Теломеры: их появление и особенности

В ноябре 1940 года на рынки Америки поступил невиданный дотоле материал, который у нас называют капроном. Благодаря великолепным качествам он быстро завоевал рынки, выдержав самую жестокую конкуренцию с другими природными и синтетическими материалами. Очень скоро «газовые» платья, платочки и прозрачные кофточки «перепорхнули» через океан и заполнили Европу. Из капрона стали готовить не только дамские наряды, но и пластмассы технического назначения, морские стропы, рыболовные снасти и даже детали машин. Капрон «поселился» почти во всех крупнейших государствах, получив, правда, иные имена. В Швеции его стали называть грилоном, в Польше — стилоном, в Германии — перлоном. Однако, как бы ни именовали капрон производственники и торговые работники, все химики мира обозначали его одинаково: поликапролактам. Капрон — это полимер капролактама, молекула которого состоит из шести атомов углерода, одиннадцати атомов водорода, одного атома азота и одного атома кислорода, которые соединены в определенной последовательности.

Атомы углерода в капролактаме связаны между собою гораздо прочнее, чем все остальные. Поэтому они и образуют основной костяк соединения — «шестипозвонковый углеродный скелет». Триумфальное шествие капрона побудило химиков обратить внимание на ближайших родственников капролактама, чтобы попытаться и из них получить полимеры, аналогичные капрону.

Дело в том, что свойства полимеров зависят не только от величины их молекул, но и от того, из каких кирпичиков-мономеров они образованы. Особенно ценной оказалась аминоэнантовая кислота, углеродный скелет которой всего на один «позвонок» длиннее капролактама. Химики пришли к заключению, что эта кислота может послужить сырьем для производства пластмасс и синтетических волокон лучших, чем капроновые. Оставалось наладить получение аминоэнантовой кислоты в промышленных масштабах, но тут встретилось непредвиденное затруднение.

Химики издавна «выписывают» из природной кладовой необходимые им вещества. При этом они не смущаются, если вместо затребованного реактива получают нечто другое: добрая половина всех химических предприятий занята исправлением «ошибок» природы, переработкой природного сырья для химических производств.

Так обстоит дело и с производством капрона. Сырьем для него служит, как мы уже знаем, капролактам. Но это вещество в природных кладовых отсутствует. Зато в продуктах переработки угля и нефти содержится много бензола — химического вещества, у которого в «скелете» столько же «позвонков», как у капролактама. Сравнительно просто химики перерабатывают бензол в капролактам, имеющий уже совершенно иное строение, благодаря чему производство капрона и обеспечено огромной сырьевой базой. Что же касается аминоэнантовой кислоты и других ближайших родственников капролактама, то в инвентарных списках природной кладовой отсутствуют не только они сами, но и вещества, из которых их можно легко получать.

Таким образом, чтобы изготовить полимер аминоэнантовой кислоты, который обещает затмить своими качествами прославленный капрон, надо научиться получать в больших количествах если не саму аминоэнантовую кислоту, то хотя бы химические соединения с «семипозвоночным скелетом».

Одним из хорошо освоенных методов получения искусственных «скелетов» с любым заранее намеченным числом «позвонков» является полимеризация. Путем полимеризации или поликонденсации можно получать из отдельных молекул-карликов («мономеров») цепочки молекул полимеров — пластмасс, синтетических волокон и каучука. От величины цепочек в большой мере зависят основные физические и химические свойства полимеров. Поэтому, создавая полимеры с необходимыми свойствами, химики тщательно следят за ростом гигантских молекул, регулируя их длину с помощью температуры, давления и других факторов.

Однако точность этой регулировки не следует преувеличивать. Когда химики говорят, например, что данный образец полиэтилена состоит из молекул, имеющих 10 тысяч углеродных позвонков, речь идет о средней величине молекул полимера. Отдельные же его молекулы могут иметь на сотни «позвонков» больше или меньше 10 тысяч. Получение полиэтилена или другого полимера с молекулами строго определенной величины — скажем со скелетом в 10 033 или 9950 звеньев при современном уровне развития химического производства совершенно немыслимо.

Вот почему методы производства полимеров нельзя было механически использовать для получения больших количеств аминоэнантовой кислоты из более простых соединений углерода. Ведь на этот раз требовалось так отрегулировать реакцию полимеризации, чтобы рост всех молекул обрывался точно в тот момент, когда они будут иметь заранее «запланированное» число «позвонков».

Предстояло решить и еще одну задачу. Чтобы соединиться в длинные цепочки полимерных молекул, исходные молекулы в этом случае обязательно должны быть активными. Значит, надо было найти способ точной — буквально ювелирной — регулировки величины растущих молекул и при этом добиться того, чтобы на концах каждой молекулы всегда оказывались активные химические группы.

Так возникло понятие о «прерванной полимеризации» или «теломеризации», в результате которой возникают короткие цепочки мономеров с активными химическими группами на концах. Эти частицы называются теломерами от греческих слов телос — конец и мер — часть…

сходным материалом для получения многих теломеров служит этилен — один из простейших углеводородов, встречающихся в природных и промышленных горючих газах. Формула этилена пишется так: С2Н4 или так: СН2=СН2. «С» — как известно, символ атома углерода, «Н» — водорода, а двойная черточка обозначает двойную связь между атомами углерода.

При известных условиях одна из этих связей рвется, и тогда две молекулы этилена, у каждой из которых появились свободные силы сродства, соединяются в одну, более сложную молекулу. Если этот процесс продолжится достаточно долго, все наличные молекулы этилена исчезнут — вместо них у нас окажутся гигантские молекулы полиэтилена. Именно так протекает реакция полимеризации.

Проследим теперь ход реакции теломеризации. Начинается она так же — с возбуждения молекул этилена, с разрывания их двойных связей. В качестве «возмутителя спокойствия» используется четыреххлористый углерод, который предварительно подвергают воздействию специального вещества — инициатора.

Итак, инициатор действует на молекулу четыреххлористого углерода. Преобразованный четыреххлористый углерод — на молекулы этилена, а молекулы этилена с нарушенными двойными связями атакуют еще не вовлеченные в реакцию молекулы этилена, разрывая и их двойные связи. В результате этого в реакцию оказываются вовлеченными миллионы и миллиарды молекул, причем все происходит так же, как и при обычной полимеризации. Но тут неожиданно проявляется еще одно свойство четыреххлористого углерода. Он обладает способностью соединяться с активными растущими молекулами, препятствуя их дальнейшему росту.

Подобрав определенные концентрации инициатора, четыреххлористого углерода и этилена, можно добиться, чтобы рост молекулярных цепочек обрывался на очень ранних стадиях. В этом случае в нашей установке вместо гигантских молекул полиэтилена окажутся «обрубки» — теломеры, состоящие из 7, 9, 11 или 17 звеньев. Так как точки кипения теломеров зависят от величины их молекул, можно нагреванием разделить смесь теломеров на чистые фракции. Для получения полимера аминоэнантовой кислоты нужны теломеры с семью «позвонками». Но и другие теломеры могут использоваться для получения новых полимерных материалов.

Чистые, одинаковые по длине, теломеры служат сырьем для получения полимеров обычными методами. Теломеры, соединяясь друг с другом в цепочки, способны образовывать молекулы полимеров, как и обычные мономеры.

Победа в лаборатории далеко не всегда гарантирует успехи на практике. Тонкие «ювелирные» методы лабораторной химии не годны для массового производства.

За осуществление нового и многообещающего метода в промышленном масштабе взялись многочисленные коллективы ученых и инженеров по всему миру. На основе физико-химических исследований они получили теломеры из этилена и четыреххлористого углерода, углеродный скелет которых достигал не только семи, девяти, одиннадцати, но двадцати пяти «позвонков».

Немало потрудились ученые и инженеры, чтобы создать непрерывно действующую установку, которая могла бы стать образцом современного поточного производства. В такую установку постоянно подается сырье и из нее непрерывно выгружается продукция, а реакция успевает закончиться за время прохождения сырья через аппаратуру. Сам реакционный аппарат, где происходит теломеризация, довольно прост по устройству. Он представляет собой змеевик, погруженный в кипящую воду. Проходя через змеевик, этилен и четыреххлористый углерод, обработанный инициатором, успевают прореагировать, и полученная смесь теломеров поступает на разделение в специальные колонны. После разделения теломеры с определенным углеродным скелетом можно направить на производство пластмасс, волокна или душистых веществ.

В настоящее время в мире налаживается производство энанта, которое стало возможным в результате осуществления теломеризации в промышленных масштабах. При испытаниях энантового и капронового волокна оказалось, что капроновая нить после нагревания до 140 градусов в течение 14 часов теряет прочность на 20 процентов, а прочность энантовой нити не изменяется. Изделия из энанта можно спокойно гладить утюгом, а энантовый корд будет незаменим в автомобильных шинах. По разрывной прочности энант почти не отличается от капрона, а по эластичности превосходит его. Как и все синтетические волокна, энант не гниет и может быть использован для изготовления рыболовных сетей. Энант — не единственное волокно, полученное на основе продуктов теломеризации. Успешно проходят испытания волокон ундекан и пеларгон, которые в самом недалеком будущем появятся в наших домах.

Теломеризация делает свои первые шаги, возможности ее далеко не изучены. Дальнейшее развитие нового технологического метода имеет сейчас первостепенное значение, так как позволит расширить в любых масштабах производство пластмасс, волокон, ценных полупродуктов для химической промышленности, новых медицинских препаратов и др. и в тех случаях, когда в кладовых природы для них не находится готового сырья, даже в виде «полуфабрикатов»…

Автор: В. Емельянов.