Изопрен
| |||
| |||
| Имена | |||
|---|---|---|---|
| Название ИЮПАК Изопрен | |||
| Предпочтительное название ИЮПАК 2-Метилбута-1,3-диен | |||
| Другие имена 2-Метил-1,3-бутадиен | |||
| Идентификаторы | |||
| |||
3D модель ( JSmol ) |
| ||
| ЧЭБИ |
| ||
| ChemSpider |
| ||
| Информационная карта ECHA | 100.001.040 | ||
| КЕГГ |
| ||
CID PubChem |
| ||
| УНИИ |
| ||
Панель инструментов CompTox ( EPA ) |
| ||
| |||
| |||
| Характеристики | |||
| С 5 Н 8 | |||
| Молярная масса | 68,12 г/моль | ||
| Плотность | 0,681 г/см 3 | ||
| Температура плавления | −143,95 °C (−227,11 °F; 129,20 K) | ||
| Точка кипения | 34,067 °C (93,321 °F; 307,217 К) | ||
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |||
Изопрен , или 2-метил-1,3-бутадиен , является распространённым летучим органическим соединением с формулой CH2 = C(CH3 ) −CH=CH2 . В чистом виде это бесцветная летучая жидкость. Он вырабатывается многими растениями и животными [1] (включая человека), а его полимеры являются основным компонентом натурального каучука .
История и этимология
CG Williams назвал соединение в 1860 году после его получения в результате пиролиза натурального каучука. Он правильно вывел массовые доли углерода и водорода [2] (но из-за современного атомного веса углерода, еще не принятого на конгрессе в Карлсруэ, пришел к неправильной формуле C 10 H 8 ). Он не указал причины названия, но предполагается, что оно произошло от «пропилена», с которым изопрен разделяет некоторые физические и химические свойства. Первым, кто наблюдал рекомбинацию изопрена в резиноподобное вещество, был Гюстав Бушарда в 1879 году, а Уильям А. Тилден определил его структуру пять лет спустя. [3]
Природные явления
Изопрен производится и выделяется многими видами деревьев (основными производителями являются дубы , тополя , эвкалипты и некоторые бобовые). Ежегодное производство выбросов изопрена растительностью составляет около 600 миллионов метрических тонн , половина из которых приходится на тропические широколиственные деревья, а остальная часть в основном на кустарники . [4] Это примерно эквивалентно выбросам метана и составляет около трети всех углеводородов, выбрасываемых в атмосферу. В лиственных лесах изопрен составляет приблизительно 80% выбросов углеводородов. Хотя их вклад невелик по сравнению с деревьями, микроскопические и макроскопические водоросли также производят изопрен. [5]
Растения
Изопрен производится через метилэритритол-4-фосфатный путь (путь MEP, также называемый немевалонатным путем ) в хлоропластах растений. Один из двух конечных продуктов пути MEP, диметилаллилпирофосфат (DMAPP), расщепляется ферментом изопренсинтазой с образованием изопрена и дифосфата. Поэтому ингибиторы, которые блокируют путь MEP, такие как фосмидомицин , также блокируют образование изопрена. Выброс изопрена резко увеличивается с температурой и достигает максимума около 40 °C. Это привело к гипотезе, что изопрен может защищать растения от теплового стресса (гипотеза термотолерантности, см. ниже). Выброс изопрена также наблюдается у некоторых бактерий, и считается, что это происходит в результате неферментативной деградации DMAPP. Глобальный выброс изопрена растениями оценивается в 350 миллионов тонн в год. [6]
Регулирование
Выделение изопрена в растениях контролируется как доступностью субстрата (DMAPP), так и активностью фермента (изопренсинтазы). В частности, зависимость выделения изопрена от света, CO 2 и O 2 контролируется доступностью субстрата, тогда как температурная зависимость выделения изопрена регулируется как уровнем субстрата, так и активностью фермента.
Человек и другие организмы
Изопрен является наиболее распространенным углеводородом, измеряемым в дыхании людей. [7] [8] [9] Расчетная скорость выработки изопрена в организме человека составляет 0,15 мкмоль /(кг·ч), что эквивалентно приблизительно 17 мг/день для человека весом 70 кг. Изопрен в дыхании человека возникает в результате липолитического метаболизма холестерина в пероксисомах скелетных мышц, а ген IDI2 действует как детерминанта выработки. [10] Из-за отсутствия гена IDI2 животные, такие как свиньи и дельфины-афалины, не выдыхают изопрен.
Изопрен распространен в низких концентрациях во многих продуктах питания. Многие виды почвенных и морских бактерий, такие как Actinomycetota , способны разлагать изопрен и использовать его в качестве источника топлива.
Биологические роли
Выделение изопрена, по-видимому, является механизмом, который деревья используют для борьбы с абиотическими стрессами . [11] В частности, было показано, что изопрен защищает от умеренного теплового стресса (около 40 °C). Он также может защищать растения от больших колебаний температуры листьев. Изопрен включается в клеточные мембраны и помогает стабилизировать их в ответ на тепловой стресс.
Изопрен также придает устойчивость к активным формам кислорода. [12] Количество изопрена, выделяемого из растительности, выделяющей изопрен, зависит от массы листа, площади листа, освещенности (в частности, плотности потока фотосинтетических фотонов, или PPFD) и температуры листа. Таким образом, в течение ночи из листьев деревьев выделяется мало изопрена, тогда как дневные выбросы, как ожидается, будут значительными в жаркие и солнечные дни, до 25 мкг/(г сухого веса листа)/час у многих видов дуба. [13]
Изопреноиды
Изопреновый скелет можно найти в природных соединениях, называемых терпенами и терпеноидами (кислородсодержащими терпенами), которые в совокупности называются изопреноидами. Эти соединения не возникают из самого изопрена. Вместо этого предшественником изопреновых единиц в биологических системах является диметилаллилпирофосфат (DMAPP) и его изомер изопентенилпирофосфат (IPP). Множественное число «изопрены» иногда используется для обозначения терпенов в целом.
Примерами изопреноидов являются каротин , фитол , ретинол ( витамин А ), токоферол ( витамин Е ), долихолы и сквален . Гем А имеет изопреноидный хвост, а ланостерол , предшественник стерола у животных, получен из сквалена и, следовательно, из изопрена. Функциональными изопреновыми единицами в биологических системах являются диметилаллилпирофосфат (DMAPP) и его изомер изопентенилпирофосфат (IPP), которые используются в биосинтезе природных изопреноидов, таких как каротиноиды , хиноны , производные ланостерола (например, стероиды) и пренильные цепи некоторых соединений (например, фитольная цепь хлорофилла). Изопрены используются в монослое клеточной мембраны многих архей , заполняя пространство между головными группами тетраэфира диглицерида. Считается, что это повышает структурную устойчивость к суровым условиям, в которых обитают многие археи.
Аналогично, натуральный каучук состоит из линейных полиизопреновых цепей с очень высокой молекулярной массой и других природных молекул. [14]
Промышленное производство
Изопрен наиболее легкодоступен в промышленности как побочный продукт термического крекинга нефтяного лигроина или нефти, как побочный продукт в производстве этилена . Там, где термический крекинг нефти менее распространен, изопрен может быть получен путем дегидрирования изопентана . Изопрен может быть синтезирован в два этапа из изобутилена , начиная с его реакции ена с формальдегидом для получения изопентенола, который может быть дегидратирован до изопрена: [15]
Если дешевый ацетилен производится из карбида кальция , полученного из угля , его можно объединить с ацетоном для получения 3-метилбутинола, который затем гидрогенизируют и дегидратируют до изопрена. [16]
Ежегодно производится около 800 000 метрических тонн. Около 95% производства изопрена используется для производства цис-1,4-полиизопрена — синтетической версии натурального каучука . [14]
Натуральный каучук в основном состоит из поли-цис-изопрена с молекулярной массой от 100 000 до 1 000 000 г/моль. Обычно натуральный каучук содержит несколько процентов других материалов, таких как белки, жирные кислоты, смолы и неорганические материалы. Некоторые источники натурального каучука, называемые гуттаперчей , состоят из транс-1,4-полиизопрена, структурного изомера , который имеет похожие, но не идентичные свойства. [14]
Смотрите также
Дальнейшее чтение
- Гревилл Уильямс, К. (1860). «Об изопрене и каучуке». Труды Лондонского королевского общества . 10 : 516–519 . JSTOR 111688.
Ссылки
- ^ Sharkey TD (1996). «Синтез изопрена растениями и животными». Endeavour . 20 (2): 74– 8. doi :10.1016/0160-9327(96)10014-4. PMID 8690002.
- ^ Уильямс К. Г. (1860). «Об изопрене и каучуке». Труды Лондонского королевского общества . 10 : 516– 519. doi :10.1098/rspl.1859.0101. S2CID 104233421.
- ^ Loadman MJ (2012-12-06). Анализ резины и резиноподобных полимеров. Springer. стр. 10. ISBN 9789401144353.
- ^ Guenther A, Karl T, Harley P, Wiedinmyer C, Palmer PI, Geron C (2006). «Оценки глобальных выбросов изопрена на суше с использованием MEGAN (Модель выбросов газов и аэрозолей из природы)». Atmospheric Chemistry and Physics . 6 (11): 3181– 3210. Bibcode :2006ACP.....6.3181G. doi : 10.5194/acp-6-3181-2006 . hdl : 20.500.11820/429435d3-e131-45e2-8bba-42a3d552cc59 .
- ^ Johnston A, Crombie AT, El Khawand M, Sims L, Whited GM, McGenity TJ, Colin Murrell J (сентябрь 2017 г.). «Идентификация и характеристика бактерий, разрушающих изопрен, в эстуарной среде». Environmental Microbiology . 19 (9): 3526– 3537. doi :10.1111/1462-2920.13842. PMC 6849523 . PMID 28654185.
- ^ "Версия выбросов изопрена 2021". emissions.aeronomie.be . Получено 2022-09-26 .
- ^ Gelmont D, Stein RA, Mead JF (апрель 1981). «Изопрен — основной углеводород в человеческом дыхании». Biochemical and Biophysical Research Communications . 99 (4): 1456– 60. doi :10.1016/0006-291X(81)90782-8. PMID 7259787.
- ^ King J, Koc H, Unterkofler K, Mochalski P, Kupferthaler A, Teschl G и др. (декабрь 2010 г.). «Физиологическое моделирование динамики изопрена при выдыхании». Журнал теоретической биологии . 267 (4): 626–37 . arXiv : 1010.2145 . Bibcode : 2010JThBi.267..626K. doi : 10.1016/j.jtbi.2010.09.028. PMID 20869370. S2CID 10267120.
- ^ Williams J, Stönner C, Wicker J, Krauter N, Derstroff B, Bourtsoukidis E и др. (май 2016 г.). «Зрители кинотеатров воспроизводимо изменяют химический состав воздуха во время фильмов, транслируя специфические для сцены выбросы при дыхании». Scientific Reports . 6 : 25464. Bibcode :2016NatSR...625464W. doi :10.1038/srep25464. PMC 4862009 . PMID 27160439.
- ^ Sukul, Pritam; Richter, Anna; Junghanss, Christian; Schubert, Jochen K.; Miekisch, Wolfram (2023-09-30). «Происхождение изопрена в дыхании у людей раскрыто с помощью мультиомных исследований». Communications Biology . 6 (1): 1– 12. doi :10.1038/s42003-023-05384-y. ISSN 2399-3642. PMC 10542801 .
- ^ Sharkey TD, Wiberley AE, Donohue AR (январь 2008 г.). «Выделение изопрена из растений : почему и как». Annals of Botany . 101 (1): 5– 18. doi :10.1093/aob/mcm240. PMC 2701830. PMID 17921528.
- ^ Vickers CE, Possell M, Cojocariu CI, Velikova VB, Laothawornkitkul J, Ryan A и др. (май 2009 г.). «Синтез изопрена защищает трансгенные растения табака от окислительного стресса». Plant, Cell & Environment . 32 (5): 520– 31. doi :10.1111/j.1365-3040.2009.01946.x. PMID 19183288.
- ^ Benjamin MT, Sudol M, Bloch L, Winer AM (1996). «Городские леса с низким уровнем выбросов: таксономическая методология для определения скорости выбросов изопрена и монотерпена». Atmospheric Environment . 30 (9): 1437– 1452. Bibcode : 1996AtmEn..30.1437B. doi : 10.1016/1352-2310(95)00439-4.
- ^ abc Greve HH (2000). "Резина, 2. Натуральная". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . doi :10.1002/14356007.a23_225. ISBN 978-3527306732.
- ^ Вайц, Ганс Мартин; Неудачник, Экхард (2000). "Изопрен". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a14_627. ISBN 3-527-30673-0.
- ^ "Изопрен: свойства, производство и применение". 2024-03-25 . Получено 2024-11-03 .
Дальнейшее чтение
- Будавари С., О'Нил М.Дж., Смит А., Хекеламан П.Е., ред. (1989). Индекс Merck (11-е изд.). Рэуэй, штат Нью-Джерси. США: ISBN Merck & Co Inc. 978-0-911910-28-5.
- Беккедаль Н., Вуд ЛА, Войцеховский М. (1936). «Некоторые физические свойства изопрена». Журнал исследований Национального бюро стандартов . 17 (6): 883. doi : 10.6028/jres.017.052 .
- Poisson N, Kanakidou M, Crutzen PJ (2000). «Влияние неметановых углеводородов на химию тропосферы и окислительную способность глобальной тропосферы: результаты трехмерного моделирования». Журнал химии атмосферы . 36 (2): 157– 230. Bibcode : 2000JAtC...36..157P. doi : 10.1023/A:1006300616544. S2CID 94217044.
- Claeys M, Graham B, Vas G, Wang W, Vermeylen R, Pashynska V и др. (февраль 2004 г.). «Формирование вторичных органических аэрозолей посредством фотоокисления изопрена». Science . 303 (5661): 1173– 6. Bibcode :2004Sci...303.1173C. doi :10.1126/science.1092805. PMID 14976309. S2CID 19268599.
- Pier PA, McDuffie C (1997). «Сезонные скорости эмиссии изопрена и сравнение моделей с использованием эмиссии из целого дерева белого дуба». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 102 (D20): 23963– 23971. Bibcode : 1997JGR...10223963P. doi : 10.1029/96JD03786.
- Pöschl U, Von Kuhlmann R, Poisson N, Crutzen PJ (2000). «Разработка и взаимное сравнение механизмов окисления конденсированного изопрена для моделирования глобальной атмосферы». Журнал химии атмосферы . 37 (1): 29– 52. Bibcode : 2000JAtC...37...29P. doi : 10.1023/A:1006391009798. S2CID 93419825.
- Монсон РК, Холланд EA (2001). «Потоки газовых примесей в биосфере и их контроль над химией тропосферы». Annual Review of Ecology and Systematics . 32 : 547–576 . doi :10.1146/annurev.ecolsys.32.081501.114136.
Внешние ссылки
- Отчет о канцерогенах, четырнадцатое издание; Министерство здравоохранения и социальных служб США, Служба общественного здравоохранения, Национальная токсикологическая программа
- Статья в Science News, описывающая, как изопрен, выделяемый растениями, преобразуется в рассеивающие свет аэрозоли. Архивировано 04.06.2011 на Wayback Machine.
