Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир - Джей Берресон

Острый дефицит качественной слоновой кости из бивней стимулировал создание фенольных смол, таких как бакелит. Фото любезно предоставлено Майклом Беггером

Сначала его выбор мог показаться ошибочным. Несколько лет работы над потенциальными коммерческими продуктами не дали никакого результата, и в 1893 году Бакеланд оказался на грани банкротства. Наконец он обратился к основателю компании по производству фотоматериалов “Истмен Кодак” Джорджу Истмену и предложил продать новый тип фотобумаги. В производстве этой бумаги использовалась эмульсия хлорида серебра, что позволяло избежать стадий отмывки и нагревания при проявлении изображения, а также повышало светочувствительность до такого уровня, что стало возможным снимать при искусственном освещении (в 90-х годах XIX века это были газовые светильники). В результате фотографы-любители могли быстро и легко проявить фотографии дома или отправить их в одну из фотолабораторий, открывшихся по всей стране.

Перед встречей с Истменом Бакеланд решил, что дорого оценит свою фотобумагу — в пятьдесят тысяч долларов. В самом деле, по сравнению с опасной целлулоидной пленкой Истмена новая, безусловно, обладала рядом преимуществ. Впрочем, если бы Истмен начал торговаться, Бакеланд снизил бы сумму до двадцати пяти тысяч (тоже немалые по тем временам деньги). Однако Истмен так заинтересовался новой бумагой, что немедленно предложил за нее невероятную сумму — семьсот пятьдесят тысяч! Потрясенный Бакеланд согласился. На эти деньги он открыл возле дома новую лабораторию.

Финансовые проблемы были решены, и Бакеланд обратился к интересовавшей его проблеме создания синтетического аналога шеллака — материала, который долго использовался для лакировки и защиты деревянных изделий (впрочем, используется он и в наши дни). Шеллак получают из секрета, выделяемого самкой лакового червеца (Lacciferlacca), обитающего в Юго-Восточной Азии. Эти жучки прикрепляются к деревьям, сосут сок и в итоге оказываются покрыты слоем собственного секрета. После откладывания яиц жучки погибают, а их домики собирают и расплавляют (слово “шеллак” образовано от голландского schel — чешуйка). Полученную жидкость пропускают через фильтр для удаления мертвых насекомых. Чтобы получить полкило шеллака, требуются полгода и пятнадцать тысяч червецов. Пока шеллак использовали исключительно для тонких покрытий, цена его была приемлемой, но когда его стали применять в быстро развивавшейся электрической промышленности, спрос на него невероятно вырос. Стоимость изоляторов для электропроводов, даже изготовленных из пропитанной шеллаком бумаги, была очень высокой, поэтому Бакеланд решил, что стоит заняться созданием искусственного шеллака.

Идея Бакеланда состояла в том, чтобы осуществить реакцию фенола (с помощью которого Листер так успешно изменил хирургическую практику) с формальдегидом. Это производное метанола в те времена широко использовали в качестве бальзамирующей жидкости для сохранения образцов животных тканей.

Фенол

Формальдегид

Предыдущие попытки соединить эти два вещества не давали положительного результата. Быстрая неконтролируемая реакция приводила к образованию нерастворимого и неплавкого продукта, который был слишком ломким и непластичным. Бакеланд подумал, что эти свойства как раз подходят для изготовления изоляционных материалов. Нужно было только научиться контролировать условия реакции, чтобы придать материалу нужную форму.

К 1907 году Бакеланд нашел способ контролировать температуру и давление данного процесса и получил жидкость, которая быстро затвердевала, образуя прозрачный материал янтарного цвета, и принимала форму сосуда, в который ее заливали. Он назвал новое вещество бакелитом, а машину, с помощью которой его получали (своеобразную скороварку), — бакелайзером. Можно простить ученому такую саморекламу, поскольку на подбор условий одной-единственной реакции и на создание этого вещества он потратил пять лет.

Шеллак разрушается при нагревании, а бакелит сохраняет форму даже при высокой температуре. Его нельзя расплавить и переплавить. Бакелит — термостойкий материал, то есть его форма при нагревании не изменяется, она задана раз и навсегда, в отличие от термопластичного материала, каким является целлулоид. Это уникальное свойство фенольных резин связано с их химической структурой. Дело в том, что формальдегид может соединяться с фенолом по трем разным положениям в кольце, в результате чего между цепочками образуются перекрестные сшивки. Жесткость бакелита связана именно с наличием этих коротких перекрестных связей, соединяющих жесткие плоские бензольные кольца.

Схема строения бакелита, отражающая наличие перекрестных CH2-связей между молекулами фенола. Здесь показано только несколько возможных вариантов связей. В реальности поперечные сшивки в бакелите располагаются случайным образом.

Для изготовления изоляционного материала бакелит подходит лучше всех других веществ. Он более термостоек, чем шеллак и даже пропитанная шеллаком бумага, он прочнее, чем стекло или керамика, а его электрическое сопротивление выше, чем у фарфора и слюды. Бакелит не изменяется под действием солнечного света, воды, соли или озона, он не реагирует с кислотами и растворителями. Он не трескается, не крошится, не обесцвечивается, не расплывается, не горит и не плавится.

Бакелит оказался идеальным материалом для изготовления бильярдных шаров, о чем его изобретатель вначале даже не думал. По эластичности бакелит очень напоминает слоновую кость, а когда бакелитовые шары сталкиваются, они издают тот же характерный стук, что и шары из слоновой кости, которого целлулоидные шары издавать не могут. К 1912 году бакелит стал практически единственным искусственным материалом, из которого изготавливали бильярдные шары. Вскоре это вещество стало применяться повсеместно. Из бакелита делали телефонные аппараты и радиоприемники, фотоаппараты, шары для боулинга, детали стиральных машин, черенки курительных трубок, фурнитуру, детали автомобилей, авторучки, посуду, кухонные принадлежности, рукоятки ножей и щеток, ящики, сантехническое оборудование и даже декоративные изделия и предметы искусства. Бакелит называли “материалом для тысячи целей”. Впрочем, сегодня появились новые фенольные смолы, заменившие своего смуглого предка. Более поздние версии бесцветны и легко окрашиваются в любой цвет.

Фенол для запаха

Бакелит — не единственный синтетический материал на основе фенола, который был создан для удовлетворения растущей потребности в природном аналоге. Спрос на ваниль был так высок, что природного источника не хватало для его удовлетворения. Поэтому был создан синтетический ванилин, причем сырьем для его получения стал неожиданный материал: жидкий сток от сульфитной обработки древесной пульпы в процессе изготовления бумаги. Жидкие стоки этого производства богаты лигнином — веществом, содержащимся в клеточных стенках и во внеклеточном пространстве у наземных растений. Лигнин придает растениям жесткость и составляет примерно 25 % сухого веса древесины. Лигнин — это не индивидуальное вещество, а смесь нескольких полимеров фенола, связанных между собой перекрестными сшивками.

Состав лигнина в мягкой и твердой древесине различается: ниже показаны мономерные звенья соответствующих полимеров. Жесткость лигнина, как и бакелита, зависит от количества перекрестных сшивок между фенольными звеньями. Трехзамещенные фенолы, обнаруженные только в твердой древесине, способны образовывать больше перекрестных сшивок, что и объясняет сравнительно более высокую твердость такого материала.

Мономер лигнина мягкой и твердой древесины (двухзамещенный фенол)

Мономер лигнина твердой древесины (трехзамещенный фенол)

Ниже на рисунке представлена структура фрагмента лигнина с несколькими перекрестными сшивками. Определенно есть некоторое сходство со структурой бакелита.

Пунктирные линии указывают на связь с другими частями молекулы

На следующем рисунке выделен элемент структуры лигнина, который очень похож на молекулу ванилина. При распаде лигнина в контролируемых условиях можно получить ванилин.

Фрагмент структуры лигнина. Выделенная часть структуры очень похожа на молекулу ванилина.

Синтетический ванилин — не химическая имитация природного вещества. Это та же молекула ванилина, выделенная из другого природного источника, и ее химическая структура абсолютно идентична структуре молекулы ванилина из стручков. Однако в ванилине из стручков содержатся следовые количества других веществ, которые вместе с ванилином дают естественный запах ванили. В синтетическом ванилине содержится только ванилин, а также карамель в качестве красителя.