Введение
Органический полимер, состоящий из повторяющихся звеньев [C2H2] с чередующимися двойными и одинарными связями. Полиацетилен (IUPAC название: полиэтин) обычно относится к органическому полимеру с повторяющимся звеном [C2H2]n. Название отражает его концептуальное происхождение из полимеризации ацетилена с образованием цепи, содержащей повторяющиеся олефиновые группы. Это соединение имеет важное концептуальное значение, поскольку открытие полиацетилена и его высокой электропроводности при легировании способствовало развитию области органических проводящих полимеров. Высокая электропроводность, обнаруженная Хидеки Ширакавой, Аланом Хигером и Аланом МакДиармидом для этого полимера, вызвала значительный интерес к использованию органических соединений в микроэлектронике (органических полупроводниках). Это открытие было отмечено Нобелевской премией по химии в 2000 году. Первые исследования в области полиацетилена были направлены на использование легированных полимеров в качестве легко обрабатываемых и легких "пластических металлов".
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".
Структура
Полиацетилен состоит из длинной цепи атомов углерода с чередующимися одинарными и двойными связями между ними, каждый из которых связан с одним атомом водорода. Двойные связи могут иметь цис- или транс-геометрию. Контролируемый синтез каждого изомера полимера – цис-поляцетилена или транс-поляцетилена – можно осуществить, изменяя температуру проведения реакции. Цис-форма полимера термодинамически менее стабильна, чем транс-изомер. Несмотря на сопряженный характер полиацетиленовой цепи, не все углерод-углеродные связи в материале равноценны: наблюдается отчетливое чередование одинарных и двойных связей. Линейный полиацетилен был впервые получен Джулио Наттой в 1958 году. Полученный полиацетилен был линейным, обладал высокой молекулярной массой, высокой степенью кристалличности и регулярной структурой. Исследования методом рентгеновской дифракции показали, что полученный полиацетилен представлял собой транс-поляцетилен. Параллельно с исследованиями Ширакавы, Алан Хигер и Алан МакДиармид изучали металлические свойства политиазила [(SN)x] – родственного, но неорганического полимера. Политиазил привлек внимание Хигера как металлоподобный материал, состоящий из цепочек, и он начал сотрудничать с Аланом МакДиармидом, имевшим предыдущий опыт работы с этим материалом. К началу 1970-х годов было известно, что этот полимер проявляет сверхпроводимость при низких температурах. Последующие исследования позволили улучшить контроль соотношения цис/транс изомеров и показали, что допирование цис-поляцетилена приводит к более высокой электропроводности, чем допирование транс-поляцетилена. Для объяснения такого увеличения электропроводности полиацетилена, Дж. Р. Шриффер и Хигер предположили существование топологически защищенных солитонных дефектов. Их модель теперь известна как модель Су–Шриффера–Хигера, которая послужила основой для изучения топологических изоляторов в других областях.
Из ацетилена
Разработаны различные методы синтеза полиацетилена из чистого ацетилена и других мономеров. Один из наиболее распространенных методов использует катализатор Циглера-Натты, такой как Ti(OiPr)4/Al(C2H5)3, с газообразным ацетиленом. Этот метод позволяет контролировать структуру и свойства конечного полимера путем варьирования температуры и загрузки катализатора. Механистические исследования показывают, что эта полимеризация включает в себя внедрение металла в тройную связь мономера. Варьируя аппаратуру и загрузку катализатора, Ширакава и его коллеги смогли синтезировать полиацетилен в виде тонких пленок, а не нерастворимых черных порошков. Они получили эти пленки, покрыв стенки реакционной колбы в инертной атмосфере раствором катализатора Циглера-Натты и добавляя газообразный ацетилен, что приводило к немедленному образованию пленки. Энкельманн и его коллеги дополнительно усовершенствовали синтез полиацетилена, заменив катализатор на систему Co(NO3)2/NaBH4, которая была стабильна как к кислороду, так и к воде. Этот синтетический путь также обеспечивает простой способ введения групп, повышающих растворимость, в полимер, сохраняя при этом сопряжение. Роберт Граббс и его коллеги синтезировали различные производные полиацетилена с линейными и разветвленными алкильными цепями. Полимеры с линейными группами, такими как n-октил, обладали высокой проводимостью, но низкой растворимостью, в то время как сильно разветвленные трет-бутильные группы увеличивали растворимость, но снижали сопряжение из-за скручивания полимера, вызванного стремлением избежать стерических затруднений. Были получены растворимые и проводящие полимеры с сек-бутильными и неопентильными группами, поскольку метиленовый (CH2) фрагмент, непосредственно связанный с полимером, уменьшает стерические затруднения и предотвращает скручивание. Термическая конверсия полимеров-предшественников является более эффективным методом синтеза длинных полиацетиленовых цепей. В дурхэмском методе с использованием предшественников полимеры получают путем полимеризации с раскрытием цикла посредством метатезиса, а последующая обратная реакция Дильса-Альдера, индуцированная нагреванием, дает конечный полимер, а также летучий побочный продукт. p-Типа допанты включают Br2, I2, Cl2 и AsF5. Эти допанты действуют путем отрыва электрона от полимерной цепи. Считается, что проводимость этих полимеров является результатом образования комплексов переноса заряда между полимером и галогеном. Исследования с использованием рамановской спектроскопии показали, что структура зависит от условий синтеза. При проведении синтеза ниже -78 °C преобладает цис-форма, а выше 150 °C – транс-форма. При комнатной температуре полимеризация дает соотношение цис:транс 60:40. Пористый материал можно получить из геля путем вытеснения растворителя бензолом, последующего замораживания и сублимации бензола. Покрытие полиэтиленом или воском может временно замедлить окисление, в то время как покрытие стеклом увеличивает стабильность на неопределенный срок.
Приложения
Полиацетилен не находит коммерческого применения, хотя открытие полиацетилена как проводящего органического полимера стимулировало множество разработок в материаловедении. Проводящие полимеры представляют интерес с точки зрения возможности их обработки из растворов для получения плёночных проводящих материалов. Поэтому основное внимание переключилось на другие проводящие полимеры, такие как политиофен и полианилин, для практического применения. Молекулярная электроника также может стать потенциальной областью применения проводящего полиацетилена.