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".

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.