Isopren - Isoprene

Isopren
Kompletní strukturní vzorec izoprenu
Kosterní vzorec izoprenu
Kuličkový model izoprenu
Model izoprenu vyplňující prostor
Jména
Preferovaný název IUPAC
2-Methylbuta-1,3-dien
Ostatní jména
2-methyl-1,3-butadien
Isopren
Identifikátory
3D model (JSmol )
ChEBI
ChemSpider
Informační karta ECHA100.001.040 Upravte to na Wikidata
KEGG
UNII
Vlastnosti
C5H8
Molární hmotnost68,12 g / mol
Hustota0,681 g / cm3
Bod tání -143,95 ° C (-227,11 ° F; 129,20 K)
Bod varu 34,067 ° C (93,321 ° F; 307,217 K)
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
šekY ověřit (co je šekY☒N ?)
Reference Infoboxu

Isoprennebo 2-methyl-l, 3-butadien, je běžné organická sloučenina se vzorcem CH2= C (CH3) −CH = CH2. Ve své čisté formě je to bezbarvá těkavá kapalina. Isopren je nenasycený uhlovodík. Je produkován mnoha rostlinami a zvířaty[1] (včetně lidí) a jeho polymery jsou hlavní složkou přírodní guma. C. G. Williams pojmenoval sloučeninu v roce 1860 poté, co ji získal tepelným rozkladem (pyrolýza ) z přírodního kaučuku; správně odvodil empirický vzorec C5H8.[2][3]

Přirozené výskyty

Isopren je produkován a emitován mnoha druhy stromů (hlavními producenty jsou duby, topoly, eukalyptus a některé luštěniny). Roční produkce emisí isoprenu vegetací se pohybuje kolem 600 milionů metrické tuny, polovina z tropických listnáčů a zbytek převážně z keře.[4] To je přibližně ekvivalent k emise metanu a tvoří asi jednu třetinu všech uhlovodíky vypuštěn do atmosféry. V listnatých lesích tvoří isopren přibližně 80% emisí uhlovodíků. Zatímco jejich vstup je ve srovnání se stromy malý, mikroskopický a makroskopický řasy také vyrábět isopren.[5]

Rostliny

Isopren se vyrábí prostřednictvím dráha methyl-erythritol-4-fosfátu (Cesta MEP, nazývaná také cesta bez mevalonátu) v chloroplasty rostlin. Jeden ze dvou konečných produktů cesty MEP, dimethylallylpyrofosfát (DMAPP), je štěpen enzymem isopren syntáza za vzniku isoprenu a difosfátu. Proto inhibitory, které blokují cestu MEP, jako je fosmidomycin, také blokovat tvorbu izoprenu. Emise izoprenu dramaticky roste s teplotou a dosahuje maxima kolem 40 ° C. To vedlo k hypotéze, že isopren může chránit rostliny před tepelným stresem (hypotéza termotolerance, viz níže). Emise izoprenu jsou také pozorovány u některých bakterií, o nichž se předpokládá, že pocházejí z neenzymatických degradací z DMAPP.

Nařízení

Emise izoprenu v rostlinách je řízena jak dostupností substrátu (DMAPP), tak i enzym (isopren syntáza) aktivita. Zejména světlo, CO2 a O.2 závislosti emise isoprenu jsou řízeny dostupností substrátu, zatímco teplotní závislost emise izoprenu je regulována jak úrovní substrátu, tak aktivitou enzymu.

Jiné organismy

Isopren je nejhojnější uhlovodík měřitelný v dechu člověka.[6][7] Odhadovaná míra produkce izoprenu v lidském těle je 0,15 µmol / (kg · h), což odpovídá přibližně 17 mg / den pro osobu vážící 70 kg. Isopren je běžný v nízkých koncentracích v mnoha potravinách. Mnoho druhů půdy a mořských bakterií, jako např Aktinobakterie, jsou schopné degradovat isopren a používat jej jako zdroj paliva.

Chemická struktura cis-polyisopren, hlavní složka přírodního kaučuku

Biologické role

Emise izoprenu se jeví jako mechanismus, s nímž stromy bojují abiotické stresy.[8] Zejména bylo prokázáno, že isopren chrání před mírným tepelným stresem (kolem 40 ° C). Může také chránit rostliny před velkými výkyvy teploty listů. Isopren je začleněn do a pomáhá stabilizovat buněčné membrány v reakci na tepelný stres.

Isopren také propůjčuje odolnost vůči reaktivním formám kyslíku.[9] Množství isoprenu uvolněného z vegetace emitující isopren závisí na hmotnosti listu, ploše listu, světle (zejména hustotě toku fotonového fotonu nebo PPFD) a teplotě listu. Během noci je tedy z listí stromů emitováno málo izoprenu, přičemž se očekává, že denní emise budou během horkých a slunečných dnů značné, až 25 μg / (g hmotnosti suchého listu) / hod u mnoha druhů dubů.[10]

Isoprenoidy

Isoprenovou kostru lze nalézt v přirozeně se vyskytujících sloučeninách nazývaných terpeny (známé také jako isoprenoidy), ale tyto sloučeniny nevznikají ze samotného isoprenu. Místo toho je předchůdcem izoprenových jednotek v biologických systémech dimethylallylpyrofosfát (DMAPP) a jeho izomer isopentenylpyrofosfát (IPP). Někdy se používá k označení množného čísla „izopreny“ terpeny obecně.

Mezi příklady isoprenoidů patří karoten, fytol, retinol (vitamin A. ), tokoferol (vitamin E. ), dolicholy, a skvalen. Heme A má isoprenoidový ocas a lanosterol, prekurzor sterolu u zvířat, je odvozen od skvalen a tedy z isoprenu. Funkční izoprenové jednotky v biologických systémech jsou dimethylallylpyrofosfát (DMAPP) a jeho izomer isopentenylpyrofosfát (IPP), které se používají v biosyntéze přirozeně se vyskytujících isoprenoidů, jako jsou karotenoidy, chinony, deriváty lanosterolu (např. steroidy) a prenyl řetězce určitých sloučenin (např. fytolový řetězec chlorofylu). Isopreny se používají v monovrstvě buněčné membrány mnoha Archaea, vyplňování prostoru mezi hlavními skupinami diglycerol-tetraetheru. To má přispět ke zvýšení strukturální odolnosti vůči drsným prostředím, ve kterých se nachází mnoho Archaeí.

Podobně, přírodní guma se skládá z lineárního polyisopren řetězy velmi vysoké molekulární váha a další přírodní molekuly.[11]

Zjednodušená verze dráhy syntézy steroidů s meziprodukty isopentenylpyrofosfát (IPP), dimethylallylpyrofosfát (DMAPP), geranylpyrofosfát (GPP) a skvalen. Některé meziprodukty jsou vynechány.

Dopad na aerosoly

Po uvolnění je isopren přeměněn krátkodobým volné radikály (jako hydroxylový radikál ) a v menší míře do ozón[12] na různé druhy, jako např aldehydy, hydroperoxidy, organické dusičnany a epoxidy, které se mísí do kapiček vody a pomáhají vytvářet aerosoly a opar.[13][14]

Zatímco většina odborníků uznává, že emise izoprenu ovlivňují tvorbu aerosolu, diskutuje se o tom, zda isopren zvyšuje nebo snižuje tvorbu aerosolu. Druhým hlavním účinkem isoprenu na atmosféru je účinek v přítomnosti oxidy dusičné (NOX) přispívá k tvorbě troposférický (nižší atmosféra) ozon, který je jedním z předních znečišťujících látek v ovzduší v mnoha zemích. Isopren sám o sobě není obvykle považován za znečišťující látku, protože se jedná o přírodní rostlinný produkt. Tvorba troposférického ozonu je možná pouze za přítomnosti vysokých hladin NOX, který pochází téměř výlučně z průmyslových činností. Isopren může mít opačný účinek a potlačit tvorbu ozonu při nízkých hladinách NOX.

Průmyslová produkce

Isopren je průmyslově nejběžněji dostupný jako vedlejší produkt tepelné energie praskání z nafta nebo olej jako vedlejší produkt při výrobě ethylen. Ročně se vyprodukuje asi 800 000 tun. Asi 95% produkce isoprenu se používá k výrobě cis-1,4-polyisoprenu - a syntetický verze přírodní guma.[11]

Přírodní guma sestává hlavně z poly-cis-isoprenu s molekulovou hmotností 100 000 až 1 000 000 g / mol. Přírodní kaučuk obvykle obsahuje několik procent dalších materiálů, jako jsou bílkoviny, mastné kyseliny, pryskyřice a anorganické materiály. Některé zdroje přírodního kaučuku, tzv gutaperča, jsou složeny z trans-1,4-polyisoprenu, strukturního izomer který má podobné, ale ne identické vlastnosti.[11]

Viz také

Reference

  1. ^ Sharkey, Thomas D. (1996). "Isoprenová syntéza rostlinami a živočichy". Usilovat. 20 (2): 74–78. doi:10.1016/0160-9327(96)10014-4. PMID  8690002.
  2. ^ Williams, C. Grenville (1860). „Na isoprenu a kaučuku“. Sborník královské společnosti v Londýně. 10: 516–519. doi:10.1098 / rspl.1859.0101. S2CID  104233421.
  3. ^ M. J. Loadman (06.12.2012). Analýza pryže a polymerů podobných gumě. Springer. str. 10. ISBN  9789401144353.
  4. ^ Guenther, A .; Karl, T .; Harley, P .; Wiedinmyer, C .; Palmer, P. I .; Geron, C. (2006). „Odhady globálních pozemských izoprenových emisí pomocí MEGAN (Model emisí plynů a aerosolů z přírody)“. Atmosférická chemie a fyzika. 6 (11): 3181–3210. doi:10.5194 / acp-6-3181-2006.
  5. ^ Johnston, Antonia; Crombie, Andrew T .; El Khawand, Myriam; Sims, Leanne; Bělavý, Gregg M .; McGenity, Terry J .; Colin Murrell, J. (září 2017). „Identifikace a charakterizace bakterií degradujících isopren v prostředí ústí řek: Bakterie degradující isopren v ústí“. Mikrobiologie prostředí. 19 (9): 3526–3537. doi:10.1111/1462-2920.13842. PMC  6849523. PMID  28654185.
  6. ^ Gelmont, David; Stein, Robert A .; Mead, James F. (1981). "Isopren - hlavní uhlovodík v lidském dechu". Sdělení o biochemickém a biofyzikálním výzkumu. 99 (4): 1456–1460. doi:10.1016 / 0006-291X (81) 90782-8. PMID  7259787.
  7. ^ Král, Julian; Koc, Helin; Unterkofler, Karl; Mochalski, Paweł; Kupferthaler, Alexander; Teschl, Gerald; Teschl, Susanne; Hinterhuber, Hartmann; Amann, Anton (2010). "Fyziologické modelování dynamiky izoprenu ve vydechovaném dechu". Journal of Theoretical Biology. 267 (4): 626–637. arXiv:1010.2145. doi:10.1016 / j.jtbi.2010.09.028. PMID  20869370. S2CID  10267120.
  8. ^ Sharkey, T. D .; Wiberley, A.E .; Donohue, A. R. (2007). „Emise izoprenu z rostlin: proč a jak“. Annals of Botany. 101 (1): 5–18. doi:10,1093 / aob / mcm240. PMC  2701830. PMID  17921528.
  9. ^ Vickers, Claudia E .; Possell, Malcolm; Cojocariu, Cristian I .; Velíková, Violeta B .; Laothawornkitkul, Jullada; Ryan, Annette; Mullineaux, Philip M .; Nicholas Hewitt, C. (2009). „Isoprenová syntéza chrání transgenní rostliny tabáku před oxidačním stresem“. Rostlina, buňka a životní prostředí. 32 (5): 520–531. doi:10.1111 / j.1365-3040.2009.01946.x. PMID  19183288.
  10. ^ Benjamin, Michael T .; Sudol, Mark; Bloch, Laura; Vítěz, Arthur M. (1996). „Městské lesy s nízkými emisemi: Taxonomická metodika pro přiřazování míry emisí isoprenu a monoterpenu“. Atmosférické prostředí. 30 (9): 1437–1452. doi:10.1016/1352-2310(95)00439-4.
  11. ^ A b C Greve, Heinz-Hermann (2000). „Guma, 2. Přírodní“. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. doi:10.1002 / 14356007.a23_225. ISBN  978-3527306732.
  12. ^ Podvýbor IUPAC pro hodnocení kinetických dat plynů - Datový list Ox_VOC7, 2007
  13. ^ Organické uhlíkové sloučeniny emitované stromy ovlivňují kvalitu ovzduší, ScienceDaily, 7. srpna 2009
  14. ^ Zdroj mlhy, ScienceNews, 6. srpna 2009

Další čtení

  • Index společnosti Merck: encyklopedie chemikálií, drog a biologických látek, Susan Budavari (ed.), 11. vydání, Rahway, NJ: Merck, 1989, ISBN  0-911910-28-X
  • Bekkedahl, Norman; Wood, Lawrence A .; Wojciechowski, Mieczyslaw (1936). „Některé fyzikální vlastnosti izoprenu“. Journal of Research of the National Bureau of Standards. 17 (6): 883. doi:10,6028 / jres.017,052.
  • Poisson, Nathalie; Kanakidou, Maria; Crutzen, Paul J. (2000). „Dopad nemethanových uhlovodíků na troposférickou chemii a oxidační sílu globální troposféry: výsledky trojrozměrného modelování“. Journal of Atmospheric Chemistry. 36 (2): 157–230. doi:10.1023 / A: 1006300616544. S2CID  94217044.
  • Claeys, M .; Graham, B .; Vas, G .; Wang, W .; Vermeylen, R .; Pashynska, V .; Cafmeyer, J .; Guyon, P .; Andreae, M. O .; Artaxo, P .; Maenhaut, W. (2004). "Tvorba sekundárních organických aerosolů fotooxidací izoprenu". Věda. 303 (5661): 1173–1176. doi:10.1126 / science.1092805. PMID  14976309. S2CID  19268599.
  • Pier, P. A .; McDuffie, C. (1997). „Sezónní míry emisí izoprenu a modelová srovnání využívající celolistové emise z bílého dubu“. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 102: 23963–23971. doi:10.1029 / 96JD03786.
  • Pöschl, Ulrich; von Kuhlmann, Rolf; Poisson, Nathalie; Crutzen, Paul J. (2000). „Vývoj a srovnání kondenzovaných mechanismů oxidace izoprenu pro globální modelování atmosféry“. Journal of Atmospheric Chemistry. 37: 29–52. doi:10.1023 / A: 1006391009798. S2CID  93419825.
  • Monson, Russell K .; Holland, Elisabeth A. (2001). „Toky biosférických stopových plynů a jejich kontrola nad troposférickou chemií“. Výroční přehled ekologie a systematiky. 32: 547–576. doi:10.1146 / annurev.ecolsys.32.081501.114136.

externí odkazy