Полиизопрен: строение и синтез¶

Полиизопрен — высокомолекулярное соединение (полимер) класса эластомеров, мономерным звеном которого служит изопрен (2-метил-1,3-бутадиен, C₅H₈). Общая эмпирическая формула макромолекулы — (C₅H₈)ₙ. Полиизопрен относится к диеновым каучукам и существует в двух основных формах: природной (натуральный каучук, получаемый из латекса каучуконосных растений) и синтетической, производимой промышленным способом полимеризации изопрена.

¶Строение

Молекулярная цепь полиизопрена построена из повторяющихся изопреновых звеньев, соединённых по 1,4- или 1,2-, 3,4-механизму присоединения. Ключевая особенность строения — геометрическая изомерия, обусловленная наличием двойной связи в каждом звене.

¶Изомерные формы

Природный каучук представляет собой преимущественно цис-1,4-полиизопрен (содержание цис-звеньев достигает 98 %). Гуттаперча и балата — это транс-1,4-полиизопрены, которые при комнатной температуре проявляют свойства, близкие к кристаллическим термопластам, а не эластомеров.

¶Конфигурация и свойства

Регулярность строения (стереорегулярность) определяет способность цепи к кристаллизации при растяжении, что обеспечивает высокую прочность и эластичность натурального каучука. Молекулярная масса природного полиизопрена составляет от 100 000 до 1 000 000 и более. Макромолекулы имеют линейное строение с редкими разветвлениями.

¶Синтез

¶Природный синтез

В растениях (гевея бразильская Hevea brasiliensis, фикус, одуванчик кок-сагыз и др.) полиизопрен образуется в млечных сосудах — латициферах. Биосинтез идёт из изопентенилпирофосфата (IPP) и диметилаллилпирофосфата (DMAPP) под действием фермента изопентенилтрансферазы. Растущая полимерная цепь удлиняется путём последовательного присоединения IPP с отщеплением пирофосфата. Латекс содержит 30–40 % полиизопрена в водной дисперсии.

¶Синтетический синтез

Промышленное получение синтетического полиизопрена основано на стереоспецифической полимеризации изопрена. Основные методы:

• Полимеризация в растворе под действием литийорганических катализаторов (бутиллитий) — даёт продукт с высоким содержанием цис-1,4-звеньев (до 92 %), близкий по свойствам к натуральному каучуку.
• Циглера — Натта катализ (титан- и ванадийсодержащие системы) — обеспечивает стереорегулярность до 96–98 % цис-звеньев.
• Радикальная эмульсионная полимеризация — приводит к нерегулярному строению, применяется реже.

Синтетический цис-1,4-полиизопрен по комплексу свойств приближается к натуральному каучуку, но уступает ему по когезионной прочности и некоторым динамическим характеристикам.

¶Применение

Полиизопрен — базовое сырьё для производства резины. Из него изготавливают:

• шины и резинотехнические изделия;
• конвейерные ленты, рукава, уплотнители;
• медицинские перчатки, клеи, латексные изделия;
• изоляцию кабелей.

Натуральный каучук благодаря высокой эластичности и прочности незаменим в производстве крупногабаритных шин, авиационных и грузовых покрышек.

¶Значение и особенности

Полиизопрен — один из важнейших эластомеров мировой промышленности. Его уникальное сочетание эластичности, прочности и сопротивления усталости обусловлено стереорегулярным цис-строением. Основные производители синтетического полиизопрена — Россия, Китай, США, Япония. Сырьём служит изопрен, получаемый из фракций нефти или синтезом из изобутилена и формальдегида.