«Швейная фабрика» гигантских молекул

Молекулы-мономеры сами собой в длинные цепочки не соединяются. Чтобы заставить их соединяться в полимер, нужно «ввернуть» в молекулу какие-то особые «крючочки» и «петельки». Для этого существуют две основные химические реакции: поликонденсация и полимеризация. Эти реакции могут протекать при различных условиях: при нагревании или при очень низких температурах; при высоких или при низких давлениях и в присутствии катализаторов-инициаторов. Только в результате столь энергичных воздействий исходные мономеры перестраиваются, а расположенные на их концах атомы приобретают способность связываться, сцепляться с другими атомами, как сцепляется на сортировочной станции поезд: вагон за вагоном.

Поликонденсация. Процесс поликонденсации — сложная химическая реакция, в ходе которой от так называемых функциональных групп, расположенных на концах мономеров, отщепляются не очень прочно удерживаемые ими отдельные атомы или даже их целые группы. Этим поликонденсация отличается от полимеризации, при которой исходные вещества превращаются в конечный продукт без всяких «отходов».

К таким функциональным группам в молекулах органических веществ относятся аминогруппа NH₂, от которой легко отрывается атом водорода, и карбоксильная группа СООН, от которой отрывается уже гидроксильная группа ОН. Когда молекула с карбоксильной группой на одном или на обоих концах встречается с молекулой, наделенной аминогруппой, тоже на одном или на обоих концах, то отрывающийся от аминогруппы атом водорода получает возможность соединиться с группой ОН, отрывающейся от карбоксильной группы. Образуется молекула воды. При этом у первой молекулы освобождается связь при атоме углерода, а у второй — при атоме азота. Через эти связи молекулы и получают возможность смыкаться друг с другом в длинные цепочки.

Если у каждого исходного мономера лишь одна функциональная группа, то попарным соединением друг с другом этих молекул все и кончается. Такой тип химической реакции называется конденсацией. Если же мономер содержит не менее двух функциональных групп, появляется возможность последовательного присоединения к получающейся цепочке друг за другом все новых и новых звеньев. Это уже поликонденсация.

Поликонденсация идет сравнительно медленно и, кроме того, не позволяет «выращивать» очень длинные молекулы. К счастью, для создания многих полимеров вполне достаточно молекул с молекулярной массой от 10 000 до 20 000.

Методом поликонденсации получают смолы, применяемые как связующие вещества при производстве фанеры, электроизоляционных изделий, плит и изделий из прессованных древесных опилок. Именно поликонденсация дает полимеры, из которых получаются исключительно прочные волокна.

Полимеризация. В процессе полимеризации получаются гигантские молекулы-цепочки из сотен тысяч и даже миллионов составных звеньев. Если в поликонденсации участвуют молекулы и на концах у них заранее заготовлены «крючочки», с помощью которых они соединяются в цепочки полимера не сразу, а друг за другом, то в процессе полимеризации эти «крючочки» создаются все одновременно лишь в тот момент, когда каждый мономер становится на свое место в цепочке.

Не все мономеры сразу, без предварительной подготовки, пригодны для создания полимеров. Чаще всего их приходится предварительно перестраивать и только после этого приступать к «сшиванию» в длинные цепочки.

Как все это происходит, можно показать на примере создания синтетической пластической массы политетрафторэтилена, или фторопласта (тефлона). Это один из самых сложных процессов. Он наглядно показывает методы и приемы, к каким приходится прибегать современной химии высокомолекулярных соединений (см. стр. 482 «Синтез фторопласта»).

Структуры полимерных цепочек: А — атактические; Б — изотактические; В — синдиотактические. При этом мономеры в цепях могут располагаться различно: а — в полном беспорядке; б — в какой-либо строгой последовательности; в — группами (блоками); г — присоединением боковых веточек; д — перекрещивающимися ветвями.

Зная законы образования полимеров, можно изменять свойства высокомолекулярных соединений совсем уж необычными способами. Допустим, в полимер, не обладающий высокой температурной стойкостью, удалось ввести еще один теплостойкий мономер, который нарушил первоначальную однообразную структуру цепочки. В результате получился так называемый сополимер, т. е. как бы двойной полимер, обладающий уже высокой теплостойкостью. Чередуя определенные количества мономеров одного вида с тем или иным числом мономеров другого вида, можно получить сополимеры с самыми различными, порой даже неожиданными свойствами, например с очень большой сопротивляемостью различным растворителям, высокой прочностью, гибкостью, растяжимостью, долговечностью.

Для создания полимеров применяют и методы прививки примерно так, как это делается в садоводстве. К какому-либо мономеру, входящему в качестве звена в цепочку основного полимера, сбоку присоединяется мономер, являющийся начальным звеном цепочки другого полимера. Для такой операции из молекулы-мономера тем или иным способом удаляют какой-либо из атомов, обычно атом водорода, а на освободившиеся места наращивают боковые цепочки. Прямолинейная гигантская молекула начинает ветвиться, как дерево. Но ветви эти имеют особый, отличный от нее состав, и весь полученный таким путем полимер приобретает совершенно новые свойства.

Так можно, например, «привить» ветку полистирола к цепочке молекул целлюлозы. Последняя жадно впитывает воду, а полистирол отталкивает ее. В результате материалы, изготовленные из такой «привитой» целлюлозы, приобретают способность отталкивать воду. Это весьма важно для тканей, идущих на изготовление палаток, плащей, складных лодок и т. д. Сколько огорчений и неприятностей вызывает вид помятой одежды, плохо выглаженного белья, сколько полезного времени отнимает их утюжка! «Прививая» молекулы акрилонитрила к молекулам целлюлозы, можно получать волокна для немнущихся тканей.

Некоторые полимеры обладают ценными свойствами полупроводников. Такие вещества очень нужны для современной радиоэлектроники, приборостроения, космической навигации.

Сергей Васильевич Лебедев 11874—1934)

Советский химик-органик, академик. Основные работы Лебедева посвящены изучению процессов полимеризации непредельных соединений и являются продолжением исследований Бутлерова в этом направлении. В 1910 г. он впервые получил каучукоподобный продукт из бутадиена (дивинила), в 1926—1928 гг. вместе с сотрудниками разработал признанный лучшим метод получения натрий-бутадиенового каучука (СКБ), основанный на получении из спирта дивинила с последующей полимеризацией его на металлическом натрии. Впервые в мире на основе этого метода в 1932 г. в нашей стране было создано промышленное производство синтетического каучука. Явился создателем научной школы советских химиков, работающих в области синтетического каучука и высокомолекулярных соединений.

перейти к началу страницы