Валентин Азерников - 200 лет спустя. Занимательная история каучука

Третье условие. Боковые группы-подвески не должны торчать беспорядочно в разные стороны, как почки на ветке. Они должны сидеть на главной цепи либо все сверху, либо все снизу, либо через одну — вверх-вниз. Если это условие не соблюдать, молекула станет похожей на колючую проволоку. И не сможет тогда сосуществовать с другими молекулами.

Свойства вещества, даже в случае упорядоченной постройки, сильно меняются в зависимости от того, смотрят ли подвески в одну сторону или в разные. Если главная цепь полимера содержит двойные связи, то первое построение называется “цис”, что по-латыни означает “по эту сторону”.

Второе положение обозначается латинским словом “транс”, что значит “через”. Натуральный каучук — это цис-вариант изопренового полимера, а транс-вариант той же самой молекулы обладает совсем иными свойствами. По существу, это уже другое вещество, называется оно гуттаперча. Итак, два вещества совершенно одинакового химического состава различаются по свойствам лишь потому, что у них разная молекулярная архитектура. Такие вещества называются пространственными изомерами.

Так вот, все попытки химиков получить синтетический каучук, похожий по свойствам и по строению на натуральный, долгие годы разбивались как раз об эту способность полимеров. В аппараты загружали одни и те же исходные вещества, вели полимеризацию в одних и тех же условиях, а получались как бы разные вещества. Никогда не знаешь, сколько звеньев соединятся в правильном порядке, а сколько без всякого порядка. То есть продукция все время получалась нестандартная. И даже когда ученым уже стала ясна ахиллесова пята синтетических каучуков, даже когда они знали, что регулярность строения улучшает свойства, все равно ничего поделать с упрямыми молекулами они не могли. Несмотря на все технологические ухищрения, молекулы получались с браком — в них было много нерегулярных участков. И идеал по-прежнему оставался недосягаемым. Этому идеальному полимеру даже было дано имя. Нарекли его весьма прозаично “цис‑1,4”. В химических святцах это имя означает вот что: цис — все подвески на одну сторону, 1,4 — голова соединена с хвостом. Это полное имя, а можно называть его и более фамильярно: стереорегулярный полимер.

Ну вот теперь можно продолжить наш путь в Италию, где Натта только что узнал, что его немецкий коллега открыл новый катализатор. И что полимерные цепи получались почти все прямыми, а не разветвленными. То есть катализатор, помимо того, что позволил легко осуществить с трудом осуществимый раньше процесс, еще и устранил одну из трех опасностей, подстерегавших полимерную молекулу.

А остальные две? А их для полиэтилена вообще не существует. Ибо звенья, из которых он собирается, — симметричны. Их все равно каким концом соединять. И подвесков у них нет. Это как бы круглые бусинки.

Поэтому сделать какой-нибудь прогноз о том, как ведет себя новый катализатор в отношении двух других опасностей, Натта вроде бы не мог. И все же он его для себя сделал. Потому что он не стал повторять работу Циглера, он оставил полиэтилен и сразу же, немедленно бросил всех сотрудников лаборатории на штурм полипропилена. Этот полимер, знакомый теперь многим, так же как полиэтилен, — ближайший родственник полиэтилена. Разница в том, что его звенья несимметричны, у них есть подвески.

До открытия Циглера полипропилен удавалось синтезировать с огромным трудом. Когда Натта первый раз провел синтез на новом катализаторе, он убедился, насколько замечательное открытие сделал его коллега: полипропилен образовывался очень легко. Он убедился также, что полученный этим способом полимер содержит значительно меньше разветвленных молекул. И, наконец, в хаосе образовавшихся цепей Натта увидел еще одну особенность нового синтеза.

Рожденная в тисках нового катализатора молекула выглядела совсем по-иному, она уже не походила на колючую проволоку, скорее она напоминала провод с сидящими на нем воробьями. Все подвески расположились строго регулярно. Натта повторил опыт, и снова архитектура молекул была выдержана в самых лучших, классических, с точки зрения стереохимии, пропорциях. Вдоль всей длины молекулы сохранялся четкий пространственный ритм. Словно таинственный музыкант записал на ней, как на нотной линейке, монотонные удары бубна. Но в этой кажущейся монотонности Натта услышал дивную гармонию. Ибо мелодии отдельных молекул, слабые каждая сама по себе, сливались в единый мощный аккорд. И он был созвучен мелодии ликования, которая звучала в душе каждого из сотрудников Натта. Ибо им впервые удалось осуществить то, что до них было монополией природы, — стереорегулярную полимеризацию.

Клубки колючей проволоки, где каждая ощетинившаяся во все стороны молекула не подпускала к себе близко соседей, не выдерживали больших нагрузок. Они смогли приблизиться друг к другу, теперь возникшие силы притяжения сплотили их — некогда разрозненные — в монолитный коллектив, который был сильнее толпы одиночек.

Полимер стал значительно прочнее.

Первая победа подхлестнула сотрудников Натта. Вслед за пропиленом они атакуют новые полимеры, и каждый из них, подчиняясь катализатору, обретает новые свойства.

И наконец настает день, когда Натта произносит: синтетический каучук. И на операционный стол химических превращений ложится молекула бутадиена — того самого синтетического каучука, который за двадцать лет до этого был получен Сергеем Васильевичем Лебедевым.

Бутадиену предстояло как бы новое рождение. Он должен обрести необычное для него свойство — эластичность, такую же, как у его соперника — натурального каучука.

В 1955 году химики узнают: бутадиеновый каучук регулярного строения получен. К его старому имени можно прибавить новую приставку: “цис‑1,4”. Она возвеличивает его, так же как возвеличивает любого англичанина произнесенное перед его именем короткое слово “сэр” — признак рыцарского звания. И первый рыцарь среди всех синтетических каучуков начинает победное шествие по лабораториям и заводам всего мира. Вскоре его удается получить и у нас в стране. Это было сделано в 1956 году во Всесоюзном научно-исследовательском институте синтетического каучука под руководством академика Бориса Александровича Долгоплоска. Новый каучук, названный, в отличие от каучука Лебедева, СКД, имел эластичность не хуже, чем у натурального, а его стойкость к истиранию — качество, особенно важное для шин, — была даже выше, чем у природного каучука.

В этом же, 1956 году в этом же институте группа ученых под руководством члена-корреспондента АН СССР Алексея Андреевича Короткова разработала метод синтеза еще одного каучука. Каучука, чья родословная была древнее, чем у СКД — изопренового, СКИ.