stringtranslate.com

Изопрен

Изопрен , или 2-метил-1,3-бутадиен , является распространенным летучим органическим соединением с формулой CH 2 =C(CH 3 )−CH=CH 2 . В чистом виде это бесцветная летучая жидкость. Он вырабатывается многими растениями и животными [1] (включая людей), а его полимеры являются основным компонентом натурального каучука . К. Г. Уильямс назвал соединение в 1860 году после его получения в результате пиролиза натурального каучука; он правильно вывел эмпирическую формулу C 5 H 8 . [2] [3]

Природные явления

Источником большинства терпенов является диметилаллилпирофосфат , а не сам изопрен.

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.

Химическая структура цис -полиизопрена, основного компонента натурального каучука

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]

Упрощенная версия пути синтеза стероидов с показанными промежуточными продуктами изопентенилпирофосфат (ИПП), диметилаллилпирофосфат (ДМПП), геранилпирофосфат (ГПФ) и сквален. Некоторые промежуточные продукты опущены.

Промышленное производство

Изопрен наиболее доступен в промышленности как побочный продукт термического крекинга нефтяного лигроина или масла, как побочный продукт в производстве этилена . 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

Ссылки

  1. ^ Sharkey TD (1996). «Синтез изопрена растениями и животными». Endeavour . 20 (2): 74–8. doi :10.1016/0160-9327(96)10014-4. PMID  8690002.
  2. ^ Уильямс К. Г. (1860). «Об изопрене и каучуке». Труды Лондонского королевского общества . 10 : 516–519. doi :10.1098/rspl.1859.0101. S2CID  104233421.
  3. ^ Loadman MJ (2012-12-06). Анализ резины и резиноподобных полимеров. Springer. стр. 10. ISBN 9789401144353.
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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. 
  6. ^ "Версия выбросов изопрена 2021". emissions.aeronomie.be . Получено 2022-09-26 .
  7. ^ Gelmont D, Stein RA, Mead JF (апрель 1981). «Изопрен — основной углеводород в дыхании человека». Biochemical and Biophysical Research Communications . 99 (4): 1456–60. doi :10.1016/0006-291X(81)90782-8. PMID  7259787.
  8. ^ King J, Koc H, Unterkofler K, Mochalski P, Kupferthaler A, Teschl G, et al. (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.
  9. ^ 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. 
  10. ^ 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 . 
  11. ^ Sharkey TD, Wiberley AE, Donohue AR (январь 2008 г.). «Выделение изопрена растениями: почему и как». Annals of Botany . 101 (1): 5–18. doi :10.1093/aob/mcm240. PMC 2701830. PMID  17921528. 
  12. ^ 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.
  13. ^ 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.
  14. ^ abc Greve HH (2000). "Резина, 2. Натуральная". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . doi :10.1002/14356007.a23_225. ISBN 978-3527306732.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Изопрен .