Сергей Лебедев
Шрифт:
На реакции полимеризации — одной из интереснейших реакций органической химии — надо остановиться особо. Особенно легко осуществляется процесс полимеризации непредельных соединений, то есть органических соединений, в которых углеродные атомы соединены между собой не одной, а двумя или тремя валентностями, или, как принято говорить в химии, «имеют в своей структуре двойные или тройные связи». Молекулы непредельных соединений способны вступать не только в разнообразные реакции со многими классами химических соединений, но и реагировать между собой. А это и есть сущность процесса полимеризации, и осуществляется он именно, за счет имеющихся в непредельных соединениях двойных и тройных связей. В результате последовательных актов присоединения из исходного непредельного соединения (часто
Каждый читатель еще в младших классах школы узнает, что любое тело в зависимости от температурных условий существует в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Так же хорошо известно и то, что при одной и той же температуре и одном и том же давлении каждому телу присуще определенное агрегатное состояние. Например, вода при атмосферном давлении при низких температурах находится в твердом состоянии в виде льда, в интервале температур от 0 до 100° является жидкостью, а по достижении температуры 100° превращается в пар.
Каждое агрегатное состояние характеризуется определенным комплексом свойств. Для газообразного состояния характерна упругость, для жидкого состояния — текучесть и способность принимать любую форму, а для твердого состояния — высокая прочность. В высокополимерах же (так называются полимеры, состоящие из очень большого числа исходных «звеньев») в широком интервале температур одновременно могут проявляться свойства, характерные для газообразного, жидкого и твердого состояния. Так, например, изделия из каучука — этого типичного представителя высокополимерных веществ, — резиновые изделия, обладают высокой упругостью (свойство, присущее газу), могут принять под действием силы любую форму (свойство, присущее жидкости) и обладают высокой прочностью (свойство, присущее твердому телу). Такое сочетание свойств высокополимеров делает их неоценимо полезными для человека. Как известно, к классу высокополимерных (или высокомолекулярных) веществ относятся различные волокна, пластмассы и каучуки, без которых очень трудно представить нашу современную жизнь.
К началу XX века процессы превращения низкомолекулярных веществ в высокополимеры не только не были еще освоены техникой, но даже не имели и достаточного научного обоснования. Один из крупнейших современных специалистов в области высокополимеров, Герман Марк, откровенно признавался, что «гигантские молекулы долгое время не представляли для химиков особого интереса. У классической органической химии было достаточно интересных и важных задач. Однако в 20-х годах нашего века изучение таких крупных молекул, как целлюлоза и каучук, уже стало казаться привлекательным».
В России проблема полимеризации завоевала себе признание значительно раньше.
Превращения различных непредельных соединений в полимерные продукты привлекали внимание еще А. М. Бутлерова, исследования которого впервые пролили свет на механизм процесса превращения изобутилена под действием серной кислоты в полимерные формы.
В дальнейшем вопросами полимеризации занимались ученики Бутлерова, причем некоторые из них добились в этой области сравнительно многого (например, И. Л. Кондаков, на работах которого мы остановимся дальше), и если они не сумели достичь заметных результатов, то лишь потому, что не были поддержаны всем фронтом тогдашней химической науки: другие выдающиеся представители бутлеровской школы — Марковников, Зайцев, Вагнер, Львов, Фаворский и Арбузов, охотнее развивали в своих работах иные стороны многогранного направления исследований своего учителя.
Первым, кто из последователей А. М. Бутлерова начал фундаментальные и систематические исследования в области полимеризации, был Сергей Васильевич Лебедев.
Когда человек начинает какую-нибудь новую работу, он сначала примеривается, пробует, как лучше ее начать и как лучше и
Первые предварительные исследования Сергея Васильевича Лебедева в новой области были посвящены полимеризации углеводорода стирола, бромистого винила и эфиров акриловой кислоты.
Стирол может быть получен из этилена, если один атом водорода в молекуле этого широко известного углеводорода заменяется остатком бензола, известным в химии под названием радикала фенила.
Стирол — это жидкость. Давно было известно, что при хранении или нагревании жидкость превращается в стеклообразную твердую массу — результат происходящего при этом процесса полимеризации. Подобно стиролу ведет себя и другое производное углеводорода этилена — бромистый винил. Но в бромистом виниле в отличие от стирола один атом водорода заменен не на радикал фенил (остаток бензола), а на атом брома. Способность бромистого винила к полимеризации также была к этому времени хорошо известна.
Начав изучать полимеризацию непредельных соединений, С. В. Лебедев решил выяснить, как влияет на скорость полимеризации этих соединений химическая природа растворителя. Для этого он растворял названные соединения в различных спиртах, органических кислотах, углеводородах и в других органических соединениях и затем выяснял, какая часть исходного вещества при одной и той же температуре и за определенные промежутки времени превращается в полимер.
Не обнаружив заметных изменений в скорости процесса, он прервал эти исследования.
Надо отметить, что в настоящее время процесс полимеризации этих соединений (особенно стирола) приобрел большое практическое значение при производстве пластических масс. В те же годы, когда Сергей Васильевич начинал свои исследования, производства пластических масс не было, и возможность применения полимеров этих веществ для практических целей не вырисовывалась даже в далекой перспективе.
Предметом своих дальнейших исследований Сергей Васильевич избрал эфиры акриловой кислоты. Акриловая кислота также является производным этилена, в котором один атом водорода заменен на кислотную, или, как химики говорят, корбоксильную, группу. В результате взаимодействия спиртов с кислотами получаются сложные эфиры. С. В. Лебедев поставил перед собой задачу выяснить, как будет изменяться скорость полимеризации эфиров акриловой кислоты, образованных за счет различных спиртов (метилового, этилового, пропилового и др.) В этом исследовании Сергей Васильевич впервые в истории химии начал выяснять вопрос о влиянии химической структуры и характера заместителей на скорость процесса полимеризации непредельных соединений. Но химика-органика, каким прежде всего был С. В. Лебедев, интересовал не только вопрос о скорости полимеризации, но и химическая структура получаемых полимеров. Это была исключительно трудная задача, ибо полимеры эфиров акриловой кислоты, так же как и полимеры стирола и бромистого винила, относятся к классу предельных соединений, то есть к таким веществам, в молекуле которых нет двойных связей и которые, следовательно, не способны к различным химическим реакциям.
Изучать химическую структуру подобных полимеров нелегко даже сейчас, когда на помощь ученому пришли физические методы исследования, разработанные в последние 20 лет. А в то время, предприняв несколько попыток определить структуру полученных полимеров, С. В. Лебедев был вынужден констатировать, что существовавшими в то время химическими методами эту задачу решить было невозможно. Рушился весь заманчивый план исследований, который, как мы помним, предполагал возможность установления взаимосвязи между химическим строением исходного непредельного соединения, скоростью его полимеризации и структурой получаемых полимеров.