Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин

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.