Полимеры. Каучук

1. Способы получения полимеров

По­ли­ме­ры – это ве­ще­ства, со­сто­я­щие из мно­же­ства по­вто­ря­ю­щих­ся зве­ньев. В ре­зуль­та­те чего их мо­ле­ку­ляр­ная масса может до­сти­гать много сотен и даже мил­ли­о­нов еди­ниц. Это чрез­вы­чай­но важ­ные для че­ло­ве­ка и про­мыш­лен­но­сти со­еди­не­ния. Из по­ли­ме­ров из­го­тав­ли­ва­ют­ся мно­гие син­те­ти­че­ские ткани, ка­у­чу­ки и пла­сти­ки. По­ли­ме­ры все­гда об­ра­зу­ют­ся из мно­же­ства оди­на­ко­вых мо­ле­кул, на­зы­ва­е­мых мо­но­ме­ра­ми.

Спо­со­бы по­лу­че­ния по­ли­ме­ров.

Схема 1.

2. Реакция поликонденсации

Ре­ак­ция по­ли­кон­ден­са­ции – это про­цесс об­ра­зо­ва­ния вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ных ве­ществ из низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ных, иду­щий с вы­де­ле­ни­ем по­боч­ных про­дук­тов. В от­ли­чие от ре­ак­ции по­ли­ме­ри­за­ции, этот про­цесс не может быть от­не­сен к типу ре­ак­ций со­еди­не­ния.

Для ре­ак­ции по­ли­кон­ден­са­ции также необ­хо­ди­мо, чтобы мо­ле­ку­лы ис­ход­но­го ве­ще­ства могли ре­а­ги­ро­вать не менее чем с двумя дру­ги­ми мо­ле­ку­ла­ми. Но это до­сти­га­ет­ся в дан­ном слу­чае не за счет двой­ных свя­зей, а бла­го­да­ря на­ли­чию в мо­ле­ку­лах не менее двух функ­ци­о­наль­ных групп ато­мов.

При­ме­ром такой ре­ак­ции может слу­жить уже из­вест­ный про­цесс об­ра­зо­ва­ния по­ли­пеп­ти­дов из ами­но­кис­лот. Ами­но­кис­ло­ты – со­еди­не­ния, име­ю­щие две функ­ци­о­наль­ные груп­пы:

За счет этих групп мо­ле­ку­лы одной и той же ами­но­кис­ло­ты могут мно­го­крат­но ре­а­ги­ро­вать друг с дру­гом, об­ра­зуя более круп­ные мо­ле­ку­лы; при этом вы­де­ля­ет­ся по­боч­ный про­дукт ре­ак­ции – вода:

Эле­мен­тар­ным, мно­го­крат­но по­вто­ря­ю­щим­ся зве­ном такой мак­ро­мо­ле­ку­лы будет:

Когда в по­доб­ное вза­и­мо­дей­ствие всту­па­ют две мо­ле­ку­лы, про­цесс на­зы­ва­ет­ся кон­ден­са­ци­ей. По­сколь­ку при об­ра­зо­ва­нии мак­ро­мо­ле­ку­лы про­цесс про­ис­хо­дит между мно­ги­ми мо­ле­ку­ла­ми, ре­ак­ция на­зы­ва­ет­ся по­ли­кон­ден­са­ци­ей.

3. Реакция полимеризации

По­ли­ме­ри­за­ция непре­дель­ных со­еди­не­ний схе­ма­ти­че­ски может быть пред­став­ле­на про­стым урав­не­ни­ем

в дей­стви­тель­но­сти пред­став­ля­ет собой слож­ный про­цесс, со­сто­я­щий из боль­шо­го числа по­сле­до­ва­тель­ных ре­ак­ций.

В за­ви­си­мо­сти от типа ка­та­ли­за­то­ра, су­ще­ству­ют раз­но­вид­но­сти по­ли­ме­ри­за­ции: ра­ди­каль­ная, ион­ная, ко­ор­ди­на­ци­он­ная. См. схему 1.

4. Разновидности реакции полимеризации

Ра­ди­каль­ная по­ли­ме­ри­за­ция

Ка­та­ли­за­то­ра­ми яв­ля­ют­ся сво­бод­ные ра­ди­ка­лы: как ра­ди­ка­лы га­ло­ге­нов, так и мо­ле­ку­лы кис­ло­ро­да, и даже ра­дио­ак­тив­ное из­лу­че­ние. При ре­ак­ции ра­ди­каль­ной по­ли­ме­ри­за­ции по­лу­ча­ет­ся одно из самых важ­ных про­мыш­лен­но важ­ных ве­ществ – по­ли­эти­лен.

n СН₂=СН₂(-CH₂-CH₂-)_n

Из по­ли­эти­ле­на из­го­тав­ли­ва­ют раз­лич­ные пла­сти­ко­вые бу­тыл­ки, по­кры­тия, плен­ки, изо­ля­цию для про­во­дов и др.

Ион­ная по­ли­ме­ри­за­ция

Ион­ная по­ли­ме­ри­за­ция де­лит­ся на ка­ти­он­нуюи ани­он­ную. В ка­че­стве ка­та­ли­за­то­ров ис­поль­зу­ют­ся ще­лоч­ные ме­тал­лы для ани­он­ной по­ли­ме­ри­за­ции, и кис­ло­ты – для ка­ти­он­ной.Ион­ная по­ли­ме­ри­за­ция  сей­час редко при­ме­ня­ет­ся в про­мыш­лен­но­сти, так как тре­бу­ет тща­тель­ной очист­ки ис­ход­ных ве­ществ. Но этот вид по­ли­ме­ри­за­ции имеет ис­то­ри­че­ское зна­че­ние.         С на­ча­ла XX века че­ло­ве­че­ству стало не хва­тать при­род­но­го ка­у­чу­ка, по­сколь­ку уже тогда он ис­поль­зо­вал­ся для по­лу­че­ния ав­то­мо­биль­ных шин, а ав­то­мо­би­лей ста­но­ви­лось все боль­ше. Ос­но­ва­те­лем пер­во­го в мире круп­но­мас­штаб­но­го про­из­вод­ства син­те­ти­че­ско­го ка­у­чу­ка счи­та­ет­ся рус­ский уче­ный С.В. Ле­бе­дев. Он впер­вые по­лу­чил син­те­ти­че­ский бу­та­ди­е­но­вый ка­у­чук в 1910 г., про­мыш­лен­ное про­из­вод­ство на­ча­лось в 1932 г.

n СН₂=СН-СН=СН₂ (-CH₂-CH=CH-CH₂-)_n

При двой­ной связи атомы могут на­хо­дить­ся как в цис-, так и в транс- по­ло­же­нии. В на­ту­раль­ном ка­у­чу­ке со­дер­жит­ся уг­ле­во­до­род цис-по­ли­и­зо­прен (C₅H₈)_n. Он яв­ля­ет­ся сте­рео­ре­гу­ляр­ным по­ли­ме­ром. Мо­ле­ку­ла может со­дер­жать 20–40 тыс. эле­мен­тар­ных зве­ньев. По­это­му ка­у­чук, по­лу­чен­ный С. В. Ле­бе­де­вым, усту­па­ет при­род­ным ана­ло­гам.

Ко­ор­ди­на­ци­он­ная по­ли­ме­ри­за­ция

Ко­ор­ди­на­ци­он­ная по­ли­ме­ри­за­ция была от­кры­та в се­ре­дине ХХ века. В ней в ка­че­стве ка­та­ли­за­то­ров ис­поль­зу­ют­ся ионы пе­ре­ход­ных ме­тал­лов. В ре­ак­ции об­ра­зу­ют­ся неустой­чи­вые ком­плек­сы этих ме­тал­лов с ор­га­ни­че­ски­ми со­еди­не­ни­я­ми. В 1963 году за от­кры­тие дан­но­го ме­то­да по­ли­ме­ри­за­ции ита­лья­нец Джу­лио Натта и немец Карл Циг­лер по­лу­чи­ли но­бе­лев­скую пре­мию. В ко­ор­ди­на­ци­он­ной по­ли­ме­ри­за­ции  чаще всего ис­поль­зу­ют­ся сме­шан­ные ка­та­ли­за­то­ры, со­сто­я­щие из тет­ра­хло­ри­да ти­та­на и три­этил­а­лю­ми­ния. Он также на­зы­ва­ет­ся ка­та­ли­за­то­ром Циг­ле­ра-На­т­та.

Пре­иму­ще­ство дан­но­го ме­то­да за­клю­ча­ет­ся в том, что ка­у­чук по­лу­ча­ет­ся толь­ко с цис-рас­по­ло­же­ни­ем двой­ной связи. Он не толь­ко не усту­па­ет при­род­но­му ана­ло­гу, но даже и пре­вос­хо­дит его. По­это­му боль­шин­ство со­вре­мен­ных ка­у­чу­ков по­лу­ча­ют­ся имен­но с ис­поль­зо­ва­ни­ем та­ко­го ка­та­ли­за­то­ра.

n СН₂=СН-СН=СН₂ 

В на­сто­я­щее время вы­пус­ка­ют­ся сотни сор­тов раз­лич­ных син­те­ти­че­ских ка­у­чу­ков.

Под­ве­де­ние итога

Вы по­лу­чи­ли пред­став­ле­ние о теме «По­ли­ме­ры. Ка­у­чук». Ис­поль­зуя этот ма­те­ри­ал, вы смог­ли узнать о новом клас­се со­еди­не­ний – по­ли­ме­рах. Вы за­ду­ма­лись о том, на­сколь­ко важны по­ли­ме­ры для про­мыш­лен­но­сти и как их осо­бен­но­сти свя­за­ны со спо­со­ба­ми по­лу­че­ния по­ли­ме­ров. Немно­го узна­ли о ка­у­чу­ка­х и раз­лич­ных спо­со­бах по­ли­ме­ри­за­ции.