Уравнение реакции получения синтетического изопренового каучука

Реакции полимеризации диенов. Натуральный и синтетический каучуки. Строение, получение и применение их в промышленности

Химические свойства. Для алкадиенов характерны обычные реакции электрофильного присоединения А_E, свойственные алкенам. Особенность сопряженных диенов состоит в том, что две двойные связи в их молекулах функционируют как единое целое, поэтому реакции присоединения могут протекать в двух направлениях: а) к одной из двойных связей (1,2-присоединение) или б) в крайние положения сопряженной системы с образованием новой двойной связи в центре системы (1,4-присоединение). Так, присоединение брома к бутадиену может привести к двум продуктам:

Подбор реагентов и условий реакций позволяет направлять присоединение по любому из двух направлений.

Важнейшее свойство диенов — их способность к полимеризации, которая используется для получения синтетических каучуков. При полимеризации бутадиена-1,3, которая протекает как 1,4-присоединение, получают бутадиеновый каучук:

Использование металлоорганических катализаторов в этой ре­акции позволяет получить каучук с регулярным строением, в котором все звенья цепи имеют цис-конфигурацию. Аналогичная реакция с изопреном дает синтетический изопреновый каучук, который по строению и свойствам близок к природному каучуку:

Природный (натуральный) каучук (из гевеи) — полиизопрен (С₅Н₈)_n=1000-3000эластичен. Его молекулы свернуты в цис-положении, разворачиваются и возвращаются при снятии нагрузки, а транс-полимер — гуттаперча — неэластична.

Синтетический каучук— полимер изопрена или бутадиена (по Лебедеву, SU), уступает природному из-за меньшей стереорегулярности, стереорегулярный (с цис-СН₂-)- дивиниловый и полиизопреновый каучук близок к природному, износоустойчив.

Каучук — лишь один из изопреноидов формулы (С₅Н₈)_n, включающих биологически активные терпены, каротин, провитамины (А,Д), гормоны, стероиды и другие, в организме получаемых как и жиры, из ацетата 1а Диены определяются как углеводороды с 1- общей формулой С_nН_2n-2 2- двумя сопряженными связями 3- кратными связями 4- двумя двойными связями.2а Изопрен С₅Н₈НЕ является 1- основой множества природных соединений 2- сопряженным диеном 3- жидкостью 4- цис-изомером.3а Бутадиен-1,3 при гидрировании дает 1) бутен-1 2) бутен-2 3) бутин-2 4) смесь бутенов.

Строение каучука было доказано методом озонирования (Гарриес). Получение при озонолизе левулинового альдегида подтверждает упорядо­ченное 1,4-строение:

Строение:

Атомы углерода в молекуле бутадиена-1,3 находятся в sp 2 — гибридном состоянии, что означает расположение этих атомов в одной плоскости и наличие у каждого из них одной p — орбитали, занятой одним электроном и расположенной перпендикулярно к упомянутой плоскости.

a)	б)
Схематическое изображение строения молекул бутадиена -1,3 (а) и вид модели сверху (б). Перекрывание электронных облаков между С1–С2 и С3–С4 больше, чем между С2–С3.

p — Орбитали всех атомов углерода перекрываются друг с другом, т.е. не только между первым и вторым, третьим и четвертым атомами, но и также между вторым и третьим. Отсюда видно, что связь между вторым и третьим атомами углерода не является простой σ — связью, а обладает некоторой плотностью p — электронов, т.е. слабым характером двойной связи. В молекуле отсутствуют в классическом понимании одинарные и двойные связи, а наблюдается делокализация p — электронов, т.е. равномерное распределение p — электронной плотности по всей молекуле с образованием единого p — электронного облака. Взаимодействие двух или нескольких соседних p — связей с образованием единого p — электронного облака, в результате чего происходит передача взаимовлияния атомов в этой системе, называется эффектом сопряжения. Таким образом, молекула бутадиена -1,3 характеризуется системой сопряженных двойных связей.
Такая особенность в строении диеновых углеводородов делает их способными присоединять различные реагенты не только к соседним углеродным атомам (1,2- присоединение), но и к двум концам сопряженной системы (1,4- присоединение) с образованием двойной связи между вторым и третьим углеродными атомами. Отметим, что очень часто продукт 1,4- присоединения является основным.

Получение.Основной промышленный способ получения диенов — дегидрирование алканов. Бутадиен-1,3 (дивинил) получают из бутана:

а изопрен (2-метилбутадиен-1,3) — из 2-метилбутана:

Бутадиен-1,3 можно также получать по реакции Лебедева пу­тем одновременного дегидрирования и дегидратации этанола:

Применение. Основная область применения алкадиенов — синтез каучуков.

Получение каучуков

Одно дерево бразильской гевеи в среднем, до недавнего времени, было

способно давать лишь 2-3 кг каучука в год; годовая производительность

одного гектара гевеи до Второй Мировой войны составляла 300—400 кг технического каучука. Такие объёмы натурального каучука не удовлетворяли растущие потребности промышленности. Поэтому возникла необходимость получить синтетический каучук. Замена натурального каучука синтетическим даёт огромную экономию труда.

Первый синтетический каучук, был получен по методу С.В. Лебедева из спирта:

2CH3-CH2-OH t=425,ZnO,Al2O3→ CH2=CH-CH=CH2 + H2 + 2H2O

при полимеризации дивинила под действием металлического натрия, представлял собой полимер нерегулярного строения со смешанным типом звеньев 1,2- и 1,4-присоединения:

В присутствии органических пероксидов (радикальная полимеризация) также образуется полимер нерегулярного строения со звеньями 1,2- и 1,4- присоединения. Каучуки нерегулярного строения характеризуются невысоким качеством при эксплуатации. Избирательное 1,4-присоединение происходит при использовании металлорганических катализаторов (например, бутиллития C4H9Li, который не только инициирует полимеризацию, но и определенным образом координирует в пространстве присоединяющиеся молекулы диена):

Таким способом получен стереорегулярный 1,4-цис-полиизопрен – синтетический аналог натурального каучука. Данный процесс идет как ионная полимеризация.

Реакция получения каучуков реакцией полимеризации:

nCH2=C-CH=CH2 t,kat → (-CH2-C=CH-CH2-)n

изопрен изопреновый каучук

Реакция получения каучуков реакцией сополимеризации:

CH2=CH-CH=CH2 + CH=CH2 + CH2=CH-CH=CH2 + CH=CH2 + … t,kat →

t,kat → [-CH2-CH=CH-CH2 -CH-CH2-]n

Наиболее массовое применение каучуков — это производство резин для автомобильных, авиационных и велосипедных шин.

Из каучуков изготавливаются специальные резины огромного разнообразия уплотнений для целей тепло-, звуко-, воздухо- игидроизоляции разъёмных элементов зданий, в санитарной и вентиляционной технике, в гидравлической, пневматической и вакуумной технике.

Каучуки применяют для электроизоляции, производства медицинских приборов и средств контрацепции.

В ракетной технике синтетические каучуки используются в качестве полимерной основы при изготовлении твёрдого ракетного топлива, в котором они играют роль горючего, а в качестве наполнителя используется порошок селитры (калийной или аммиачной) или перхлората аммония, который в топливе играет роль окислителя.

6. Сопряженные диены. Химические свойства: реакции присоединения, окисления, димеризации, диеновый синтез. Полимеризация.

В сопряженных диенах p-электронные облака двойных связей перекрываются между собой и образуют единое p-электронное облако. В сопряженной системе p-электроны уже не принадлежат определенным связям, они делокализованы по всем атомам, поэтому структуру диенов можно изобразить сле­дующим образом (на примере бутадиена):

Пунктирные линии показывают область делокализации элек­тронов и обозначают промежуточный порядок связи между С-С и С = С. Цепь сопряжения может включать большое число двой­ных связей. Чем она длиннее, тем больше делокализация p-электронов и тем устойчивее

Наибольшее значение имеют диеновые углеводороды с сопряжёнными двойными связями, в их молекулах двойные связи разделены одной одинарной связью. Например, дивинил СН₂=СН–СН=СН₂, изопрен СН₂=С(СН₃)–СН=СН₂ и др.

Уравнение реакции получения синтетического изопренового каучука

Синтетический полиизопрен — аналог натурального каучука.

Натуральный каучук — это изопреновый каучук. Поэтому перед учёными стояла задача получить синтетический изопреновый каучук. Синтез такого каучука был осуществлён. Но свойств натурального каучука в полной мере достичь не удавалось. Причину этого установили, когда изучили пространственное строение натурального каучука. Оказалось, что он имеет стереорегулярное строение.

Полимеризацию изопрена и его сополимеризацию с другими мономерами проводят главным образом эмульсионным (латексным) способом в присутствии водорастворимых инициаторов. Инициирование с использованием окислительно-восстановительных систем (например, FeSO₄+H₂O₂) позволяет вести полимеризацию даже при -20°С.

Такие низкие температуры благоприятствуют образованию полимеров более регулярного строения с высоким содержанием 1,4-цис-звеньев, обладающих хорошей разрывной прочностью, высокой эластичностью и другими ценными техническими свойствами.

Регулярность строения полиизопрена может быть резко увеличена при проведении полимеризации в растворе (например, в петролейном эфире) в присутствии металлического лития.

Сополимеризация смесей из 97-98% изобутилена CH₂=C (CH₃)₂ и 2-3% изопрена при температуре около -90°С в среде этилена, пропилена или хлорметана в присутствии AlCl₃ приводит к образованию бутилкаучука, отличающегося химической стойкостью, низкой газопроницаемостью и устойчивостью к высоким температурам и старению. Из бутилкаучука производят автокамеры, надувные лодки, прокладки, клей, им футеруют (покрывают) химическую аппаратуру и т.д.

Видеофильм «Получение изопренового каучука»

Бромбутилкаучук — продукт неполного бромирования бутилкаучука — прочно связывается с другими каучуками и хорошо совмещается с ними, что позволяет использовать его для герметизации резиновых изделий, изготовленных из иных полимеров.

Для производства электроизоляционных, антикоррозионных и герметизирующих материалов (герметиков), клеев, формовочных масс, а также связующих компонентов твердого ракетного топлива применяют жидкие каучуки, способные превращаться при вулканизации в резиноподобные продукты.

Изопреновый каучук

Изопреновый каучук – это форма природного каучука, но в модифицированной и адаптированной химическим образом вещество. Другими словами, данное вещество является разновидностью резины и его промышленный сбыт в мировой торговле представляет собой десятки тонн в месяц, потому что сфера применения огромна.

Формула изопренового каучука

Данный вид каучука очень похож на природный и представляет собой серую массу синтетического вещества без запаха. Его производят путем всевозможных химических процессов. Натуральный каучук – это и есть изопреновый каучук. Поэтому ученым нужно было придумать как разработать эту сложную, но при этом простую формулу.

Синтез изопренового каучука удался, но не в полной мере как у натурального. У него строение групп СН расположены не беспорядочно, как в искусственном, а находятся по одну сторону двойной связи в каждом звене. Иными словами, получить эту связь искусственным путем просто невозможно. Этот факт еще раз доказывает уникальность природы и всех веществ, которые она производит.

Для справки – природный каучук получают из дерева, именуемым Гевея. Нашли его на берегах Южной Америке. В других растениях есть подобные составы, но они менее качественные, нежели чем в дереве. Натуральный каучук белого цвета, которое после добычи меняет цвет до коричневого или черного. Молочко добывают из дерева, путем надрезания его коры. Подробнее

Природный каучук при нагревании и замерзании резко меняют свои свойства, поэтому ученые придумали методы, которые делали вещество твердым и при этом пластичным, и эластичным, т.е. с сохранением всех необходимых свойств. Один из таких процессов называется вулканизацией. Речь о нем будет ниже.

Получение изопренового каучука

В основе данного соединения лежит особое вещество, именуемое изопреном. Оно представляет собой бесцветный газ, который практически не растворяется в воде, но хорошо взаимодействует со спиртом, бензолом, этанолом. Данное вещество имеет принципиально важное значение в формировании важного соединения как изопреновый каучук. Для его получения изопрен проходит процедуру полимеризации в определенном растворе. При чем этот процесс должен происходить непрерывно и продолжительное время. Примерно 2-3 часа при температуре от 2 до 10 С по Цельсию. В процессе соединения веществ происходит возникновение особого вещества – изопренового каучука.

После того как была выполнена процедура полимеризации для предотвращения окисления его стабилизируют при помощи фенил диамина. Вводят его в жидком виде, чаще всего в формате жидкости. Для того чтобы получить изопреновый каучук, как осадок в виде специфических мелких частичек, полученное вещество смешивают с паром, потом вводят специальные добавки, которые предотвращают создание комочков. После данных манипуляций производят отделение крошки от воды и специальную сушку. После сушки процедуру по созданию изопренового каучука можно считать завершенным.

Применение бутадиен-стирольного каучука

Так как у природного каучука высокие свойства прочности и при этом эластичности, учёные стремились повторить эту формулу. Им почти удалось это сделать, разработав состав изопренового каучука. Как и всех остальных каучуков данный имеет следующие сферы применения:

· Производство шин для автомобилей, мотоциклов и самолётов.

· Различные детали для разного рода промышленных изделий, машин и профессионального и бытового оборудования.

· Транспортерные ленты больших размеров и образцов для крупных производств.

· В медицинских целях для создания деталей или изделий потиру одноразовых и многоразовых перчаток.

· Производство изделий резиновых для мебельных фурнитур.

· Заводы по изготовлению резиновых изделий: игрушки, посуда, кухонная утварь, в том числе.

· Производство кабелей и разного рода проводов активно использует изопреновый каучук, потому что он обладает высокой степенью изолирования от электричества.

· В производстве прорезиненных поверхностей, ковриков и иных изделий, имеющие резиновые детали.

Вулканизация изопренового каучука

Вулканизация – это технологический процесс, на основании которого происходит соединение некоторых исходных веществ, с целью получения единого соединения, обладающего необходимыми качествами. В частности, речь идет про изопреновый каучук. Данная процедура происходит с участием серы в основе своей и других соединений и нагревании их до определенной температуры.

Вулканизация позволяет насыщаться резине серой и становиться более упругой и прочной. Изготовленная резина из каучука, прошедшего вулканизацию способна сохранять свои свойства под влиянием высоких температур и быть более стойкими к воздействиям различного рода воздействиям окружающей среды. Однако, если серы будет больше положенного, то такой каучук напротив становится боле хрупким и теряет свои эластичные свойства. В этой связи получают новое вещество, именуемое эбонитом. До возникновения пластмасс эбонит считался самым лучшим изолирующим веществом.

Современные технологии не стоят на месте и вулканизацию производят не только с добавлением серы, хоть она приоритетней. Существуют способы добавлять в каучук мел или сажу, что значительно снижает стоимость получаемого вещества, потому что сфера применения и использования высокая. Чаще всего подобные составы используются для производства недорогих резиновых изделий или расходников.

Стоит заметить, что природный каучук тоже используется производствами. Чаще всего для создания покрышек для автомобилей. Но данное использование приходится лишь частично. Происходит смешивание натурального с синтетическим, потому что спрос очень высок на подобные прочные и качественные резиновые соединения.

Таким образом, изопреновый каучук – это приближенный вид каучука к природному. Обладает отличными свойствами по прочности, эластичности и высокой электроизоляции, что позволяет применять данный состав в широкой сфере промышленного и бытового назначения, в том числе пищевой, медицинской и автомобилестроительной. Практически ни один вид производства не обходится без участия изопренового каучука в той или иной мере.

Свойства бутадиен-стирольного каучука

Данный каучук имеет следующие свойства:

· Замерзает при охлаждении и кристаллизуется.

· Прочность и истирание на высоком уровне, собственно, как и у всех каучуков

· Вязкий, что и придает ему тягучесть и прочность.

· Плохая стойкость к солнечному свету и высоким температурам.

· Обладает плохой клейкостью с другими веществами.

Каучук обладает хорошей пластичностью. Это значит, что ему можно придать любую форму при необходимости. Помимо этого, он не растворяется в воде и спирту. Возможно набухание с себе подобными веществами — бензин, керосин. При охлаждении каучука до -70 он приобретает некоторые свойства стекла: является хрупким, твердым и гладким, его с легкостью можно расколоть на мелке осколки. Как и все каучуки изопренов преобладает в трёх основных состояниях — вязком, тяжело тягучем и твёрдо-хрупком.

Стоить заметить, что химическая промышленность потому и синтезирует каучуки разного вида, чтобы он имел каждый раз свойства, подходящие под определенные задачи. Изопреновый каучук прочен и позволяет изготавливать из него резиновые детали, в том числе шины для авиационных и автомобильных производств.