Каучуки

Основы получения: полимеризация диенов

Основными реагентами для синтеза каучуков выступают диеновые углеводороды — бутадиен и изопрен. Важную роль в реакционной способности этих соединений играет эффект сопряжения, который непосредственно влияет на образование продуктов реакции. Данный эффект становится значительно более выраженным при повышенной температуре среды.

Процесс полимеризации этих веществ протекает легко, а рост полимерной цепи идет по механизму 1,4-присоединения. Для успешного протекания реакции и формирования нужной структуры применяются специфические катализаторы:

• Щелочные металлы.
• Органические соединения щелочных металлов.
• Катализаторы Циглера—Натта.

Строение молекул и стереоизомерия

С химической точки зрения каучуки представляют собой несопряженные полиены. Вокруг одинарных связей внутри полимерной цепи возможно внутреннее вращение, что придает молекулам гибкость. Однако наличие двойных связей обуславливает явление стереоизомерии — атомы водорода и углеводородные радикалы могут располагаться в пространстве двумя способами:

1. цис-расположение — заместители (вход и выход полимерной цепи) находятся по одну сторону от плоскости двойной связи. Молекулы направлены в одну сторону.
2. транс-расположение — заместители лежат по разные стороны от двойной связи, формируя зигзагообразную структуру.

Стереорегулярность критически важна для эксплуатационных характеристик. Наилучшими свойствами обладают полимеры именно с цис-структурой (например, цис-бутадиеновый и цис-изопреновый каучуки). Если же в макромолекуле хаотично чередуются цис- и транс-конфигурации, такой каучук называют нерегулярным, и по качеству он сильно уступает стереорегулярным аналогам.

Вулканизация: превращение каучука в резину

Сам по себе каучук имеет ограниченную сферу применения, однако он служит базовым сырьем для получения резины. Этот процесс называется вулканизацией и заключается в совместном нагревании каучука с серой (S).

Механизм процесса вулканизации:

1. При нагревании происходит разрыв части двойных связей в полимерных цепях каучука.
2. По местам разрыва присоединяются атомы серы.
3. Возникают так называемые «серные мостики» (сшивки) между отдельными линейными макромолекулами.
4. Линейная структура превращается в единую пространственную трехмерную сетку. По сути, кусок резины представляет собой одну гигантскую сшитую молекулу.

Изменение структуры кардинально меняет физические свойства материала. Главное отличие проявляется в растворимости: если исходный каучук растворяется в углеводородах, то резина в них лишь набухает (молекулы растворителя проникают в ячейки пространственной сетки между углеводородными цепями и серными мостиками, но не могут разорвать саму сетку). Основной объем производимой сегодня резины идет на изготовление автомобильных покрышек.

Что ещё разобрать по теме

• Механизмы действия катализаторов Циглера—Натта при полимеризации диенов
• Особенности последовательного присоединения галогенов к изопрену при нагревании
• Свойства нерегулярных каучуков и причины их низкого качества
• Хлоропреновый каучук: особенности строения и эксплуатационные характеристики

Другие темы раздела «Глава 15. Углеводороды»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.