6. Alcadiene

6.1. Definiție și serie omoloagă

Alcadienele sunt hidrocarburi aciclice nesaturare care au în moleculă două legături covalente duble.

Alchinele și alcadienele cu același număr de atomi de carbon prezintă aceeași formulă moleculară, însă atomii se leagă diferit și fac parte din clase de substanțe diferite, sunt izomeri de funcțiune.

Alcadienele prezintă izomerie:

• de catenă;
• de poziție;
• geometrică.

6.2. Denumirea alcadienelor

Denumirea alcadienelor se face prin înlocuirea literei finale „-n” din numele alcanului corespunzător, cu sufixul „-dienă”.

Formulele unor alcadiene:

Formulele de structură pentru 1,3-butadienă:

Începând cu butadiena, care este cel de-al doilea termen al seriei omoloage a alcadienelor, în denumirea acestora se menționează denumirea dublelor legături.

În funcție de poziția relativă a celor două legături din moleculă, alcadienele se clasifică în:

• alcadiene cu duble legături cumulate (sunt una lângă cealaltă): propadienă, 1,2-butadienă

• alcadiene cu duble legături conjugate: 1,3-butadienă, 2-metil-1,3-butadienă (izopren)

• alcadiene cu duble legături izolate sau disjuncte: 1,4-pentadienă; 2,6-octadienă

6.3. Proprietăți chimice ale alcadienelor cu duble legături conjugate

Având două legături duble în moleculă, alcadienele sunt implicate în toate reacțiile chimice discutate la alchene. Reacțiile caracteristice hidrocarburilor nesaturate sunt:

• reacțiile de adiție la dubla legătură C=C;
• reacțiile de polimerizare.

Reacția de adiție

Adiția halogenilor

Alcadienele cu duble legături conjugate prezintă un caracter nesaturat pronunțat și dau reacții de adiție, astfel:

• în pozițiile 1,4 – din 1,3-butadiena formându-se 2-butena substituită în pozițiile 1,4;
• în pozițiile 1,2 sau 3,4 – din 1,3-butadiena formându-se 1-butena substituită în pozițiile 3,4.

Adiția bromului la 1,3-butadienă se face în pozițiile 1,4 și 3,4, obținându-se un amestec de compuși dihalogenați nesaturați, în care derivatul 1,4 este obținut în procent majoritar (90%) (sau se poate accepta ca fiind corect și 88%). Celălalt derivat (3,4-dibromo-1-butenă) se obține în proporție de 10%.

În exces de brom se formează un derivat tetrabromurat saturat.

Adiția clorului la 1,3-butadienă se desfășoară în mod similar cu adiția bromului.

Reacția de polimerizare

Polimerizarea alcadienelor cu legături duble conjugate se desfășoară prin adiții 1,4 și se obțin macromolecule filiforme.

Compusul, 2-metil-1,3-butadienă, denumit și izopren, este monomerul care stă la baza formării cauciucului natural și a variatelor tipuri de cauciuc sintetic.

În funcție de condițiile de reacție, în cadrul reacției de polimerizare, pot să aibă loc și reacții de adiție 1,2 în urma cărora rezultă polimeri cu catenă ramificată, dar lipsiți de importanță industrială.

În fiecare unitate structurală din alcătuirea moleculei de poliizopren există o legătură dublă care se repetă de n ori. În acest caz, prezența dublei legături favorizează existența a două forme structurale din punct de vedere geometric:

• forma cis-poliizopren, care este de fapt cauciucul natural;
• forma trans-poliizopren, care mai poartă numele de gutapercă, ce reprezintă tot un compus natural macromolecular.

Gutaperca se extrage din coaja și frunzele plantei Palaquium. Este un compus sfărâmicios, lipsit de elasticitate, iar aceste caracteristici îi atribuie un număr mai redus de aplicații practice. De exemplu, gutaperca este folosită pentru confecționarea de folii hidroizolatoare utilizate în medicină și bucătărie.

2-cloro-1,3-butadienă (cloroprenul) este un alt monomer ce prezintă importanță în industria cauciucului sintetic.

6.4. Cauciucul natural și sintetic

Cauciucul natural

Cauciucul natural prezintă următoarele caracteristici:

• este un produs de origine vegetală;
• se întâlnește sub formă de dispersie coloidală în sucul lăptos (latex) al unor plante tropicale; cea mai importantă astfel de plantă tropicală este Hevea brasiliensis, cultivată cu precădere în: Brazilia, Indonezia, Malaezia, Vietnam.
• chimic, este o hidrocarbură macromoleculară denumită poliizopren;
• formula sa moleculară: (C₅H₈)_n.

Cauciucul natural brut prezintă următoarele caracteristici:

• este de culoare slab gălbuie;
• este insolubil în apă, alcool, acetonă;
• este solubil în benzen, benzină și sulfură de carbon;
• prin dizolvarea sa în benzină rezultă o soluție utilizată ca adeziv, denumită prenandez;
• este elastic: se poate alungi mult, de 700-800% prin aplicarea unei forțe slabe; revine la dimensiunea inițială când forța nu mai acționează;
• elasticitatea se menține în intervalul de temperatură 0-30°C; când depășește 30°C se înmoaie, devine lipicios; la temperaturi < 0°C, cristalizează și devine casant, adică se sparge la lovire;
• sub acțiunea oxigenului, „îmbătrânește” – devine sfărâmicios și inutilizabil;
• îmbătrânirea cauciucului este împiedicată prin procesul de vulcanizare: constă în încălzirea cauciucului cu cantități reduse de sulf (0,5-5%) la temperaturi de 130-140°C. În timpul acestui tratament se stabilesc punți C-S-S-C între macromoleculele de poliizopren.

Cauciucul vulcanizat prezintă următoarele caracteristici:

• nu este plastic;
• este elastic în intervalul de temperatură -70  –  +140°C;
• prezintă rezistență la rupere;
• este insolubil în hidrocarburi;
• se îmbibă foarte puțin în solvenți;
• atunci când în procesul de vulcanizare se utilizează o cantitate mai mare de sulf (25-40%), se obține ebonita. Este un compus dur, prezintă rezistență mecanică crescută, este lipsit de elasticitate. Utilizare: izolator electric.

Cauciucul sintetic

Cauciucul sintetic este un compus macromolecular ce prezintă proprietăți asemănătoare cu cele ale cauciucul natural. Prelucrarea și procesul de vulcanizare ale acestuia se pot desfășura în mod asemănător.

Primul cauciuc sintetic a fost fabricat la scară industrială în Germania, în timpul primului război mondial, de către întreprinderea F. Bayer & Co. Acest procedeu a presupus polimerizarea 2,3-dimetil-butadienei.

Un monomer important în industria cauciucului sintetic este butadiena. O reacție de obținere a acesteia este:

Fabricarea industrială a cauciucului sintetic a apărut ca urmare a producției insuficiente de cauciuc natural. Cauciucul sintetic se obține într-o gamă variată și în cantități crescătoare.

Tipuri de cauciuc sintetic:

Stirenul și α-metilstirenul pot fi obținuți prin dehidrogenarea etilbenzenului și respectiv, a izopropilbenzenului. Stirenul și α-metilstirenul sunt materii prime în industria maselor plastice și a cauciucului sintetic.

Direcțiile de utilizare ale cauciucului sintetic:

• sunt corelate practic cu toate domeniile economiei (autotorisme - cauciuc; încălțăminte - șlapi, cizme de cauciuc sau mănuși de cauciuc și altele);
• industria de anvelope este cel mai mare consumator - peste jumătate din producția mondială de cauciuc;
• este utilizat în fabricarea benzilor transportoare, curelelor de transmisie, furtunurilor, garniturilor, precum și a altor repere pentru industria aeronautică și a autovehiculelor;
• prezintă importanță în producția de încălțăminte, țesături cauciucate, articole bio-medicale, articole sportive, jucării, în izolarea cablurilor electrice, în fabricarea adezivilor, în protecții anticorozive.

Reacția de copolimerizare

Reacția de polimerizare care are loc în același timp pentru două tipuri diferite de monomeri și în urma căreia rezultă un produs macromolecular, poartă numele de reacție de copolimerizare. Reacțiile de polimerizare și copolimerizare sunt reacții de adiție repetată (poliadiție).

Proprietățile copolimerilor diferă de:

• proprietățile polimerilor obținuți din fiecare monomer separat;
• proprietățile amestecului acestor polimeri.

În structura copolimerilor, resturile de polimeri pot fi repartizare simetric sau aleator.

Acest tip de cauciuc nu este solubil în alcani și de aceea este utilizat în fabricarea furtunurilor pentru transportul produselor petroliere.

Cauciucul butatien-stirenic (Buna S) este un cauciuc sintetic obținut în urma reacției de copolimerizare dintre 1,3-butadeinei cu vinil-benzenul (stirenul).

Deci cauciucul sintetic poate fi obținut atât prin reacții de polimerizare, cât și reacții de copolimerizare.

În urma reacției de copolimerizare dintre butadienă și un monomer vinilic, se obțin compuși macromoleculari care prezintă proprietăți de elastomer, similar cauciucului natural și constituie cele mai utilizate cauciucuri sintetice. 

Cauciucurile sintetice se supun procesului de vulcanizare și sunt folosite pentru obținere produselor de tip:

• anvelope auto;
• curele și benzi de transmisie;
• garnituri de etanșare, tuburi;
• echipamente electroizolatoare și de protecție;
• echipamente sanitare și de laborator;
• jucării, obiecte de uz casnic, taste de calculator.