Мономер

Мономер — это химическое вещество, молекулы которого способны вступать в реакцию полимеризации или поликонденсации с образованием полимера. Мономеры являются исходными строительными блоками для синтеза высокомолекулярных соединений, состоящих из повторяющихся звеньев. Ключевая особенность мономера — наличие функциональных групп или кратных связей, обеспечивающих возможность многократного соединения (роста цепи). Мономеры могут быть низкомолекулярными (молекулярная масса от десятков до нескольких сотен атомных единиц массы) или олигомерами (промежуточное состояние между мономером и полимером).

История

Понятие мономера сформировалось в XIX—XX веках в ходе развития химии полимеров. В 1838 году французский химик Анри Виктор Реньо впервые получил поливинилиденхлорид, но систематическое изучение мономеров началось после работ Германа Штаудингера (1920-е годы), который доказал, что полимеры состоят из длинных цепей, соединённых ковалентными связями, а не из агрегатов малых молекул. Штаудингер ввёл термины «макромолекула» и «мономер», заложив основы современной науки о полимерах. В 1953 году он получил Нобелевскую премию по химии за эти открытия.

Развитие нефтехимии в середине XX века привело к промышленному производству ключевых мономеров: этилена, пропилена, стирола, винилхлорида. В СССР и России крупные производства мономеров были созданы в рамках химической промышленности, например, на предприятиях «Нижнекамскнефтехим», «Казаньоргсинтез», «Сибур».

Классификация

Мономеры классифицируют по нескольким признакам.

По типу реакционной способности

• Ненасыщенные мономеры — содержат двойные или тройные связи (например, этилен, пропилен, стирол, бутадиен). Вступают в реакции радикальной или ионной полимеризации.
• Гетероциклические мономеры — содержат циклы с атомами кислорода, азота, серы (например, капролактам, этиленоксид). Полимеризуются с раскрытием цикла.
• Бифункциональные мономеры — имеют две или более функциональные группы (например, диолы, диамины, дикарбоновые кислоты). Участвуют в реакциях поликонденсации.

По происхождению

• Природные мономеры — встречаются в живых организмах: аминокислоты (мономеры белков), нуклеотиды (мономеры нуклеиновых кислот), моносахариды (мономеры полисахаридов, например, глюкоза, фруктоза).
• Синтетические мономеры — получают химическим синтезом из нефти, газа, угля или биомассы. Примеры: стирол, винилацетат, акрилонитрил, метилметакрилат.

По числу реакционных центров

• Монофункциональные — одна реакционная группа (не могут образовывать полимерные цепи, используются как модификаторы).
• Бифункциональные — две группы (образуют линейные полимеры).
• Полифункциональные — три и более групп (образуют сшитые, сетчатые полимеры).

Химические свойства

Основное свойство мономеров — способность к полимеризации и поликонденсации. Реакция полимеризации протекает по механизмам:

• Радикальная полимеризация — инициируется свободными радикалами (пероксидами, азосоединениями). Пример: полимеризация этилена под высоким давлением.
• Ионная полимеризация — катализируется кислотами (катионная) или основаниями (анионная). Пример: катионная полимеризация изобутилена.
• Координационная полимеризация — с использованием металлоорганических катализаторов (катализаторы Циглера — Натта). Пример: синтез изотактического полипропилена.

Поликонденсация — реакция, при которой мономеры соединяются с выделением низкомолекулярных побочных продуктов (воды, спирта, аммиака). Примеры: образование полиэфиров из диолов и дикарбоновых кислот, полиамидов из диаминов и дикарбоновых кислот.

Применение

Мономеры являются сырьём для производства подавляющего большинства синтетических полимеров, используемых в промышленности, строительстве, медицине, быту.

Основные мономеры и их полимеры

Специальные применения

• Функциональные мономеры — содержат реакционноспособные группы (гидроксильные, карбоксильные, эпоксидные) для придания полимерам специфических свойств (адгезия, сшивание, биосовместимость).
• Биомономеры — мономеры природного происхождения (молочная кислота, гликолевая кислота) используются для синтеза биоразлагаемых полимеров (полилактид, полигликоляд).
• Мономеры для 3D-печати — акрилаты, эпоксидные смолы, применяемые в фотополимерной печати.

Производство

Промышленное получение мономеров основано на переработке углеводородного сырья. Основные процессы:

• Крекинг — термическое разложение нефтяных фракций (получение этилена, пропилена, бутадиена).
• Дегидрирование — отщепление водорода от алканов (получение стирола из этилбензола, бутадиена из бутана).
• Окисление — получение мономеров с кислородсодержащими группами (акриловая кислота, метилметакрилат).
• Синтез из синтез-газа — получение метанола, уксусной кислоты, винилацетата.

В России крупнейшими производителями мономеров являются компании «Сибур», «Нижнекамскнефтехим», «Казаньоргсинтез», «Газпром нефтехим Салават». Объёмы производства этилена в России превышают 3 млн тонн в год, пропилена — около 2 млн тонн.

Безопасность и экология

Многие мономеры токсичны, огнеопасны, обладают раздражающим или канцерогенным действием. Например, винилхлорид является доказанным канцерогеном для человека, стирол и формальдегид — токсичны. При работе с мономерами требуется соблюдение строгих мер безопасности: герметизация оборудования, вентиляция, использование средств индивидуальной защиты.

Экологические проблемы связаны с выбросами мономеров в атмосферу и сточные воды при производстве, а также с утилизацией полимеров, в состав которых входят остатки непрореагировавших мономеров. В России и других странах действуют нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК) мономеров в воздухе рабочей зоны и в окружающей среде. Развиваются технологии «зелёной химии», направленные на получение мономеров из возобновляемого сырья (биоэтанол, молочная кислота) и снижение токсичности процессов.

Интересные факты

• Самым простым мономером является этилен (C₂H₄) — газ, состоящий из двух атомов углерода и четырёх атомов водорода.
• Мономеры могут образовывать не только линейные, но и разветвлённые, сшитые и циклолинейные полимеры.
• В природе мономеры (аминокислоты, нуклеотиды) служат основой для синтеза биополимеров, обеспечивающих жизнедеятельность всех организмов.
• Некоторые мономеры (например, изопрен) являются естественными метаболитами растений и животных.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992.
• Киреев В. В. Высокомолекулярные соединения. — М.: Высшая школа, 1992.
• Оудиан Дж. Основы химии полимеров. — М.: Мир, 1974.
• Шур А. М. Высокомолекулярные соединения. — М.: Высшая школа, 1981.
• Данные о производстве мономеров в России — Росстат, Минпромторг РФ, годовые отчёты ПАО «Сибур».