Алкадиени — определение, видове, свойства и приложение в полимерите

В органичната химия диен (наричан още диолефин) е въглеводород, който съдържа две въглеродни пи-връзки. За ацикличните диени общата формула е CnH2n-2. Диените и алкините са функционални изомери. В природата диените се срещат относително рядко, но са много важни в органичния синтез и в полимерната промишленост.

Видове диени

• Конюгирани диени – двойните връзки са разделени от една единична връзка (пример: 1,3-бутадиен, изопрен). Конюгацията дава резонансна стабилизация и характерни реакции като Дилс–Алерз циклоприходи.
• Изолирани диени – двойните връзки са разделени от две или повече единични връзки; реактивността им е по-близка до тази на отделните алкени.
• Кумулативни диени (алени) – двойните връзки са непосредствено една до друга (C=C=C). Имат специфична геометрия и различна електронна структура от конюгираните диени.

Основни физични и химични свойства

• Конюгираните диени са по-стабилни от изолирани поради делокализация на пи-електроните; това влияе на абсорбционните им спектри (наместване в UV/Vis) и на реактивността.
• Диените могат да съществуват в различни пространствени конфигурации (например s-cis и s-trans при 1,3-бутадиен), което оказва влияние върху способността им да участват в циклоприходи и полимеризации.
• Малки ненаситени диени са лесно запалими и често са летливи газове или течности с ниска точка на кипене; при полимеризация образуват материали с различни механични свойства в зависимост от микроструктурата (1,4-цис/транс, 1,2-ви-нил и т.н.).

Типични реакции и реактивност

• Електрофилно присъединяване — по аналогия с алкените, но при конюгирани диени могат да се получат и 1,2- или 1,4-аддукции, което дава различни продуктови серии.
• Дилс–Алерз (Diels–Alder) — [4+2] циклоприход между конюгиран диен и диенофил; ключова реакция в синтеза на циклични системи и в получаването на термореактивни полимери/свързващи системи.
• Полимеризация — радикална, йонна или координативна (катализатори на метали) полимеризация води до различни микроструктури на полимерните вериги. При полимеризация на 1,3-диени се получават варианти като 1,4-цис, 1,4-транс и 1,2-ви-нилни единици, които определят еластичността и якостта на крайния материал.

Производство и синтез

• Промишлен производен на 1,3-бутадиен: страничен продукт при парно крекиране на нефтени фракции или чрез дегидрогениране на бутанови/бутиленови фракции.
• Изопрен се получава от петролни химични процеси или чрез биотехнологични методи (ферментация), а хлоропрен (2-хлор-1,3-бутадиен) се използва за получаване на полихлоропрен (неопрена).
• Синтетични подходи включват и каталитични методи за селективно образуване на конюгирани или изолирани двойни връзки.

Приложение в полимерите

• Синтетични каучуки – полибутадиен (BR), полиизопрен (IR, синтетичен аналог на натурален каучук), полихлоропрен (Neoprene) са ключови еластомери за гуми, уплътнения, маркучи и др.
• Стични кополимери – стираен-бутадиенов каучук (SBR) е основен материал за автомобилни гуми; бутадиенът се кополимеризира и с акрилонитрил (NBR) за масла- и химикало-устойчиви уплътнения.
• Пластмаси и удароустойчиви материали – бутадиенът участва в синтеза на ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирен), който комбинира твърдост и удароустойчивост.
• Термо- и термореактивни мрежи – Дилс–Алерз връзки и други функционализации на диените се използват за образуване на кръстосани, ре-молекулярно контролируеми полимери и самоизлечаващи материали.
• Контролът върху микроструктурата при полимеризация (с помощта на каталитични системи, темп-рата и инициатори) позволява да се настройват еластичност, твърдост, устойчивост на износване и други свойства.

Примери на често срещани диени

• 1,3-бутадиен (C4H6) — основна суровина за полибутадиен и SBR.
• Изопрен (2-метил-1,3-бутадиен) — структурно близък до естествения каучук; дава полиизопрен.
• Хлоропрен (2-хлор-1,3-бутадиен) — мономер за полихлоропрен (неопрен).

Безопасност и опазване на околната среда

• Някои диени, особено 1,3-бутадиен, са токсични и канцерогенни за хора (IARC класификация); производството и обработката изискват ефективна вентилация, улавяне на емисии и мониторинг.
• Многократните емисии от производство и износване на полимери могат да доведат до замърсяване; усилията в индустрията са насочени към намаляване на емисиите и рециклиране на каучуковите изделия.

Диените съчетават богата химична реактивност с практическа приложимост в материали с широк набор от механични и термични характеристики. Разбирането на типовете диени и на механизмите на техните реакции е ключово за проектирането на нови полимери и за оптимизирането на техните свойства.

Класове

Диените могат да се разделят на три класа в зависимост от относителното разположение на двойните връзки:

1. При кумулативните диени двойните връзки имат общ атом, както в групата съединения, наречени алени.
2. Конюгираните диени имат конюгирани двойни връзки, разделени от една единична връзка.
3. Неконюгираните диени имат двойни връзки, разделени от две или повече единични връзки. Обикновено те са по-малко стабилни от изомерните конюгирани диени.

Съединенията, които съдържат повече от две двойни връзки, се наричат полиени. Полиените и диените споделят много от своите свойства.

Циклоприсъединения

Важна реакция за конюгираните диени е реакцията на Диелс-Алдер. Разработени са много специализирани диени, за да се използва тази реактивност за синтез на природни продукти, напр. диенът на Данишефски.

Някои диени: А: 1,2-пропадиенът, известен също като ален, е най-простият кумулативен диен. Б: Изопрен, известен също като 2-метил-1,3-бутадиен, предшественик на естествения каучук. В: 1,3-бутадиен, предшественик на синтетичните полимери. Г: 1,5-циклооктадиен, неконюгиран диен (забележете, че всяка двойна връзка е на два въглерода разстояние една от друга). Д: Норборнадиен, напрегнат бицикличен и неконюгиран диен. Е: Дициклопентадиен. Ж: Линолова киселина - мастна киселина, която е необходима в човешката диета.

Въпроси и отговори

В: Какво е диен?

В: Каква е общата формула на конюгираните диени?

В: Функционални изомери ли са диените и алкините?

В: Съдържа ли природата диени?

В: Как се използват диените в полимерната промишленост?

В: Има ли специфично произношение на диен?

Въпрос: Какво друго наименование използват хората, за да обозначат диен?

Търсене по буква