stringtranslate.com

Изопрен

Изопрен , или 2-метил-1,3-бутадиен , представляет собой распространенное летучее органическое соединение с формулой CH 2 =C(CH 3 )-CH=CH 2 . В чистом виде это бесцветная летучая жидкость. Его производят многие растения и животные [1] (в том числе и человек), а его полимеры являются основным компонентом натурального каучука . К. Г. Уильямс назвал это соединение в 1860 г. после получения его в результате пиролиза натурального каучука; он правильно вывел эмпирическую формулу C 5 H 8 . [2] [3]

Природные явления

Изопрен производят и выделяют многие виды 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 - главным образом на кустарники . [4] Это примерно эквивалентно выбросам метана и составляет около трети всех углеводородов , выбрасываемых в атмосферу. В лиственных лесах изопрен составляет примерно 80% выбросов углеводородов. Хотя их вклад невелик по сравнению с деревьями, микроскопические и макроскопические водоросли также производят изопрен. [5]

Растения

Изопрен вырабатывается по метилэритрит-4-фосфатному пути (путь MEP, также называемый немевалонатным путем ) в хлоропластах растений. Один из двух конечных продуктов пути MEP, диметилаллилпирофосфат (DMAPP), расщепляется ферментом изопренсинтетазой с образованием изопрена и дифосфата. Следовательно, ингибиторы, блокирующие путь MEP, такие как фосмидомицин , также блокируют образование изопрена. Выбросы изопрена резко увеличиваются с температурой и достигают максимума примерно при 40 °C. Это привело к появлению гипотезы о том, что изопрен может защищать растения от теплового стресса (гипотеза термотолерантности, см. ниже). Выделение изопрена также наблюдается у некоторых бактерий, и считается, что это происходит в результате неферментативного расщепления DMAPP. Глобальный выброс изопрена растениями оценивается в 350 миллионов тонн в год. [6]

Регулирование

Выбросы изопрена в растениях контролируются как наличием субстрата (DMAPP), так и активностью фермента (изопренсинтазы). В частности, зависимость эмиссии изопрена от света, CO 2 и O 2 контролируется доступностью субстрата, тогда как температурная зависимость эмиссии изопрена регулируется как уровнем субстрата, так и активностью фермента.

Другие организмы

Изопрен является наиболее распространенным углеводородом, который можно обнаружить в дыхании человека. [7] [8] [9] Предполагаемая 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 часто встречается во многих продуктах питания. Многие виды почвенных и морских бактерий, такие как Actinomycetota , способны разлагать изопрен и использовать его в качестве источника топлива.

Химическая структура цис -полиизопрена, основного компонента натурального каучука.

Биологические роли

Выбросы изопрена, по-видимому, являются механизмом, который деревья используют для борьбы с абиотическими стрессами . [10] 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. [11] Количество изопрена, высвобождаемого из выделяющей изопрен растительности, зависит от массы листьев, площади листьев, освещенности (особенно плотности потока фотосинтетических фотонов или PPFD) и температуры листьев. Таким образом, в ночное время листья деревьев выделяют мало изопрена, тогда как дневные выбросы, как ожидается, будут значительными в жаркие и солнечные дни и достигают 25 мкг/(г массы сухих листьев)/час у многих пород дуба. [12]

изопреноиды

Изопреновый скелет можно найти в встречающихся в природе соединениях, называемых терпенами (также известными как изопреноиды), но эти соединения не образуются из самого изопрена. Вместо этого предшественником изопреновых единиц в биологических системах является диметилаллилпирофосфат (DMAPP) и его изомер изопентенилпирофосфат (IPP). Слово «изопрены» во множественном числе иногда используется для обозначения терпенов в целом.

Примеры изопреноидов включают каротин , фитол , ретинол ( витамин А ), токоферол ( витамин Е ), долихолы и сквален . Гем А имеет изопреноидный хвост, а ланостерол , предшественник стеринов у животных, происходит из сквалена и, следовательно, из изопрена. Функциональными единицами изопрена в биологических системах являются диметилаллилпирофосфат (DMAPP) и его изомер изопентенилпирофосфат (IPP), которые используются в биосинтезе встречающихся в природе изопреноидов, таких как каротиноиды , хиноны , производные ланостерола (например, стероиды) и пренильные цепи некоторых соединения (например, фитоловая цепь хлорофилла). Изопрены используются в монослое клеточной мембраны многих архей , заполняя пространство между головными группами тетраэфира диглицерина. Считается, что это повышает структурную устойчивость к суровым условиям, в которых обитает множество архей.

Точно так же натуральный каучук состоит из линейных полиизопреновых цепей с очень высокой молекулярной массой и других природных молекул. [13]

Показана упрощенная версия пути синтеза стероидов с промежуточными соединениями изопентенилпирофосфат (IPP), диметилаллилпирофосфат (DMAPP), геранилпирофосфат (GPP) и сквален. Некоторые промежуточные элементы опущены.

Воздействие на аэрозоли

После высвобождения изопрен превращается в различные виды, такие как альдегиды , гидропероксиды , органические нитраты и эпоксиды [14] под действием короткоживущих свободных радикалов (таких как гидроксильный радикал ) и в меньшей степени озона . [15] Эти новые виды могут растворяться в каплях воды и способствовать образованию аэрозолей и дымки . [16] Вторичные органические аэрозоли, образующиеся в результате этого пути, являются текущей темой исследований и могут оказывать воздействие на атмосферу. [17]

Хотя большинство экспертов признают, что выбросы изопрена влияют на образование аэрозолей, вопрос о том, увеличивает или уменьшает образование аэрозолей, остается спорным. Вторым важным воздействием изопрена на атмосферу является то, что в присутствии оксидов азота (NO x ) он способствует образованию тропосферного (нижних слоев атмосферы) озона , который является одним из основных загрязнителей воздуха во многих странах. Сам по себе изопрен обычно не считается загрязнителем, поскольку он является натуральным растительным продуктом. Образование тропосферного озона возможно только при наличии высоких уровней NO x , которые возникают почти исключительно в результате промышленной деятельности. Изопрен может иметь противоположный эффект и подавлять образование озона при низких уровнях NO x .

Например, горы Голубого хребта известны своим голубоватым цветом, если смотреть на них издалека. Деревья придали Голубому хребту «синий цвет» из-за выброшенного в атмосферу изопрена. [18] Этому способствует характерная дымка гор и их характерный цвет. [19] Аналогично названный, но с геологической точки зрения район Голубые горы Нового Южного Уэльса также получил свой цвет и название от изопрена и изопреноидов, выделяемых эвкалиптовыми деревьями. [20]

Индустриальное производство

Изопрен наиболее доступен в промышленности как побочный продукт термического крекинга нафты или нефти, а также как побочный продукт при производстве этилена . Ежегодно производится около 800 000 метрических тонн. Около 95% производимого изопрена используется для производства цис-1,4-полиизопрена — синтетической версии натурального каучука . [13]

Натуральный каучук 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 гуттаперчей , состоят из транс-1,4-полиизопрена, структурного изомера , который имеет схожие, но не идентичные свойства. [13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Шарки ТД (1996). «Синтез изопрена растениями и животными». Стараться . 20 (2): 74–8. дои : 10.1016/0160-9327(96)10014-4. ПМИД  8690002.
  2. ^ Уильямс CG (1860). «Об изопрене и каушине». Труды Лондонского королевского общества . 10 : 516–519. дои : 10.1098/rspl.1859.0101. S2CID  104233421.
  3. ^ Лоадман MJ (06 декабря 2012 г.). Анализ каучука и резиноподобных полимеров. Спрингер. п. 10. ISBN 9789401144353.
  4. ^ Гюнтер А., Карл Т., Харли П., Видинмайер С., Палмер П.И., Герон С. (2006). «Оценки глобальных выбросов изопрена на Земле с использованием МЕГАН (Модель выбросов газов и аэрозолей из природы)». Химия и физика атмосферы . 6 (11): 3181–3210. Бибкод : 2006ACP.....6.3181G. дои : 10.5194/acp-6-3181-2006 .
  5. ^ Джонстон А., Кромби А.Т., Эль Хаванд М., Симс Л., Уайтед ГМ, МакГенити Т.Дж., Колин Мюррелл Дж. (сентябрь 2017 г.). «Идентификация и характеристика бактерий, разлагающих изопрен, в устьевой среде». Экологическая микробиология . 19 (9): 3526–3537. дои : 10.1111/1462-2920.13842. ПМК 6849523 . ПМИД  28654185. 
  6. ^ «Версия выбросов изопрена 2021 года» . Emissions.aeronomie.be . Проверено 26 сентября 2022 г.
  7. ^ Гельмонт Д., Штейн Р.А., Мид Дж.Ф. (апрель 1981 г.). «Изопрен – основной углеводород в дыхании человека». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 99 (4): 1456–60. дои : 10.1016/0006-291X(81)90782-8. ПМИД  7259787.
  8. ^ Кинг Дж., Коц Х., Унтеркофлер К., Мохальски П., Купферталер А., Тешл Г. и др. (декабрь 2010 г.). «Физиологическое моделирование динамики изопрена в выдыхаемом воздухе». Журнал теоретической биологии . 267 (4): 626–37. arXiv : 1010.2145 . Бибкод : 2010JThBi.267..626K. дои : 10.1016/j.jtbi.2010.09.028. PMID  20869370. S2CID  10267120.
  9. ^ Уильямс Дж., Стоннер С., Уикер Дж., Краутер Н., Дерстрофф Б., Бурцукидис Е. и др. (май 2016 г.). «Кинозрители воспроизводимо изменяют химический состав воздуха во время фильмов, транслируя выбросы конкретных сцен при дыхании». Научные отчеты . 6 : 25464. Бибкод : 2016NatSR...625464W. дои : 10.1038/srep25464. ПМК 4862009 . ПМИД  27160439. 
  10. ^ Шарки Т.Д., Виберли А.Е., Донохью А.Р. (январь 2008 г.). «Выбросы изопрена растениями: почему и как». Анналы ботаники . 101 (1): 5–18. дои : 10.1093/aob/mcm240. ПМК 2701830 . ПМИД  17921528. 
  11. ^ Викерс CE, Посселл М, Кожокариу CI, Великова ВБ, Лаотаворнкиткул Дж, Райан А и др. (май 2009 г.). «Синтез изопрена защищает трансгенные растения табака от окислительного стресса». Растение, клетка и окружающая среда . 32 (5): 520–31. дои : 10.1111/j.1365-3040.2009.01946.x. ПМИД  19183288.
  12. ^ Бенджамин М.Т., Судол М., Блох Л., Винер А.М. (1996). «Городские леса с низким уровнем выбросов: таксономическая методология определения уровня выбросов изопрена и монотерпена». Атмосферная среда . 30 (9): 1437–1452. Бибкод : 1996AtmEn..30.1437B. дои : 10.1016/1352-2310(95)00439-4.
  13. ^ abc Греве HH (2000). «Каучук, 2. Натуральный». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a23_225. ISBN 978-3527306732.
  14. ^ Органические соединения углерода, выделяемые деревьями, влияют на качество воздуха, ScienceDaily, 7 августа 2009 г.
  15. ^ Подкомитет ИЮПАК по оценке газокинетических данных - Лист данных Ox_VOC7, 2007 г.
  16. ↑ Источник дымки, ScienceNews, 6 августа 2009 г.
  17. ^ Д'Амбро, Эмма Л.; Шобесбергер, Зигфрид; Гастон, Кассандра Дж.; Лопес-Хилфикер, Фелипе Д.; Ли, Бен Х.; Лю, Цзюмэн; Зеленюк Алла; Белл, Дэвид; Каппа, Кристофер Д.; Хельгестад, Тейлор; Ли, Зиюэ (5 сентября 2019 г.). «Информация камеры о факторах, контролирующих выход, состав и летучесть вторичного органического аэрозоля эпоксидиола (IEPOX)». Химия и физика атмосферы . 19 (17): 11253–11265. дои : 10.5194/acp-19-11253-2019 . hdl : 10138/305801 . ISSN  1680-7316.
  18. ^ Джонсон AW (1998). Приглашение на органическую химию . Джонс и Бартлетт Обучение. п. 261. ИСБН 978-0-7637-0432-2. химический терпен Голубых гор.
  19. ^ «Блу-Ридж-Бульвар, часто задаваемые вопросы» . Служба национальных парков. 2007. Архивировано из оригинала 28 декабря 2007 года . Проверено 29 декабря 2007 г.
  20. ^ ЦСИРО. «Преодолеть эвкалиптовый блюз – новые способы моделирования качества воздуха». www.csiro.au . Проверено 10 декабря 2023 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме изопрена .