Теломери: їх поява та особливості
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
У листопаді 1940 року на ринки Америки надійшов небачений доти матеріал, який у нас називають капроном. Завдяки чудовим якостям він швидко завоював ринки, витримавши найжорстокішу конкуренцію з іншими природними та синтетичними матеріалами. Дуже скоро «газові» сукні, хусточки і прозорі кофтинки «перепурхнули» через океан і заповнили Європу. З капрону стали готувати не тільки дамські наряди, але і пластмаси технічного призначення, морські стропи, рибальські снасті і навіть деталі машин. Капрон «оселився» майже у всіх найбільших державах, отримавши, щоправда, інші імена. У Швеції його стали називати грілоном, у Польщі – стілон, у Німеччині – перлон. Однак, як би не іменували капрон виробничники і торгові працівники, всі хіміки світу позначали його однаково: полікапролактам. Капрон – це полімер капролактаму, молекула якого складається з шести атомів вуглецю, одинадцяти атомів водню, одного атома азоту і одного атома кисню, які з’єднані в певній послідовності.
Атоми вуглецю в капролактаму пов’язані між собою набагато міцніше, ніж всі інші. Тому вони і утворюють основний кістяк сполуки – «шестихребцевий вуглецевий скелет». Тріумфальний хід капрону спонукав хіміків звернути увагу на найближчих родичів капролактаму, щоб спробувати і з них отримати полімери, аналогічні капрону.
Справа в тому, що властивості полімерів залежать не тільки від величини їх молекул, а й від того, з яких цеглинок-мономерів вони утворені. Особливо цінною виявилась аміноенантова кислота, вуглецевий скелет якої всього на один «хребець» довший капролактаму. Хіміки прийшли до висновку, що ця кислота може послужити сировиною для виробництва пластмас і синтетичних волокон кращих, ніж капронові. Залишалося налагодити отримання аміноенантової кислоти в промислових масштабах, але тут зустрілась непередбачена складність.
Хіміки здавна «виписують» з природної комори необхідні їм речовини. При цьому вони не соромляться, якщо замість затребуваного реактиву отримують щось інше: добра половина всіх хімічних підприємств зайнята виправленням «помилок» природи, переробкою природної сировини для хімічних виробництв.
Так йде справа і з виробництвом капрону. Сировиною для нього служить, як ми вже знаємо, капролактам. Але це речовина в природних коморах відсутня. Зате в продуктах переробки вугілля і нафти міститься багато бензолу – хімічної речовини, у якої в «скелеті» стільки ж «хребців», як у капролактаму. Порівняно просто хіміки переробляють бензол в капролактам, що має вже зовсім іншу будову, завдяки чому виробництво капрону і забезпечено величезною сировинною базою. Що ж до аміноенантової кислоти та інших найближчих родичів капролактаму, то в інвентарних списках природної комори відсутні не тільки вони самі, а й речовини, з яких їх можна легко отримувати.
Таким чином, щоб виготовити полімер аміноенантової кислоти, який обіцяє затьмарити своїми якостями прославлений капрон, треба навчитись отримувати у великих кількостях якщо не саму аміноенантову кислоту, то хоча б хімічні сполуки з «семихребцевим скелетом».
Одним з добре освоєних методів отримання штучних «скелетів» з будь-яким заздалегідь наміченим числом «хребців» є полімеризація. Шляхом полімеризації або поліконденсації можна отримувати з окремих молекул-карликів («мономерів») ланцюжки молекул полімерів – пластмас, синтетичних волокон і каучуку. Від величини ланцюжків у великій мірі залежать основні фізичні і хімічні властивості полімерів. Тому, створюючи полімери з необхідними властивостями, хіміки ретельно стежать за зростанням гігантських молекул, регулюючи їх довжину за допомогою температури, тиску та інших факторів.
Однак точність цього регулювання не слід перебільшувати. Коли хіміки кажуть, наприклад, що даний зразок поліетилену складається з молекул, що мають 10 тисяч вуглецевих хребців, йдеться про середню величину молекул полімеру. Окремі ж його молекули можуть мати на сотні «хребців» більше або менше 10 тисяч. Отримання поліетилену або іншого полімеру з молекулами суворо певної величини – скажімо зі скелетом в 10033 або 9950 ланок при сучасному рівні розвитку хімічного виробництва абсолютно немислимо.
Ось чому методи виробництва полімерів не можна було механічно використовувати для отримання великих кількостей аміноенантової кислоти з простіших сполук вуглецю. Адже цього разу було потрібно так відрегулювати реакцію полімеризації, щоб зростання всіх молекул обривалось точно в той момент, коли вони будуть мати заздалегідь «заплановане» число «хребців».
Треба було вирішити і ще одну задачу. Щоб з’єднатися в довгі ланцюжки полімерних молекул, вихідні молекули в цьому випадку обов’язково повинні бути активними. Значить, треба було знайти спосіб точного – буквально ювелірного – регулювання величини зростаючих молекул і при цьому домогтися того, щоб на кінцях кожної молекули завжди виявлялися активні хімічні групи.
Так виникло поняття про «перервану полімеризацію» або «теломеризацію», в результаті якої виникають короткі ланцюжки мономерів з активними хімічними групами на кінцях. Ці частинки називаються теломерами від грецьких слів телос – кінець і мер – частина.
Вихідним матеріалом для отримання багатьох теломерів служить етилен – один з найпростіших вуглеводнів, що зустрічаються в природних і промислових горючих газах. Формула етилену пишеться так: С2Н4 або так: СН2 = СН2. «С» – як відомо, символ атома вуглецю, «Н» – водню, а подвійна риска позначає подвійний зв’язок між атомами вуглецю.
При відомих умовах один з цих зв’язків рветься, і тоді дві молекули етилену, у кожної з яких з’явилися вільні сили спорідненості, з’єднуються в одну, більш складну молекулу. Якщо цей процес триватиме досить довго, всі наявні молекули етилену зникнуть – замість них у нас виявляться гігантські молекули поліетилену. Саме так протікає реакція полімеризації.
Простежимо тепер хід реакції теломеризації. Починається вона так само – з збудження молекул етилену, з розривання їх подвійних зв’язків. У якості «порушника спокою» використовується чотирихлористий вуглець, який попередньо піддають впливу спеціальної речовини – ініціатора.
Отже, ініціатор діє на молекулу чотирихлористого вуглецю. Перетворений чотирихлористий вуглець – на молекули етилену, а молекули етилену з порушеними подвійними зв’язками атакують ще втягнуті в реакцію молекули етилену, розриваючи і їх подвійні зв’язки. У результаті цього в реакцію виявляються залученими мільйони і мільярди молекул, причому все відбувається так само, як і при звичайній полімеризації. Але тут несподівано виявляється ще одна властивість чотирихлористого вуглецю. Він має здатність з’єднуватися з активними зростаючими молекулами, перешкоджаючи їх подальшому зростанню.
Підібравши певні концентрації ініціатора, чотирихлористого вуглецю та етилену, можна домогтися, щоб зростання молекулярних ланцюжків обривалось на дуже ранніх стадіях. У цьому випадку в нашій установці замість гігантських молекул поліетилену виявляться «обрубки» – теломери, що складаються з 7, 9, 11 або 17 ланок. Так як точки кипіння теломерів залежать від величини їх молекул, можна нагріванням розділити суміш теломерів на чисті фракції. Для отримання полімеру аміноенантової кислоти потрібні теломери з сімома «хребцями». Але й інші теломери можуть використовуватися для отримання нових полімерних матеріалів.
Чисті, однакові по довжині, теломери служать сировиною для отримання полімерів звичайними методами. Теломери, з’єднуючись один з одним в ланцюжки, здатні утворювати молекули полімерів, як і звичайні мономери.
Перемога в лабораторії далеко не завжди гарантує успіхи на практиці. Тонкі «ювелірні» методи лабораторної хімії не придатні для масового виробництва.
За здійснення нового і багатообіцяючого методу в промисловому масштабі взялися численні колективи вчених і інженерів по всьому світу. На основі фізико-хімічних досліджень вони отримали теломери з етилену і чотирихлористого вуглецю, вуглецевий скелет яких досягав не тільки семи, дев’яти, одинадцяти, але двадцяти п’яти «хребців».
Чимало потрудилися вчені та інженери, щоб створити безперервно діючу установку, яка могла б стати зразком сучасного потокового виробництва. У таку установку постійно подається сировина і з неї безперервно вивантажується продукція, а реакція встигає закінчитись за час проходження сировини через апаратуру. Сам реакційний апарат, де відбувається теломеризація, досить простий по пристрою. Він являє собою змійовик, занурений в киплячу воду. Проходячи через змійовик, етилен і чотирихлористий вуглець, оброблений ініціатором, встигають прореагувати, і отримана суміш теломеров надходить на розділення в спеціальні колони. Після поділу теломери з певним вуглецевим скелетом можна направити на виробництво пластмас, волокна або запашних речовин.
В даний час в світі налагоджується виробництво енантему, яке стало можливим в результаті здійснення теломеризації в промислових масштабах. При випробуваннях енантового і капронового волокна виявилося, що капронова нитка після нагрівання до 140 градусів протягом 14 годин втрачає міцність на 20 відсотків, а міцність енантової нитки не змінюється. Вироби з енантему можна спокійно гладити праскою, а енантовий корд буде незамінний в автомобільних шинах. За розривною міцністю енант майже не відрізняється від капрону, а по еластичності перевершує його. Як і всі синтетичні волокна, енант не гниє і може бути використаний для виготовлення рибальських сіток. Енант – не єдине волокно, отримане на основі продуктів теломеризації. Успішно проходять випробування волокон ундекан і пеларгон, які в самому недалекому майбутньому з’являться в наших будинках.
Теломеризація робить свої перші кроки, можливості її далеко не вивчені. Подальший розвиток нового технологічного методу має зараз першорядне значення, тому що дозволить розширити в будь-яких масштабах виробництво пластмас, волокон, цінних напівпродуктів для хімічної промисловості, нових медичних препаратів та ін. і в тих випадках, коли в коморах природи для них не перебуває готової сировини, навіть у вигляді «напівфабрикатів».
Автор: В. Ємельянов.