Изопрен - Isoprene

Изопрен
Полная структурная формула изопрена
Скелетная формула изопрена
Шариковая модель изопрена
Модель изопрена, заполняющая пространство
Имена
Предпочтительное название IUPAC
2-метилбута-1,3-диен
Другие имена
2-метил-1,3-бутадиен
Изопрен
Идентификаторы
3D модель (JSmol )
ЧЭБИ
ChemSpider
ECHA InfoCard100.001.040 Отредактируйте это в Викиданных
КЕГГ
UNII
Характеристики
C5ЧАС8
Молярная масса68,12 г / моль
Плотность0,681 г / см3
Температура плавления -143,95 ° С (-227,11 ° F, 129,20 К)
Точка кипения 34,067 ° С (93,321 ° F, 307,217 К)
Если не указано иное, данные для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверитьY проверять (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

Изопрен, или же 2-метил-1,3-бутадиен, является обычным органическое соединение с формулой CH2= C (CH3) −CH = CH2. В чистом виде это бесцветная летучая жидкость. Изопрен - ненасыщенный углеводород. Его производят многие растения и животные.[1] (включая человека) и его полимеры являются основным компонентом натуральная резина. К. Г. Уильямс назвал соединение в 1860 году после получения его термическим разложением (пиролиз ) из натурального каучука; он правильно вывел эмпирическую формулу C5ЧАС8.[2][3]

Природные явления

Изопрен производится и выделяется многими видами деревьев (основными производителями являются дубы, тополя, эвкалипт, и некоторые бобовые). Ежегодное производство выбросов изопрена растительностью составляет около 600 миллионов метрических тонн, половина из тропических широколиственных деревьев, а оставшаяся часть в основном из кусты.[4] Это примерно эквивалентно выбросы метана и составляет около трети всех углеводороды выпущен в атмосферу. В лиственных лесах изопрен составляет около 80% выбросов углеводородов. Хотя их вклад невелик по сравнению с деревьями, микроскопическими и макроскопическими водоросли также производят изопрен.[5]

Растения

Изопрен производится через метил-эритритол-4-фосфатный путь (Путь MEP, также называемый немевалонатным путем) в хлоропласты растений. Один из двух конечных продуктов пути MEP, диметилаллил пирофосфат (DMAPP), расщепляется ферментом изопренсинтаза с образованием изопрена и дифосфата. Следовательно, ингибиторы, блокирующие путь MEP, такие как фосмидомицин, также блокируют образование изопрена. Эмиссия изопрена резко увеличивается с температурой и достигает максимума примерно при 40 ° C. Это привело к гипотезе о том, что изопрен может защищать растения от теплового стресса (гипотеза термотолерантности, см. Ниже). Эмиссия изопрена также наблюдается у некоторых бактерий, и считается, что это происходит из-за неферментативной деградации DMAPP.

Регулирование

Эмиссия изопрена в растениях контролируется как доступностью субстрата (DMAPP), так и фермент (изопренсинтаза) активность. В частности, свет, CO2 и O2 Зависимости эмиссии изопрена контролируются доступностью субстрата, тогда как температурная зависимость эмиссии изопрена регулируется как уровнем субстрата, так и активностью фермента.

Другие организмы

Изопрен - это самый распространенный углеводород, который можно измерить в дыхании человека.[6][7] Расчетная скорость производства изопрена в организме человека составляет 0,15 мкмоль / (кг · ч), что эквивалентно примерно 17 мг / день для человека весом 70 кг. Изопрен в низких концентрациях присутствует во многих пищевых продуктах. Многие виды почвенных и морских бактерий, такие как Актинобактерии, способны разлагать изопрен и использовать его в качестве источника топлива.

Химическая структура СНГ-полиизопрен, основной компонент натурального каучука

Биологические роли

Эмиссия изопрена, по-видимому, является механизмом, который деревья используют для борьбы с абиотические стрессы.[8] В частности, было показано, что изопрен защищает от умеренного теплового стресса (около 40 ° C). Он также может защитить растения от сильных колебаний температуры листьев. Изопрен входит в состав клеточных мембран и помогает стабилизировать их в ответ на тепловой стресс.

Изопрен также придает устойчивость к активным формам кислорода.[9] Количество изопрена, высвобождаемого из испускающей изопрен растительности, зависит от массы листьев, площади листьев, света (в частности, плотности потока фотосинтетических фотонов или PPFD) и температуры листьев. Таким образом, ночью изопрен выделяется из листьев деревьев в небольшом количестве, тогда как дневные выбросы, как ожидается, будут значительными в жаркие и солнечные дни, до 25 мкг / (г сухого веса листьев) / час у многих видов дуба.[10]

Изопреноиды

Скелет изопрена можно найти в природных соединениях, называемых терпены (также известные как изопреноиды), но эти соединения не возникают из самого изопрена. Вместо этого предшественником изопреновых единиц в биологических системах является диметилаллил пирофосфат (DMAPP) и его изомер изопентенилпирофосфат (IPP). Множественное число «изопрены» иногда используется для обозначения терпены в целом.

Примеры изопреноидов включают: каротин, фитол, ретинол (витамин А ), токоферол (витамин Е ), долихолы, и сквален. Гем A имеет изопреноидный хвост, и ланостерин, предшественник стерола у животных, получают из сквален и, следовательно, из изопрена. Функциональные единицы изопрена в биологических системах: диметилаллил пирофосфат (DMAPP) и его изомер изопентенилпирофосфат (IPP), которые используются в биосинтезе природных изопреноидов, таких как каротиноиды, хиноны, производные ланостерина (например, стероиды) и пренил цепи определенных соединений (например, фитольная цепь хлорофилла). Изопрены используются в монослое клеточных мембран многих Археи, заполняя пространство между головными группами тетраэфира диглицерина. Считается, что это добавляет структурной устойчивости к суровым условиям, в которых обитают многие археи.

По аналогии, натуральная резина состоит из линейных полиизопрен цепи очень высоких молекулярный вес и другие природные молекулы.[11]

Упрощенная версия пути синтеза стероидов с промежуточными соединениями изопентенилпирофосфат (IPP), диметилаллил пирофосфат (DMAPP), геранилпирофосфат (GPP) и сквален показаны. Некоторые промежуточные продукты опущены.

Воздействие на аэрозоли

После высвобождения изопрен преобразуется короткоживущими свободные радикалы (словно гидроксильный радикал ) и в меньшей степени озон[12] на различные виды, такие как альдегиды, гидропероксиды, органические нитраты и эпоксиды, которые смешиваются с каплями воды и помогают создавать аэрозоли и туман.[13][14]

Хотя большинство экспертов признают, что выбросы изопрена влияют на образование аэрозолей, вопрос о том, увеличивает ли изопрен или снижает образование аэрозолей, является спорным. Второй важный эффект изопрена на атмосферу заключается в том, что в присутствии оксиды азота (NOИкс) способствует формированию тропосферный (нижний слой атмосферы) озон, который является одним из основных загрязнителей воздуха во многих странах. Сам изопрен обычно не считается загрязняющим веществом, поскольку это натуральный растительный продукт. Образование тропосферного озона возможно только при высоком уровне NO.Икс, который поступает почти исключительно от промышленной деятельности. Изопрен может иметь противоположный эффект и подавлять образование озона при низких уровнях NO.Икс.

Промышленное производство

Изопрен наиболее доступен в промышленных масштабах как побочный продукт термической обработки. треск из нафта или масло, как побочный продукт при производстве этилен. Ежегодно производится около 800 000 метрических тонн. Около 95% производимого изопрена используется для производства цис-1,4-полиизопрена - a синтетический версия натурального резинка.[11]

Естественный резинка состоит в основном из полицис-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 гуттаперча, состоят из транс-1,4-полиизопрена, структурного изомер с похожими, но не идентичными свойствами.[11]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Шарки, Томас Д. (1996). «Синтез изопрена растениями и животными». Стараться. 20 (2): 74–78. Дои:10.1016/0160-9327(96)10014-4. PMID  8690002.
  2. ^ Уильямс, К. Гренвилл (1860). «Об изопрене и каучине». Труды Лондонского королевского общества. 10: 516–519. Дои:10.1098 / rspl.1859.0101. S2CID  104233421.
  3. ^ М. Дж. Лоутман (2012-12-06). Анализ каучука и резиноподобных полимеров. Springer. п. 10. ISBN  9789401144353.
  4. ^ Guenther, A .; Карл, Т .; Harley, P .; Wiedinmyer, C .; Palmer, P. I .; Герон, К. (2006). «Оценка глобальных выбросов изопрена на суше с использованием MEGAN (Модель выбросов газов и аэрозолей из природы)». Атмосферная химия и физика. 6 (11): 3181–3210. Дои:10.5194 / acp-6-3181-2006.
  5. ^ Джонстон, Антония; Кромби, Эндрю Т .; Эль-Хаванд, Мириам; Симс, Линн; Whited, Gregg M .; МакГенити, Терри Дж .; Колин Мюррелл, Дж. (Сентябрь 2017 г.). «Идентификация и характеристика бактерий, разрушающих изопрен, в устьевой среде: эстуарные бактерии, разрушающие изопрен». Экологическая микробиология. 19 (9): 3526–3537. Дои:10.1111/1462-2920.13842. ЧВК  6849523. PMID  28654185.
  6. ^ Гельмонт, Дэвид; Штейн, Роберт А .; Мид, Джеймс Ф. (1981). «Изопрен - главный углеводород дыхания человека». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях. 99 (4): 1456–1460. Дои:10.1016 / 0006-291X (81) 90782-8. PMID  7259787.
  7. ^ Король, Джулиан; Коч, Хелин; Унтеркофлер, Карл; Мочальский, Павел; Купферталер, Александр; Тешл, Джеральд; Тешль, Сюзанна; Хинтерхубер, Хартманн; Аманн, Антон (2010). «Физиологическое моделирование динамики изопрена на выдохе». Журнал теоретической биологии. 267 (4): 626–637. arXiv:1010.2145. Дои:10.1016 / j.jtbi.2010.09.028. PMID  20869370. S2CID  10267120.
  8. ^ Шарки, Т. Д .; Wiberley, A.E .; Донохью, А. Р. (2007). «Выбросы изопрена из растений: почему и как». Анналы ботаники. 101 (1): 5–18. Дои:10,1093 / aob / мкм240. ЧВК  2701830. PMID  17921528.
  9. ^ Викерс, Клаудиа Э .; Посселл, Малькольм; Кожокариу, Кристиан I .; Великова, Виолетта Б .; Лаотаворнкиткул, Джуллада; Райан, Аннетт; Mullineaux, Philip M .; Николас Хьюитт, К. (2009). «Синтез изопрена защищает трансгенные растения табака от окислительного стресса». Растения, клетки и окружающая среда. 32 (5): 520–531. Дои:10.1111 / j.1365-3040.2009.01946.x. PMID  19183288.
  10. ^ Бенджамин, Майкл Т .; Судол, Марк; Блох, Лаура; Винер, Артур М. (1996). «Городские леса с низким уровнем выбросов: таксономическая методология определения уровней выбросов изопрена и монотерпена». Атмосферная среда. 30 (9): 1437–1452. Дои:10.1016/1352-2310(95)00439-4.
  11. ^ а б c Греве, Хайнц-Германн (2000). «Каучук, 2. Натуральный». Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Дои:10.1002 / 14356007.a23_225. ISBN  978-3527306732.
  12. ^ Подкомитет ИЮПАК по оценке газокинетических данных - Технические данные Ox_VOC7, 2007
  13. ^ Органические углеродные соединения, выделяемые деревьями, влияют на качество воздуха, ScienceDaily, 7 августа 2009 г.
  14. ^ Источник дымки, ScienceNews, 6 августа 2009 г.

дальнейшее чтение

  • Индекс Merck: энциклопедия химикатов, лекарств и биологических препаратов, Susan Budavari (ed.), 11th Edition, Rahway, NJ: Merck, 1989, ISBN  0-911910-28-X
  • Беккедаль, Норман; Wood, Lawrence A .; Войцеховский, Мечислав (1936). «Некоторые физические свойства изопрена». Журнал исследований Национального бюро стандартов. 17 (6): 883. Дои:10.6028 / jres.017.052.
  • Пуассон, Натали; Канакиду, Мария; Крутцен, Пол Дж. (2000). «Влияние неметановых углеводородов на химию тропосферы и окислительную способность глобальной тропосферы: результаты трехмерного моделирования». Журнал атмосферной химии. 36 (2): 157–230. Дои:10.1023 / А: 1006300616544. S2CID  94217044.
  • Claeys, M .; Graham, B .; Vas, G .; Wang, W .; Vermeylen, R .; Пашинская, В .; Cafmeyer, J .; Guyon, P .; Andreae, M.O .; Artaxo, P .; Маенхаут, В. (2004). «Образование вторичных органических аэрозолей путем фотоокисления изопрена». Наука. 303 (5661): 1173–1176. Дои:10.1126 / science.1092805. PMID  14976309. S2CID  19268599.
  • Pier, P. A .; Макдаффи, К. (1997). «Сезонные уровни выбросов изопрена и сравнение моделей с использованием выбросов всего дерева из белого дуба». Журнал геофизических исследований: атмосферы. 102: 23963–23971. Дои:10.1029 / 96JD03786.
  • Пёшль, Ульрих; фон Кульман, Рольф; Пуассон, Натали; Крутцен, Пол Дж. (2000). «Разработка и взаимное сравнение механизмов окисления конденсированного изопрена для моделирования глобальной атмосферы». Журнал атмосферной химии. 37: 29–52. Дои:10.1023 / А: 1006391009798. S2CID  93419825.
  • Monson, Russell K .; Голландия, Элизабет А. (2001). "Потоки биосферных газовых примесей и их контроль над химией тропосферы". Ежегодный обзор экологии и систематики. 32: 547–576. Дои:10.1146 / annurev.ecolsys.32.081501.114136.

внешняя ссылка