁₆. На основании результатов элементного анализа и необычайно высокой температуры плавления – 268 ^оС – они практически угадали строение соединения. Позже предположение было подтверждено структурными исследованиями. Это великолепный пример эрудиции и интуиции химиков, способных безошибочно определить строение соединения при минимуме данных. Авторы назвали новое соединение адамантан (греч. ἀδάμας – "алмаз"). Он представляет собой насыщенный углеводород, его каркасная молекула исключительно симметрична и по-своему привлекательна. Атомы углерода расположены в адамантане так же, как в кристаллической структуре алмаза, что и определило название.

Адамантан присутствует в нефти в количестве не более 0,03 %, следовательно, для детального изучения его необходимо синтезировать. В 1941 г. швейцарскому химику В. Прелогу (получившему в 1975 г. Нобелевскую премию за изучение стереохимии органических соединений) удалось получить адамантан. Это стало возможным в результате пятистадийного синтеза, однако с очень низким выходом – менее 1 %. Естественно, подобный способ получения не устраивал химиков, заинтересовавшихся соединением и желающих исследовать его подробнее.

Химики обратили внимание на определенное сочетание свойств соединения: каркас адамантана – жесткий, но ненапряженный, все углы между атомами углерода – 109,5^о – такие же, как в насыщенных углеводородах. Соединение химически очень устойчиво, не реагирует с кислотами и щелочами и имеет высокую температуру плавления. Все указывает на то, что соединение энергетически выгодно, то есть в подходящих условиях должно образовываться легко и самопроизвольно.

И вот наступает момент, когда на сцену выходит "герой" нашего рассказа циклопентадиен, который, как сказано выше, легко димеризуется при хранении, образуя полициклическое соединение. Таким образом, этот димер даже не требуется специально получать (на рис. 1.39 показан тот же самый димер, что и на рис. 1.36, только не в плоском, а в объемном варианте).

Димер гидрируют, двойные связи становятся одинарными, в итоге получается насыщенное соединение (без кратных связей), имеющее состав С₁₀Н₁₆ – то есть точно такой же, как у адамантана (рис. 1.40).

Каталитическая перегруппировка полученного соединения в присутствии безводного хлорида алюминия приводит к адамантану (рис. 1.41). Почему происходит такая перестройка молекулы? Все дело в том, что катализатор AlCl₃ направляет реакцию в сторону образования более устойчивого – то есть энергетически более выгодного – соединения.

Такая методика была предложена в 1957 г. П. Шлеером: двухстадийный синтез дает выход 20 %, в результате адамантан стал доступным соединением, что позволило перейти к его активному изучению. Главным персонажем в описанных событиях является, разумеется, адамантан, а второй важный участник – это катализатор, безводный хлорид алюминия, который направил реакцию в нужную сторону. Каталитические возможности AlCl₃ в органической химии столь велики, что ему посвятили объемную монографию в 1000 страниц. На этом фоне участие циклопентадиена кажется незначительным. Но не стоит забывать о том, что при создании архитектурных шедевров все же необходимы исходные блоки нужной формы – без них постройка невозможна.

От подсобной роли к основной

Все рассмотренные выше примеры показывают, что циклопентадиен сыграл роль хорошего "помощника" при решении различных задач. Но наступил момент, когда он стал интересен сам по себе. Начало этой истории проходило без участия "героя" нашего рассказа. В 2005 г. трем ученым – французу Иву Шовену и американцам Роберту Граббсу и Ричарду Шроку – была присуждена Нобелевская премия по химии за открытие и разработку реакции метатезиса (греч. μετάθεσις – "перемещение"), ее называют также обменной реакцией. Общая схема проста и наглядна: при взаимодействии двух молекул олефинов (углеводороды, содержащие двойные связи) между ними происходит обмен органическими группами, присоединенными к двойной связи (рис. 1.42).

Возможен и более сложный вариант, когда у исходных олефинов – четыре разных заместителя: A, B, C, D. В итоге получаются четыре новых олефина A-C, B-D, A-D, B-C (рис. 1.43).

Ключевую роль играет катализатор металлокарбен – соединение, в котором атом металла связан двойной связью с углеродом М=С (M = Mo, W, Re, Ru). Реакция проходит в одну стадию и без образования побочных продуктов, что позволяет создавать на ее основе экологически чистые производства. Метатезис открыл возможность синтеза новых лекарственных препаратов, пестицидов, органических реактивов, но самым необычным оказалось следующее: при действии катализатора на циклическую молекулу, содержащую двойную связь (циклический олефин), происходит размыкание цикла с его одновременной полимеризацией. Представьте – словно двойную связь в цикле разрезали ножницами (рис. 1.44)! Это оказалось принципиально новым типом полимеризации.

И наконец, свои возможности смог реализовать циклопентадиен: его димер содержит и циклические фрагменты, и двойные связи. Он полимеризуется по той же схеме, что показана на рис. 1.44. В образующемся линейном полимере у циклического фрагмента в каждом полимерном звене остается двойная связь. Она реагирует с двойной связью в соседней молекуле, и в результате получается сшитый полимер (рис. 1.45).

Полидициклопентадиен превосходно сочетает химическую и коррозионную стойкость, жесткость, высокую ударную вязкость и термостойкость. В блоке этого полимера толщиной 3,8 см застревают девятимиллиметровые пули – что сразу наводит на мысль рекомендовать его для изготовления пуленепробиваемых жилетов. Но с такой задачей уже неплохо справляется кевлар (см. раздел "Самый прочный полиамид"). Возможности использования полидициклопентадиена неизмеримо более масштабные. Из него изготавливают корпуса тракторов, радиаторы и детали кузовов автомобилей, громадные параболические антенны, цистерны для перевоза и хранения агрессивных жидкостей, плавательные бассейны индивидуального пользования (гигантское бесшовное корыто). Его несомненное достоинство также в том, что исходное сырье доступное и недорогое. И еще одно преимущество, которое редко обсуждают при оценке свойств полимера, – это общее потребление энергии, необходимое для производства изделия. У полидициклопентадиена оно в четыре раза ниже, чем у одного из самых распространенных полимеров – полипропилена. Название полимера "полидициклопентадиен" и его аббревиатура ПДЦПД труднопроизносимы (особенно нехимиками), и в последнее время утвердилось его международное название Telene.

Возвращаясь к основной теме рассказа, отметим, что обсуждаемый нами циклопентадиен сумел не только показать свою полезность при решении важных задач, но и стать основой полимера, который сегодня является безусловным лидером.

Традиция, логика, расчет

Существуют научные термины, происхождение которых уходит в древность, но до сих пор их используют и в физике, и в химии. Например, слово "атом" (от греч. ἄτομος – "неделимый") постоянно встречается в научных текстах, несмотря на то что ядерная химия давно и успешно изучает расщепление атома. Другой пример: слово "эфир" (греч. aἰθήρ) употреблялось древними греками для обозначения верхнего лучезарного слоя воздуха – местопребывания богов. В поэзии это образ воздушного пространства.

Ночной зефир
Струит эфир.

А. С. Пушкин, 13 ноября 1824 г.

(Зефир – поэтическое название западного ветра, а также широко известное кондитерское изделие.)

Тебя я, вольный сын эфира,
Возьму в надзвездные края…

М. Ю. Лермонтов. Демон

По мнению физиков XVIII–XIX вв., эфир – это некая среда, заполняющая мировое пространство. Через нее действуют различные силы – например, гравитация. В химии эфирами называют класс органических соединений, состоящих из двух органических групп, связанных атомом кислорода R-O-R (простые эфиры) или содержащих фрагмент RC(=O)OR (сложные эфиры). Термин "эфир" пришел в химию благодаря диэтиловому эфиру EtOEt, полученному еще в XIV в. и названному так из-за крайне высокой летучести: его температура кипения – всего 34,6 ^оС. То есть он почти мгновенно испаряется на ладони. Примечательно, что на практике диэтиловый эфир часто называют серным эфиром, хотя никакой серы в нем нет. Дело в том, что его получают в присутствии серной кислоты, которая забирает воду у этилового спирта, в результате чего образуется этот эфир.

В химии довольно много устойчивых терминов, современная трактовка которых далека от первоначального смысла. Далее речь пойдет о термине "полидисперсность", известном далеко не каждому.

На бахче

Обычные арифметические задачи на проценты немного коварны. Если сумма имеющихся у вас денег уменьшилась на 20 %, а затем оставшаяся у вас сумма увеличилась на 20 %, то к прежней сумме вы не вернулись, и в конечном итоге денег у вас стало меньше. Немного неожиданно, но тем не менее все правильно: проведите простой расчет, взяв, например, исходную сумму 100 руб., и убедитесь, что все именно так.

Результаты некоторых задач на проценты очень удивляют. И вот пример: свежий арбуз, принесенный с бахчи, имеет массу 1 кг, и в нем 99 % воды. Естественно, настолько сильно "наводненных" арбузов не бывает, и цифры выбраны для простоты расчета. Арбуз выставили на солнце, часть воды из него испарилась, и теперь в нем 98 % воды. Какова теперь его масса? (Подсказка: в расчетах с помощью пропорции используйте "сухую" часть арбуза.) Ответ будет для вас неожиданным – он помещен в ссылку (рис. 1.46).

https://me-qr.com/1541214

Рис. 1.46.

Перейдем к выращенным арбузам. Предположим, что вы владеете небольшой арбузной бахчой и вам требуется оценить собранный урожай. Самое простое – пересчитать арбузы, но этот показатель малоинформативен, так как надо еще учесть их массу. Для простоты расчета масса каждого арбуза будет дана в килограммах, без дробных долей. Допустим, у вас 80 арбузов общей массой 640 кг, следовательно, средняя масса арбуза – 8 кг. Чем больше полученная цифра, тем успешнее у вас идут дела. Но есть еще дополнительная информация, которую можно представить наглядно. Построим диаграмму, где по горизонтальной оси будут указаны массы арбузов. Разделим все арбузы на группы, сложим в мешки, а для упрощения допустим, что внутри каждой группы арбузы имеют одинаковую массу. Изобразим эти группы (мешки с арбузами) на диаграмме в виде вертикально стоящих прямоугольников, и площадь прямоугольника будет равна количеству арбузов в этой группе. Получим диаграмму, показанную на рис. 1.47.

Для упрощения получившаяся пирамидка сделана симметричной, хотя правая и левая стороны у нее могли быть неодинаковы. Итак, мы вычислили среднюю массу арбуза – 8 кг, и это соответствует серединному прямоугольнику. Назовем эту величину среднечисленной массой, поскольку для расчета было использовано число имеющихся арбузов.

Так как мы уже рассортировали арбузы по массе и у нас имеется семь мешков (семь прямоугольников на диаграмме), вычислим среднюю массу арбуза другим способом. На диаграмме (рис. 1.48) показана та же пирамида, внутри каждого прямоугольника полужирным шрифтом выделена суммарная масса арбузов – то есть масса одного арбуза, умноженная на их число в этом мешке. Далее определим массовую долю каждого мешка, разделив его массу на общую массу – 640 кг. Полученные массовые доли указаны в прямоугольниках курсивом (рис. 1.48).

Естественно, сумма массовых долей всегда равна единице, 0,063+0,103+0,142+0,20+0,183+0,172+0,138 = 1. Для определения средней массы арбуза умножим массовую долю каждого мешка на массу находящегося в нем арбуза – и все просуммируем:

0,063 · 5 + 0,103 · 6 + 0,142 · 7 + 0,28 + 0,183 · 9 + 0,172 · 10 + 0,138 · 11 = 8,4 кг.

Назовем полученную среднюю массу арбуза среднемассовой, поскольку для расчета были использованы массовые доли. Эта величина немного больше полученной ранее среднечисленной массы (8 кг), что неудивительно – ведь эти величины вычисляли разными способами. Очевидно, что первый способ проще и логичнее. Потому невольно возникает вопрос: зачем нужен второй, совершенно головоломный способ? Ответ мы получим, рассмотрев урожай арбузов на соседней бахче (рис. 1.49).

Результаты, полученные для собранного урожая на второй бахче, точно такие же, как и на первой: общая масса 13 · 6 + 17 · 7 + 20 · 8 + 17 · 9 + 13 · 10 = 640 кг. Среднечисленная масса одного арбуза 640 / (13+17+20+17+13) = 8 кг. Однако диаграмма второй бахчи внешне отличается от первой – она несколько ýже, то есть в массах арбузов меньший разброс. Такова визуальная картина, но как охарактеризовать это количественно? Нам может помочь среднемассовая величина. Если провести те же вычисления, что для первой бахчи, то для второй бахчи мы получим 8,3 кг. Мерой разброса арбузов по массе (то есть ширины диаграммы) может служить отношение среднемассовой величины к среднечисленной: на первой бахче 8,4/8 = 1,05, а на второй 8,3/8 = 1,04, то есть на второй бахче эта величина меньше. А какая бахча лучше? Оставим решать этот вопрос тем, кто выращивает арбузы, и двинемся дальше – теперь мы заменим арбузы полимерными молекулами.

Переходим к полимерам

Поскольку даже в крохотном образце полимера, взятом для исследования, содержится совершенно астрономическое число молекул, ступенчатая диаграмма, показанная на рис. 1.48, превратится в сплошную колоколообразную линию, называемую кривой молекулярно-массового распределения (рис. 1.50). Обычно она не симметрична, правая и левая ее ветви не одинаковы.

На рис. 1.50 показаны значения среднечисленной (обозначена M_n) и среднемассовой (обозначена M_w) молекулярных масс, которые имеют тот же смысл, что и в примере с арбузами. А ширина кривой, характеризующая степень разброса относительно среднего значения, точно так же вычисляется как M_w/M_n = 1,23. В полимерной химии ее называют полидисперсностью (от лат. dispersio – "рассеяние"). Площадь заштрихованного участка под кривой соответствует массовой доле той части полимера, которая имеет молекулярную массу в диапазоне n₁ – n₂, и это приблизительно соответствует мешку с арбузами одинаковой массы из предыдущей части рассказа. Такую часть полимера с молекулярной массой в небольшом диапазоне называют фракцией.

Существование у одного полимера двух значений молекулярной массы обычно удивляет синтетиков-органиков, которые точно знают, что индивидуальное вещество имеет строго определенную и только одну молекулярную массу, поскольку все молекулы одинаковы. В отличие от этого полимер – это смесь молекул различной величины. Два значения молекулярных масс являются не искусственно выдуманными – это результат того, что различные методы определения молекулярной массы дают разные значения. Среднечисленное значение дают методы измерения, более чувствительные к присутствию коротких молекул: например, криоскопия – понижение температуры замерзания раствора в сравнении с чистым растворителем – или эбулиоскопия – повышение температуры кипения раствора в сравнении с чистым растворителем.

Существуют методы, которые более чувствительны к присутствию больших молекул, они позволяют определить среднемассовую молекулярную массу, это светорассеяние раствора полимера или результаты его центрифугирования.

Итак, если у нас имеется образец полимера, то мы можем определить для него два значения средней молекулярной массы, а их отношение даст величину полидисперсности. Средняя молекулярная масса и полидисперсность, эти два числа – основная характеристика полимера. Но как можно увидеть саму кривую, показанную на рис. 1.50? Для этого проводят разделение на фракции – то есть фракционирование, а наиболее распространенный метод называется гель-хроматографированием. Раствор полимера пропускают через набухший пористый гель и анализируют выходящие порции: сначала выходят большие молекулы, затем те, что меньше, поскольку они лучше удерживаются в порах геля.

Как влияют числовые характеристики полимера на его свойства? Общий принцип таков: чем выше значение средней молекулярной массы, тем выше прочность монолитных изделий и волокон. А какая полидисперсность лучше, большая или маленькая? Решение задачи с арбузами мы оставили на усмотрение агрономов, но мы имеем возможность рассмотреть вопрос подробнее при переходе к полимерам. С ростом полидисперсности облегчается переход полимера в расплавленное состояние и упрощается вытягивание волокон, однако прочность волокон снижается. Низкая полидисперсность обеспечивает стабильность технологических характеристик полимера, но переработка полимера требует исключительно точного соблюдения всех технологических параметров, что не всегда осуществимо. Поэтому в зависимости от конкретных условий величину полидисперсности выбирают в определенном интервале.

Старое обозначение новых измерений

Химики-полимерщики давно заметили, что кривая молекулярно-массового распределения очень напоминает хорошо известное математикам распределение случайной величины, чаще называемое гауссовым распределением – по имени создателя этой зависимости. Она описывает многие группы предметов, которые в основной массе имеют среднее значение и, кроме того, содержат некоторые отклонения в обе стороны. Например, рост людей или их вес, время жизни живых организмов, срок службы серийно изготавливаемого оборудования (автомобилей, лампочек, электромоторов), а также рассеяние точек попадания при выстрелах из огнестрельного оружия, скорость молекул в газе и многое другое. Во время выборной кампании анализ такой зависимости по результатам, полученным с различных избирательных участков, позволяет оценить корректность процедуры голосования. Фундаментальное и буквально "всеохватывающее" значение этой зависимости было отмечено особым образом: внешний вид кривой и портрет ее создателя – К. Ф. Гаусса – в свое время были изображены на немецкой денежной купюре достоинством в десять марок (рис. 1.51).

Гауссова кривая имеет те же основные параметры, что и молекулярно-массовое распределение, среднее значение (строгое название – математическое ожидание μ) и дисперсию (что практически аналогично полидисперсности), которую часто определяют как ширину кривой на середине высоты – σ (рис. 1.52).

Естественно, в полимерной химии стали оценивать полидисперсность точно таким же образом – вместо того чтобы проводить измерения средней молекулярной массы двумя различными методами. Однако традиция сохранилась, и эту величину, найденную измерениями на графике, по-прежнему обозначают M_w/M_n, хотя все понимают, что никто не измеряет отдельно M_w и M_n и полидисперсность получают из параметров графика.

Логика и расчет

Возьмем линейный кремнийорганический полимер (рис. 1.53), у которого на одном конце каждой макромолекулы имеется реакционноспособная группа – ONa.

Допустим, что состав полимера описывается кривой молекулярно-массового распределения, у которой M_средн. = 20 000 и полидисперсность M_w/M_n = 2 (берем традиционное обозначение этой величины). Далее на его основе мы получим разветвленный полимер. В качестве разветвляющего центра возьмем тетрахлорид кремния SiCl₄, который будет реагировать с концевыми группами по схеме, показанной на рис. 1.54 (волнистая линия означает фрагмент полимерной цепи).

Если от одного центра отходит несколько полимерных ветвей, такие полимеры называют звездообразными. Для дальнейших рассуждений заменим химические символы условными обозначениями: разветвляющий центр обозначим точкой, а отходящие от него полимерные ветви – волнистыми линиями. В результате молекула звездообразного полимера будет выглядеть так, как показано на рис. 1.55. Естественно, что отходящие от центра ветви имеют различную длину, поскольку исходный полимер – полидисперсный.

Какова ожидаемая средняя молекулярная масса такого полимера? Можем предположить, что она в четыре раза больше, чем у исходного полимера, – то есть 80 000. Кроме того, исходя из здравого смысла, мы можем предположить, что к разветвляющему центру в момент реагирования будут подходить молекулы разной длины (как показано на рис. 1.55), а образование звездообразных молекул, содержащих только короткие (рис. 1.56, слева) или только длинные ветви (рис. 1.56, справа), очень маловероятно.

Из этого следует, что разветвляющий центр, объединяя преимущественно молекулы разной длины, как бы усредняет всю систему, делая полимер более однородным. Иначе говоря, в полимере возникнет меньший разброс по величине молекулярных масс, то есть более низкая полидисперсность. Таким образом, у полученного разветвленного полимера величина M_w/M_n будет существенно ниже, чем у исходного линейного полимера.

Правильны ли наши рассуждения? Что касается ожидаемой средней молекулярной массы, то они правильны, но рассуждения относительно полидисперсности абсолютно не верны. Как установить, что они ошибочны? Перейдем от обычных логических рассуждений к научным методам. Теория вероятностей, предметом которой являются и гауссовы распределения, указывает (и это доказано на уровне теорем), что молекулярная масса должна возрасти в четыре раза (здесь мы не ошиблись), но и полидисперсность тоже должна возрасти в четыре раза. Такой совершенно неожиданный вывод известен далеко не всем химикам-полимерщикам. Почему же теория так резко расходится со здравым смыслом? Может, она не верна? Нет, она верна, и это подтверждают эксперименты по синтезу подобных полимеров.

Окончательный вывод будет таким: логические рассуждения при оценке событий, описываемых теорией вероятностей, довольно часто приводят к ошибочным выводам, и в таких случаях правильнее опираться на математику, а не на рассуждения. Впрочем, логические ошибки возможны и во многих других случаях. Пример типичной логически ошибочной конструкции: "Все школьники носят рюкзаки. Моя бабушка носит рюкзак. Следовательно, моя бабушка – школьница".

1.Шанский Н. М., Боброва Т. А. Школьный этимологический словарь русского языка: Происхождение слов. – М.: Дрофа, 2004.

Bepul matn qismi tugad.