Валентин Азерников - 200 лет спустя. Занимательная история каучука
Так или примерно так должен был рассуждать Циглер, для того чтобы отдать то распоряжение, которое он отдал. Он попросил тщательно исследовать аппарат — нет ли в нем каких-нибудь, пусть даже мизерных, следов “пришлого” вещества. Перед опытом в аппарате должны были находиться следующие элементы: алюминий, углерод, водород и кислород. Если будет найден еще какой-нибудь элемент, значит, опыт был подготовлен не чисто. И, следовательно, тот, кто его готовил, заслуживает… Впрочем, в то время было еще не совсем ясно, чего именно заслуживает провинившийся. Да и вообще — провинившийся ли он? Может быть, совсем наоборот. До окончания “следствия” этот вопрос оставался открытым, и все время, пока оно шло, каждый из сотрудников Циглера молил судьбу, чтобы все обошлось благополучно. Благополучно в том смысле, чтобы найти “состав преступления” — следы какого-нибудь элемента или вещества, которые так чудодейственно изменили течение реакции.
И вот после одного из анализов раздалось долгожданное “нашел!”. На стенках аппарата обнаружены следы никеля, которые остались, очевидно, после предыдущего опыта. Это никель придал смеси новое замечательное свойство. Опыт повторяют, теперь уже вполне сознательно устранившись от случая; результат тот же: этилен полимеризуется.
Но обязательно ли никель? Конечно, никель сделал большое дело, он оказался неожиданным ориентиром, указав то направление, по которому надо идти. Но на найденном останавливаться нет смысла, надо пройти по этой дороге до самого конца.
И в течение нескольких дней весь институт буквально сотрясала поисковая лихорадка. Словно клондайкские золотоискатели, брели ученые по таблице Менделеева в поисках еще более активных веществ. И, наконец, среди многих претендентов выбрали ту композицию элементов, которая работала наилучшим образом. К алюминию и углеводородам прибавились еще титан и хлор. В их присутствии этилен превращался в полиэтилен при обычном атмосферном давлении.
Но это было еще не самое замечательное. То есть вообще это было просто замечательно, ибо позволяло избавиться от полутора тысяч атмосфер, а следовательно, и от реакторов, сделанных из пушечной стали; очень сильно снижалась стоимость заводов; словом, этого эффекта уже было вполне достаточно, чтобы громко, на весь мир приветствовать рождение нового катализатора — вещества, ускоряющего химические реакции. Однако, как вы понимаете, этого было бы недостаточно, чтобы занять место в нашей книге, ибо какое же все это имеет отношение к каучуку. И, конечно, если бы на этом дело и кончилось, я бы не стал рассказывать вам эту историю, хотя она и весьма занимательна. Поэтому вы, ничем не рискуя, можете побиться об заклад, что сейчас последует продолжение этой истории, которое в конечном счете приведет каким-то образом к каучуку. Точно так же, как каждая глава, независимо от того, где она брала старт, непременно финишировала около каучука.
Так вот, эта история действительно имела продолжение. Началось оно спустя десять недель после открытия Циглера, в тот момент, когда о нем узнал Джулио Натта, — профессор Миланского политехнического института.
Однако, чтобы все дальнейшее было совершенно понятным, давайте, прежде чем перенестись из Германии в Италию, задержимся на несколько строк где-нибудь по дороге, где никакие события не будут привлекать вашего внимания и поэтому вам волей-неволей придется познакомиться с той азбукой, с которой теперь знаком каждый химик.
И тогда повесть о превращении веществ, повесть, которую написала однажды природа и которую вот уже многие века пытаются прочесть ученые, предстанет на экране вашего воображения в стереоскопическом варианте. Ибо представления о сути химических превращений становятся правильными только тогда, когда учитывается расположение молекул в пространстве.
Природа, сотворившая окружающий нас мир, не забывает об этом никогда. Каждая молекула каучука, рождающаяся в клетках гевеи, обладает строго регулярным строением. И поэтому она прочна и эластична.
Когда химики впервые начали подражать природе в создании каучука, когда искусственно, в колбе, они создавали вещество, которое должно было, по их расчетам, обладать такими же замечательными свойствами, как и натуральный каучук, они еще не знали о жестких законах стереохимии, карающих малейшую небрежность в архитектуре молекул. И поэтому каучуки, которые синтезировали вначале, получались хуже натурального.
При построении молекулы каучука необходимо соблюдать три правила, введенных природой для любого полимерного сооружения, собираемого из сборных элементов, если эти элементы имеют верх, низ, голову и хвост, то есть асимметричны. Если собирать бусы из круглых шариков, нанизывая их один за одним, то от того, каким концом вы их нанижете, рисунок бус не изменится. Если же каждая бусинка имеет неправильную форму или имеет какой-то подвесок, то в этом случае сборка бус требует большого внимания. Стоит, зазевавшись, нанизать хотя бы несколько бусинок подвеском вверх, получится брак.
Так вот, чтобы молекула каучука получилась отличного качества, надо соблюсти три условия.
Первое условие. Нельзя допускать разветвления цепи.
Необходимо, чтобы все звенья были вытянуты в одну нить.
Второе условие. Звенья не должны становиться друг за другом как попало. Иначе каучуковая молекула окажется в положении колонны солдат, стоящих кто лицом вперед, а кто вперед затылком, когда им подают команду “шагом марш”.
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.
