Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин

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.