Молекулы-гиганты

Образование каучука из изопрена, или, иначе, полимеризацию изопрена, можно представить себе таким образом:

Следовательно, процесс полимеризации заключается в том, что из множества (n) мелких, однородных молекул исходного ненасыщенного вещества, или, как говорят химики, мономера (от «монос» — единый), получается одна огромная и сложная по строению молекула полимера. Это — настоящее молекулярное «высотное здание». Количество молекул изопрена, участвующих в образовании одной молекулы каучука, может превышать 3000. Молекулы-карлики, соединяясь, образуют молекулы каучука, молекулы-гиганты, приблизительно в 100—200 тыс. раз более тяжёлые, чем молекулы водорода. Тем не менее молекулы каучука ещё нельзя увидеть в микроскоп, их невозможно и взвесить, даже на самых чувствительных весах.

Установить точно,  как построена из атомов молекула каучука, очень трудно. Выяснением строения молекул каучука учёные занимаются и до сих пор. Процесс образования натурального каучука из изопрена, т. е. полимеризацию изопрена, пользуясь структурными формулами (формулами строения), можно представить себе упрощённо следующим образом.

Формула изопрена

Это бутадиен (дивинил) СН2 = СН — СН = СН2, у которого один атом водорода заменён метальной группой СH₃. Следовательно, на химическом языке, изопрен можно назвать также метилбутадиеном.

Этот углеводород — простейшее производное, или аналог бутадиена — углеводорода, являющегося важнейшим мономером (исходным углеводородом при полимеризации) в производстве синтетического каучука.

Все углеводороды ряда бутадиена имеют так называемую сопряжённую систему двойных связей, т. е. две двойные связи, разделённые одной одинарной связью. Это обусловливает их способность к полимеризации. Группу  С = С — С = С называют каучукофорной группой, т. е. способной давать каучукоподобные продукты.

Как же соединяются между собой молекулы с сопряжёнными системами двойных связей при полимеризации?

По одной из теорий, при полимеризации, под влиянием определённых воздействий, у молекулы изопрена происходит как бы ослабление двойных связей и образуются свободные (парциальные) валентности (указаны пунктиром).

Между средними атомами углерода образуется нечто вроде «скрытой двойной связи», в то время как конечные атомы углерода обладают свободными валентностями. При соединении двух молекул изопрена между собой (полимеризации) крайние атомы углерода соседних молекул изопрена связываются между собой первоначально силами свободных валентностей; затем эта связь переходит в нормальную связь. Вместе с тем «скрытая двойная связь» между средними атомами углерода переходит в обычную двойную связь:

Получившаяся из двух исходных молекул изопрена молекула димера («ди» — два) состоит из преобразованных молекул изопрена. Она имеет на концах свободные связи и может присоединять последующие молекулы изопрена. Рост цепи может продолжаться. В конечном счёте образуется длинная цепочка полимера с правильно чередующимися звеньями — молекула натурального каучука.

Таким образом, при полимеризации происходит перегруппировка двойных связей и силы валентности расходуются на взаимное присоединение молекул.

Строение основной структурной единицы молекулы изопренового каучука было установлено расщеплением этой сложной постройки при действии озона и изучении продуктов такого расщепления, чем много занимался учёный Гарриес. Озонирование показало, что молекула натурального каучука состоит из соединённых между собой преобразованных молекул изопрена, так называемых изопентеновых групп:

Процесс полимеризации ускоряется под действием света, тепла, давления и, наконец, особенно под действием катализаторов. Эти замечательные химические «волшебники» могут быстро сделать то, что без их участия иногда почти невозможно. Действие всех этих факторов будет подробнее рассмотрено далее.

Мы намеренно остановились на полимеризации изопрена в наиболее простом представлении, чтобы в дальнейшем были понятны более сложные случаи образования каучукоподобных веществ.

Химику нужно иметь для синтеза не только «кирпичи» будущей постройки — молекулы исходного мономера, но и «план» — химическое строение его молекул.

Как писал М. В. Ломоносов ещё в 1760 г.: «Во тьме должны обращаться физики, а особливо химики, не зная внутреннего нечувствительного частиц строения». Этим он указывал, что химики должны знать взаимное расположение атомов в молекулах, иначе говоря — формулы строения или структурные формулы изучаемых веществ.

Установление в 1896 г. строения изопрена, а затем и схемы его полимеризации во многом способствовали дальнейшему развитию науки о синтезе каучука.

Возвратимся к истории синтеза каучука. Как мы видели, все работы иностранных исследователей основывались на изопрене. Однако этот углеводород оказался . весьма трудно доступным. Попытка найти дешёвое сырьё и простой способ для получения изопрена в больших количествах оказывались тщетными. Эти опыты не могли стать основой для заводского получения каучука. Между тем интерес к синтетическому каучуку всё возрастал и настоятельно требовалось найти какой-то выход из создавшегося положения. Здесь-то и сыграли решающую роль исследования русских учёных.