Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Существует давно известный полимер, который не собирается покидать беговую дорожку эстафеты и продолжает участвовать в состязаниях. Полистирол впервые был получен свыше 100 лет назад (точнее, в 1910 г.) при радикальной полимеризации стирола CH₂=CHPh. Это процесс, в котором активными центрами роста полимерной молекулы являются свободные радикалы. Полистирол – жесткий, хрупкий полимер с небольшой механической прочностью, невысокой химической стойкостью и низкой температурой размягчения (97 °С). Строение цепей атактическое, беспорядочно ориентированные фенильные группы затрудняют кристаллизацию, это классический аморфный полимер. Тем не менее по одному из параметров он заметно превосходит остальные полимеры: материаловеды называют его стопроцентным диэлектриком. Для снижения хрупкости проводят сополимеризацию стирола с бутадиеновым каучуком, получая так называемый ударопрочный полистирол. Однако потенциал самого полистирола (без использования сополимеризации) далеко не исчерпан, широкие возможности открыли катализаторы полимеризации, позволяющие получать стереорегулярные полимеры.

При использовании катализаторов Циглера – Натты образуется изотактический полистирол, у которого все бензольные кольца расположены с одной стороны от плоскости полимерной цепи. Складывается впечатление, что классические катализаторы Циглера – Натты «умеют делать» только изотактические полимеры. К сожалению, в таком полистироле кристаллические области при нагревании становятся аморфными и все преимущества исчезают.

Зато превосходен синдиотактический полистирол, в полимерной цепи которого бензольные кольца чередуются по обе стороны плоскости полимерной цепи (рис. 3.50).

Это прочный, твердый и тугоплавкий полимер с температурой плавления кристаллических областей 270 °С. Для его получения были использованы постметаллоценовые катализаторы, синтезированные взаимодействием аминосодержащего двухатомного спирта с TiCl₄.Отличительная черта таких катализаторов – отсутствие связи металл – углерод, что обеспечивает их повышенную устойчивость к действию влаги и кислорода воздуха. Это клешневидные (хелатные) комплексы титана, в которых два координационных места заняты атомами N, связанными с титаном донорно-акцепторными связями (на рис. 3.51 показаны стрелками).

Таким образом, переход от металлоценовых катализаторов к постметаллоценовым оказался результативным.

Подводя итоги, отметим, что использование металлоценовых и постметаллоценовых катализаторов позволяет синтезировать полимеры с широким диапазоном свойств, а также варьировать жесткость и эластичность материала. Можно предположить, что эти катализаторы, «дирижируя» расположением звеньев в полимерной цепи, позволят в будущем создавать целые «оркестры» новых, уникальных по свойствам материалов, которые сумеют занять лидирующее место в полимерной эстафете.

4 Корзина пестрых фактов

Крохотный факт

стоит целого сонма

несбыточных грез.

РАЛФ ЭМЕРСОН

Химия безусловно истинная наука, в ней много накопленных результатов, законов и правил, но всегда есть место неожиданностям. Бывает, что сложившиеся представления прочно укореняются в сознании и необычный факт, который не согласуется с общепринятыми понятиями, воспринимается с недоверием или как чудо. Все же у химиков хватает терпения, чтобы во всем разобраться и поставить все на свои места. Рассмотрим, как то, что казалось невозможным, все же удалось осуществить.

Исправим учебник химии

Только не обещайте исправить положение вещей,

а то опять каких-то вещей не досчитаемся!

МИХАИЛ МАМЧИЧ

Сразу отметим, что этот случай – исключительно редкий. В учебниках содержатся знания, отшлифованные и проверенные десятилетиями, однако бывают сюрпризы. Например, известно, что угольная кислота Н₂СО₃ в свободном виде не существует, она быстро распадается с образованием CO₂ и воды, что мы часто можем наблюдать, открывая газированные напитки. Вот цитата из учебника «Начала химии» (авторы Н.Е. Кузьменко, В.В. Еремин, В.А. Попков): «…свободная угольная кислота неизвестна, так как она неустойчива и легко разлагается…». Результат был проверен столь многократно, что не вызывал никаких сомнений, потому не будем никого укорять за ошибку, поскольку до определенного момента это считалось истиной. Современные исследования показали, что в это утверждение можно внести поправку.

Угольную кислоту Н₂СО₃ как индивидуальное соединение удалось получить при нагревании в высоком вакууме бикарбоната аммония (рис. 4.1).