Кіріспе
Қайталанатын бірлік [C2H2] полимерлерінен жасалған органикалық полимерлер, екеуленіп кезектесетін қос және бірлік байланыстарға ие. Полиацетилен (IUPAC атауы: полиэтин) әдетте қайталанатын бірлікпен – [C2H2] {n} – органикалық полимерді білдіреді. Атауы ацетиленнің полимерленуінен пайда болатын, қайталанатын олефин топтары бар тізбектің тұжырымдық құрылымын көрсетеді. Бұл қосылыс тұжырымдық жағынан маңызды, себебі полиацетиленнің және оның допингтелгендегі жоғары өткізгіштігінің ашылуы органикалық өткізгіш полимерлер саласын дамытуға ықпал етті. Хидеки Ширакава, Алан Хигер және Алан МакДиармид осы полимер үшін ашқан жоғары электр өткізгіштігі микроэлектроникада органикалық қосылыстарды (органикалық жартылай өткізгіштерді) қолдануға үлкен қызығушылық туғызды. Бұл жаңалық 2000 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Полиацетиленді зерттеу саласындағы алғашқы жұмыстар допингтелген полимерлерді оңай өңделетін және жеңіл "пластик металдар" ретінде пайдалануға бағытталған.
polymers with alternating double and single bonds
Polyacetylene (IUPAC name: polyethyne) usually refers to an organic polymer with the repeating unit |[C2H2] {n} The name refers to its conceptual construction from polymerization of acetylene to give a chain with repeating olefin groups. This compound is conceptually important, as the discovery of polyacetylene and its high conductivity upon doping helped to launch the field of organic conductive polymers. The high electrical conductivity discovered by Hideki Shirakawa, Alan Heeger, and Alan MacDiarmid for this polymer led to intense interest in the use of organic compounds in microelectronics (organic semiconductors). This discovery was recognized by the Nobel Prize in Chemistry in 2000. Early work in the field of polyacetylene research was aimed at using doped polymers as easily processable and lightweight "plastic metals".
Құрылымы
Полиацетилен – әрқайсысы бір сутек атомы бар, бірін-бірі алмастыратын жеке және қос байланыстары бар көміртек атомдарының ұзын тізбегінен тұрады. Қос байланыстар цис немесе транс геометриялы болуы мүмкін. Полимердің әрбір изомері – цис полиацетилен немесе транс полиацетиленнің – реакция жүргізілетін температураны өзгерту арқылы бақыланатын синтезіне қол жеткізуге болады. Полимердің цис формасы транс изомерге қарағанда термодинамикалық тұрақтылығы төмен. Полиацетилен тізбегінің конъюгацияланған табиғатына қарамастан, материалдағы барлық көміртек-көміртек байланыстары бірдей емес: жеке/қос байланыстардың ерекше алмасуы байқалады. Сызықтық полиацетиленді алғаш рет 1958 жылы Джулио Натта синтездеді. Нәтижесінде алынған полиацетилен сызықтық, жоғары молекулалық салмақты, жоғары кристалдылыққа ие және реттелген құрылымды көрсетті. Рентгендік дифракция зерттеулері нәтижесінде алынған полиацетиленнің транс полиацетилен екендігі анықталды. Ширакаваның зерттеулерімен қатар, Алан Хигер мен Алан МакДиармид ұқсас, бірақ бейорганикалық полимер – политиазилдің [(SN)x] металл қасиеттерін зерттеді. Политиазил Хигердің назарын тізбектей металл материал ретінде тартып, ол бұл материал бойынша бұрын тәжірибе жинаған Алан МакДиармидпен бірлесіп жұмыс істеді. 1970 жылдардың басында бұл полимердің төмен температурада супе өткізгіштік қасиеттері бар екені белгілі болды. Бұдан әрі жүргізілген зерттеулер цис/транс изомерлердің арақатынасын жақсартуға және цис полиацетиленді допингтеудің транс полиацетиленді допингтеуге қарағанда жоғары өткізгіштікке ие екенін көрсетті. Полиацетилендегі өткізгіштіктің осындай артуын түсіндіру үшін J. R. Schrieffer және Heeger топологиялық тұрғыдан қорғалған солитондық ақаулардың болуын қарастырды, олардың моделі қазір Су–Шриффер–Хигер моделі ретінде белгілі және топологиялық оқшаулағыштарды түсіну үшін басқа контексттерде де модель ретінде қолданылады.
Ацетиленнен жасалған
Таза ацетилен және басқа мономерлерден полиацетилен синтездеудің әртүрлі әдістері әзірленді. Ең көп таралған әдістердің бірі – газ тәріздес ацетиленмен бірге Ti(OiPr)4/Al(C2H5)3 сияқты Ziegler–Natta катализаторын қолдану. Бұл әдіс температураны және катализатор мөлшерін өзгерту арқылы соңғы полимердің құрылымы мен қасиеттерін бақылауға мүмкіндік береді. Механизмдік зерттеулер бұл полимерлендірудің мономердің үш байланысына металлдың енуінен тұратынын көрсетеді. Shirakawa және әріптестері аппаратты және катализатор мөлшерін өзгерту арқылы полиацетиленді ерімейтін қара ұнтақтардың орнына жұқа пленкалар түрінде синтездеуге қол жеткізді. Олар бұл пленкаларды Ziegler–Natta катализаторының ерітіндісімен реакциялық колбаның қабырғаларын инерт жағдайда жапқаннан кейін газ тәріздес ацетилен қосып, пленканың бірден пайда болуын қамтамасыз етті. Enkelmann және әріптестері катализаторын Co(NO3)2/NaBH4 жүйесіне ауыстыру арқылы полиацетилен синтезін одан әрі жетілдірді, бұл жүйе оттегі мен суға төзімді. Бұл синтетикалық жол полимерге ерігіштік қасиетін арттыратын топтарды қосудың оңай әдісін ұсынады, конъюгацияны сақтай отырып. Robert Grubbs және әріптестері сызықты және тармақталған алкил тізбектері бар полиацетилен туындыларының әртүрлі түрлерін синтездеді. n-октил сияқты сызықты топтары бар полимерлердің өткізгіштігі жоғары болғанмен, ерігіштігі төмен болды, ал тармақталған tert-бутил топтары ерігіштікті арттырды, бірақ полимердің бұрылуына байланысты конъюгация төмендеді. Олар sec-бутил және неопентил топтары бар ерігіш және өткізгіш полимерлерді алды, себебі полимерге тікелей қосылған метилен (CH2) тобы стерикалық кедергіні азайтады және бұрылудың алдын алады. Прекурсорлық полимерлерді термиялық түрлендіру ұзақ полиацетилен тізбектерін синтездеудің тиімді әдісі болып табылады. Durham прекурсорлық жолында полимерлер сақинаны ашу метатез полимерлендіру арқылы дайындалады, ал содан кейін жылумен шақырылған кері Diels–Alder реакциясы соңғы полимерді, сондай-ақ ұшпалы қосалқы өнімді береді. p-типті допанттарға Br2, I2, Cl2 және AsF5 жатады. Бұл допанттар полимер тізбегінен электронды алып қою арқылы әрекет етеді. Бұл полимерлердің өткізгіштігі полимер мен галоген арасындағы зарядтық кешендердің пайда болуынан туындайды деп есептеледі. Raman спектроскопиясы және басқа да әдістер арқылы зерттеулер құрылымның синтез жағдайларына байланысты екенін көрсетті. Синтез -78 °C төмен температурада жүргізілгенде, цис формасы басым, ал 150 °C жоғары температурада транс формасы артықшылыққа ие. Бөлме температурасында полимерлендіру 60:40 цис:транс арақатынасын береді. Гельден көбік тәрізді материалды еріткішті бензолмен ауыстыру арқылы, содан кейін бензолды тоңазыту және сублимациялау арқылы алуға болады. Полиэтиленмен немесе балауызбен қаптау окистелуді уақытша баяулатады, ал шынымен қаптау тұрақтылықты шексіз арттырады.
Қолданбалар
Полиацетиленнің коммерциялық қолданысы жоқ, бірақ полиацетиленнің өткізгіш органикалық полимер ретінде ашылуы материалтану ғылымында көптеген жаңалықтарға жол ашты. Өткізгіш полимерлер пленка түзуге арналған ерітінділік өңдеуге байланысты қызығушылық тудырады. Сондықтан, назар политиофен және полианилин сияқты қолдану мақсатындағы басқа өткізгіш полимерлерге ауыстырылды. Молекулалық электроника да өткізгіш полиацетилен үшін потенциалды қолданыс бола алады.