Некоторое время назад в одной из дискуссий всплыл вопрос о том, какова роль научно-популярной литературы в нашем суматошном мире. Мнения разделились - я, в частности, сомневался в полезности подобной литературы, но имел неосторожность пообещать написать кое-что о своей работе. И, понятное дело, несколько осветить историю вопроса. Что и делаю.



Текст до конца еще не готов - в принципе, готово около трети.

Если народу будет интересно - допишу. Если не пойдет - проще будет не напрягаться и прекратить насиловать клавиатуру и питаться сетевыми ресурсами.

Итак,



ПОЛИОЛЕФИНЫ (что, как, зачем и почем).







Подобие введения.



Химическая промышленность начала свое развитие с производства синтетических красителей. В конце 19 века на крупнотоннажный уровень также вышло производство взрывчатых веществ. В промежутке между Мировыми войнами появились фармацевтическая промышленность и производство полимеров, или высокомолекулярных соединений, ВМС (малотоннажные и зачастую крайне примитивные - например, производство полибутадиена по методу Лебедева). В Германии разворачивалось производство синтетического бензина.

После 2-й мировой войны промышленность органического синтеза набирала обороты. Сейчас в повседневной жизни мы окружены ее продуктами - и в количественном выражении среди них безусловно лидируют синтетические полимеры.



Существует множество типов полимеров, различающихся по своему строению, методам синтеза и областям применения. С точки зрения химика-органика наиболее важны синтез и строение полимеров - причем эти параметры взаимосвязаны.

С синтетической точки зрения к образованию ВМС приводят реакции двух типов - полимеризации и поликонденсации. Полимеризация - это образование новых связей между молекулами соединения - мономера, приводящее к молекуле ВМС. Поликонденсация - аналогичный процесс, отличный от полимеризации тем, что помимо полимера при его протекании образуются низкомолекулярные продукты (обычно - вода).



Химия и технология полимерных материалов в силу их огромного практического значения занимают далеко не последнее место в ряду химических дисциплин. Они неразрывно связаны с координационной и элементоорганической химией, а также органическим синтезом: именно исследования в этих областях приводят к созданию новых полимерных материалов и передовых технологий их получения.



Спектр промышленных полимеров очень широк. В повседневной жизни мы встречаем различные их типы. Примеры:

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) - из него делают упаковочные материалы (в частности, "пластиковые" бутылки)

Полиамиды и полиэфиры - синтетическое волокно. Даже "натуральные" ткани содержат незначительное добавление синтетики - чистый хлопок или же чистая шерсть по своим характеристикам хуже "композиций".

Резина - продукт вулканизации каучука. Любопытно, что до сих пор полиизопрен - основа производства автомобильных шин - не синтезируют, а, как и без малого 200 лет назад, выделяют из сока гевеи. Так рентабельнее. Однако натуральный каучук идет для производства "обуви" для легковых автомобилей - грузовики щеголяют в покрышках из синтетического каучука. Кстати, создателем одной из первых технологий производства последнего является наш соотечественник, Лебедев.

Поливинилхлорид - полимер с ширенным спектром применения. Окна ПВХ - это он. Изолента и электропроводка - он же. И т.д. и т.п. (вплоть до детских игрушек). Но этот полимер имеет один существенный недостаток - он экологически "грязен", утилизируется с большим трудом - и на смену ему постепенно приходят

Полиолефины.

Такое длинное вступление - и только для того, чтобы слегка приблизиться к группе "близких" мне ВМС. Почему "близких"? Потому что уже более 10 лет я занимаюсь исследованиями в области синтеза полимеров этой группы.



Итак, ПОЛИОЛЕФИНЫ.



Соединения этой группы - продукты полимеризации олефинов - углеводородов, содержащих двойную связь углерод-углерод. Движущая сила реакции полимеризации олефина - фактически образование двух простых связей С-С вместо двойной связи, энергетически выгодный процесс.









читать дальшеДля понимания основ химии необходимо понимать следуюшее: если химическая реакция энергетически невыгодна, она не пойдет. С другой стороны: если реакция энергетически выгодна - она совершенно не обязана идти. Ее надо заставлять - а это не всегда удается...

Сказанное выше справедливо и для реакции полимеризации олефинов.

Первые промышленные полиолефины - полистирол и полиэтилен. Первоначально их получали полимеризацией стирола или этилена в жестких условиях, при повышенных температуре и давлении.

В результате образовывались "обычный" полистирол (вспененный полимер называется пенопластом. Вот он какой, северный олень)

и "полиэтилен высокого давления" (low density polyethylene, LDPE).

Последний полимер немедленно нашел практическое применение в производстве прозрачных эластичных пленок, не особенно прочных - но, безусловно, полезных. Низкая прочность LDPE обусловлена его структурой: полимеризация в жестких условиях приводила не к образованию длинных линейных молекул, а к разветвленным макромолекулам:

Получить качественный полипропилен в жестких условиях не удавалось.



Нобелевские премии по химии, как правило, просто так не дают. В 1964 году ее получили немец Карл Циглер (1898-1973) и итальянец Джулио Натта (1903-1979).

И вот за что:

Циглер в 1953 году открыл, что катализаторы на основе тетрахлорида титана и алюминийорганических соединений в достаточно мягких условиях (при низких температурах и давлении) полимеризуют этилен, причем получается принципиально иной полимер - high density polyethylene, HDPE. Он построен из линейных полекул, и его прочность принципиально выше прочности LDPE.

Натта годом позже обнаружил, что в аналогичных условиях образуется полипропилен, молекула которого представляет собой длинную цепочку из углеродных атомов, причем каждый второй связан с метильной группой. Посмотрим на молекулу полипропилена повнимательнее - с точки зрения геометрии. Если расположить основную цепь в плоскости листа бумаги, мы увидим, что в молекуле "идеального", линейного полипропилена метильные группы могут быть ориентированы различным образом, что в итоге приводит к трем принципиально различным полипропиленам (в приведенных ниже формулах использовано изображение пространственной структуры молекулы в виде клиновидных проекций: закрашенные "клинья" изображают направленные к нам метильные группы; "клинья черточкой" - от нас:

Синдиотактический и изотактический полипропилен являются представителями т.н. стереорегулярных полимеров. Ориентация метильных заместителей в изотактическом полипропилене (iPP) приводит к тому, что основная углеродная цепь полимерной молекулы скручена в спираль. Результат: макромолекула представляет собой "пружину", отсюда - высокая температура плавления, высокая прочность: iPP в несколько раз прочнее стали.

В открытой Натта реакции полимеризации получался именно изотактический полипропилен.

Ниже изображен "памятник" молекуле iPP, воздвигнутый перед входом в исследовательский центр имени Джулио Натта в Ферраре (Италия).

Мы с Джесс там были. Интересный город.



Итак, полимеризация пропилена, приводящая к полимеру с исключительными свойствами, была открыта в 1954 году.

Первая крупнотоннажная промышленная установка по получению iPP заработала только через 25 лет. Для внедрения перспективного научного открытия - огромный срок. В чем же была заключена проблема? Какие трудности возникли в процессе внедрения изотактической полимеризации?

конец первой части