Izoprén

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Izoprén
Izoprén
Izoprén
Všeobecné vlastnosti
Sumárny vzorec C5H8
Fyzikálne vlastnosti
Molárna hmotnosť 68,12 g/mol
Ďalšie informácie
Číslo CAS 78-79-5
Pokiaľ je to možné a bežné, používame jednotky sústavy SI.
Ak nie je hore uvedené inak, údaje sú za normálnych podmienok.

Izoprén alebo 2-metylbuta-1,3-dién je bežná organická zlúčenina, ktorej vzorec je CH2=C(CH3)−CH=CH2. V čistej podobe je to bezfarebná prchavá kvapalina. Izoprén je nenasýtený uhľovodík. Je produkovaný mnohými rastlinami a zvieratami[1] (vrátane ľudí) a jeho polyméry sú hlavnou zložkou prírodného kaučuku. Izoprén pomenoval C. G. Williams v roku 1860 potom, ako ho získal termálnym rozkladom (pyrolýzou) prírodného kaučuku a takisto správne určil jeho empirický vzorec C5H8.[2][3]

Prírodný výskyt[upraviť | upraviť zdroj]

Izoprén tvorí a vypúšťa mnoho druhov stromov (hlavne duby, topole, eukalypty a niektoré strukoviny). Ročne vypustí vegetácia do vzduchu asi 600 miliónov ton izoprénu, polovicu vypustia tropické listnaté stromy a zvyšok hlavne kere.[4] Toto približne odpovedá emisiám metánu a tvorí asi tretinu všetkých uhľovodíkov vypustených do atmosféry. U lesov tvorených opadavými stromami tvorí izoprén asi 80 % uhľovodíkových emisií. Mikroskopické a makroskopické riasy takisto produkujú izoprén, aj keď v porovnaní so stromami netvoria tak veľké množstvo.[5]

Rastliny[upraviť | upraviť zdroj]

Izoprén vzniká metylerytritol-4-fosfátovou dráhou (MEP dráhou, takisto známou ako nemevalonátová dráha) v chloroplastoch rastlín. Jeden z konečných produktov tejto dráhy je dimetylallylpyrofosfát (DMAPP), ktorý je štiepený enzýmom izoprénsyntázou, čím vzniká izoprén a pyrfosfát. Inhibítory, ktoré blokujú túto dráhu, ako napríklad fosmidomycín, teda blokujú aj tvorbu izoprénu. Emisie izoprénu sa dramaticky zvyšujú s teplotou a dosahujú maximum pri asi 40 °C. To viedlo k hypotéze, že izoprén by mohol chrániť rastliny pred tepelným stresom (termotolerancia). Emisia izoprénu bola takisto pozorovaná u niektorých baktérii, čo je pravdepodobne kvôli neenzymatickej degradácii DMAPP.

Regulácia[upraviť | upraviť zdroj]

Emisie izoprénu u rastlín sú riadené dostupnosťou substrátu (DMAPP) a aktivity enzýmu (izoprénsyntázy). Závislosť emisie izoprénu na svetle, CO2 a O2 je daná dostupnosťou substrátu, zatiaľ čo závislosť na teplote je regulovaná množstvom substrátu i enzýmovou aktivitou.[6]

Ostatné organizmy[upraviť | upraviť zdroj]

Izoprén je najhojnejšie sa vyskytujúci uhľovodík, ktorý je merateľný v dychu človeka.[7][8][9] Izoprén sa u ľudí tvorí mevalonátovou dráhou. Odhadovaná rýchlosť tvorby izoprénu u človeka je 0.15 µmol/(kg·h), čo odpovedá približne 17 mg/deň pre osobu, ktorá váži 70 kg. Izoprén je bežne prítomný v nízkych koncentráciách v mnohých jedlách. Mnoho druhov zemných a morských baktérií, napríklad Actinobacteria, sú schopné izoprén rozložiť a použiť ho ako zdroj energie.

Biologická úloha[upraviť | upraviť zdroj]

Chemická štruktúra cis-polyizoprénu, hlavnej zložky prírodného kaučuku

Emisia izoprénu vyzerá byť jedným zo spôsobou, ako stromy bojujú s abiotickým stresom.[10] Bolo preukázané, že izoprén ochraňuje pred stredným tepelným stresom (asi 40 °C). Takisto môže ochrániť rastlinami pred veľkými zmenami teploty listov. Izoprén sa zabudováva do membrán buniek a pomáha ich stabilizovať počas tepelného stresu.

Izoprén takisto pomáha s rezistenciou voči reaktívnym formám kyslíka (ROS).[11] Množstvo izoprénu vypúšťané vegetáciou záleží na hmotnosti listov, ploche listou, svetle (konkrétne hustote fotosyntetického toku fotónov, PPFD) a teplote listov. V noci sa z listov stromov teda vylučuje malé množstvo izoprénu, zatiaľ čo počas teplých a slnečných dní sa očakáva omnoho vyššie množstvo, a to až 25 μg/(g sušiny listov)/hodina u mnohých druhov dubov.[12]

Izoprenoidy[upraviť | upraviť zdroj]

Zjednodušené zobrazenie dráhy syntézu steroidov s intermediátmi izopentenylpyrofosfátom (IPP), dimetylallylpyrofosfátom (DMAPP), geranylfosfátom (GPP) a skvalénom. Niektoré intermediáty sú vynechané.

Izoprenová kostra je prítomná v prirodzene sa vyskytujúcich látkach nazývaných terpény (takisto známe ako izoprenoidy), ale tieto zlúčeniny sa netvoria priamo z izoprénu. Ich prekurzorom je namiesto izoprénu dimetylallylpyrofosfát (DMAPP) a jeho izomér izopentenylpyrofosfát (IPP). DMAPP a IPP sú funkčné izoprénové jednotky sú v biologických systémoch, z ktorých sa biosyntetizujú ostatné izoprenoidy. Občas sa používa množné číslo "izoprény" na označenie terpénov.

Príklady izoprenoidov sú karotén a karotenoidy, fytol, retinol (vitamín A), tokoferol (vitamín E), dolichol a skvalén. Hem A má izoprenoidový reťazec a lanosterol, prekurzor sterolov u zvierat, je derivátom skvalénu a teda izoprénu. Izoprény sú i súčasťou bunkových membrán niektorých archeónov a vypĺňajú miesto medzi diglyceroltetraéterovými hlavičkami. Predpokladá sa, že membránam dodávajú štrukturálnu rezistenciu v drsných podmienkach, v ktorých sa mnohé archeóny nachádzajú.

Obdobne je prírodný kaučuk zložený z lineárnych polyizoprénových reťazcov s veľmi vysokou molekulovou hmotnosťou a iných prirodzených látok.[13]

Účinok na aerosóly[upraviť | upraviť zdroj]

Po vypustení sa izoprén premieňa kratkodobými voľnými radikálmi (napríklad hydroxylovým radikálom) a v menšej miere ozónom[14] na rôzne iné zlúčeniny, napríklad aldehydy, hydroperoxidy, organické dusičnany a epoxidy, ktoré sa miešajú s kvapkami vody a tvoria aerosóly a hmlu.[15][16]

Zatiaľ čo väčšina expertov uznáva, že emisie izoprénu ovplyvňujú tvorbu aerosólov, je otázne, či izoprén znižuje alebo zvyšuje ich tvorbu. Druhým významným účinkom izoprénu v atmosfére je to, že v prítomnosti oxidov dusíka (NOx) prispieva k tvorbe troposférického ozónu, ktorý je jedným z hlavných polutantov v mnohých krajinách. Izoprén sa zvyčajne nepovažuje za polutant, pretože je to prirodzený produkt rastlín. Tvorba troposférického ozónu je možná len pri vysokých koncentráciách NOx, ktoré pochádzajú prakticky výlučne z priemyselnej činnosti. Izoprén môže mať opačný efekt a pri nízkych koncentráciách NOx môže zastaviť tvorbu ozónu.

Blue Ridge Mountains sú známe modrou farbou pri pohľade z väčšej vzdialenosti. Sú modré práve kvôli izoprénu, ktorý stromy vylučujú.[17] Izoprén prispieva k charakteristickej hmle na horách a ich špecifickej farbe.[18]

Priemyselná produkcia[upraviť | upraviť zdroj]

Izoprén je priemyselne najdostupnejší ako vedľají produkt tepelného krakovania nafty alebo ropy pri tvorbe etylénu. Ročne sa vyprodukuje asi 800,000 ton izoprénu. Asi 95 % produkcie sa použije na tvorbu cis-1,4-polyizoprénu, teda syntetickej verzie prírodného kaučuku.[13]

Prírodný kaučuk pozostáva hlavne z poly-cis-izoprénu s molárnou hmotnosťou od 100,000 do 1,000,000 g/mol. Prírodný kaučuk typicky obsahuje niekoľko percent iných materiálov, ako sú proteíny, mastné kyseliny, živice a anorganických materiálov. Niektoré zdroje prírodného kaučuku, nazývané gutaperča, sa skladajú z trans-1,4-polyizoprénu, štruktúrneho izoméru s podobnými, ale nie identickými, vlastnosťami.[13]

Referencie[upraviť | upraviť zdroj]

  1. Isoprene synthesis by plants and animals. Endeavour, 1996, s. 74–8. DOI10.1016/0160-9327(96)10014-4. PMID 8690002.
  2. On isoprene and caoutchine. Proceedings of the Royal Society of London, 1860, s. 516–519. Dostupné online. DOI10.1098/rspl.1859.0101.
  3. Analysis of Rubber and Rubber-like Polymers. [s.l.] : Springer, 2012-12-06. Dostupné online. ISBN 9789401144353. S. 10.
  4. Estimates of global terrestrial isoprene emissions using MEGAN (Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature). Atmospheric Chemistry and Physics, 2006, s. 3181–3210. DOI10.5194/acp-6-3181-2006.
  5. Identification and characterisation of isoprene-degrading bacteria in an estuarine environment. Environmental Microbiology, September 2017, s. 3526–3537. DOI10.1111/1462-2920.13842. PMID 28654185.
  6. RASULOV, Bahtijor; HÜVE, Katja; VÄLBE, Mikk. Evidence That Light, Carbon Dioxide, and Oxygen Dependencies of Leaf Isoprene Emission Are Driven by Energy Status in Hybrid Aspen. Plant Physiology, 2009-09, roč. 151, čís. 1, s. 448–460. Dostupné online [cit. 2021-12-11]. ISSN 0032-0889. DOI10.1104/pp.109.141978. (po anglicky)
  7. Isoprene-the main hydrocarbon in human breath. Biochemical and Biophysical Research Communications, April 1981, s. 1456–60. DOI10.1016/0006-291X(81)90782-8. PMID 7259787.
  8. Physiological modeling of isoprene dynamics in exhaled breath. Journal of Theoretical Biology, December 2010, s. 626–37. DOI10.1016/j.jtbi.2010.09.028. PMID 20869370.
  9. Cinema audiences reproducibly vary the chemical composition of air during films, by broadcasting scene specific emissions on breath. Scientific Reports, May 2016, s. 25464. DOI10.1038/srep25464. PMID 27160439.
  10. Isoprene emission from plants: why and how. Annals of Botany, January 2008, s. 5–18. DOI10.1093/aob/mcm240. PMID 17921528.
  11. Isoprene synthesis protects transgenic tobacco plants from oxidative stress. Plant, Cell & Environment, May 2009, s. 520–31. DOI10.1111/j.1365-3040.2009.01946.x. PMID 19183288.
  12. Low-emitting urban forests: A taxonomic methodology for assigning isoprene and monoterpene emission rates. Atmospheric Environment, 1996, s. 1437–1452. DOI10.1016/1352-2310(95)00439-4.
  13. a b c Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. [s.l.] : [s.n.], 2000. ISBN 978-3527306732. DOI:10.1002/14356007.a23_225 Rubber, 2. Natural.
  14. IUPAC Subcommittee on Gas Kinetic Data Evaluation – Data Sheet Ox_VOC7, 2007
  15. Organic Carbon Compounds Emitted By Trees Affect Air Quality, ScienceDaily, Aug. 7, 2009
  16. A source of haze, ScienceNews, August 6, 2009
  17. Invitation To Organic Chemistry. [s.l.] : Jones & Bartlett Learning, 1998. Dostupné online. ISBN 978-0-7637-0432-2. S. 261.
  18. Blue Ridge Parkway, Frequently Asked Questions [online]. National Park Service, 2007. Dostupné online. Archivované 2007-12-28 z originálu.

Literatúra[upraviť | upraviť zdroj]

  • The Merck Index. 11th. vyd. Rahway NJ. USA : Merck & Co Inc., 1989. ISBN 978-0-911910-28-5.
  • Some physical properties of isoprene. Journal of Research of the National Bureau of Standards, 1936, s. 883. DOI10.6028/jres.017.052.
  • Impact of Non-Methane Hydrocarbons on Tropospheric Chemistry and the Oxidizing Power of the Global Troposphere: 3-Dimensional Modelling Results. Journal of Atmospheric Chemistry, 2000, s. 157–230. DOI10.1023/A:1006300616544.
  • Formation of secondary organic aerosols through photooxidation of isoprene. Science, February 2004, s. 1173–6. DOI10.1126/science.1092805. PMID 14976309.
  • Seasonal isoprene emission rates and model comparisons using whole-tree emissions from white oak. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1997, s. 23963–23971. DOI10.1029/96JD03786.
  • Development and Intercomparison of Condensed Isoprene Oxidation Mechanisms for Global Atmospheric Modeling. Journal of Atmospheric Chemistry, 2000, s. 29–52. DOI10.1023/A:1006391009798.
  • Biospheric Trace Gas Fluxes and Their Control over Tropospheric Chemistry. Annual Review of Ecology and Systematics, 2001, s. 547–576. DOI10.1146/annurev.ecolsys.32.081501.114136.

Pozri aj[upraviť | upraviť zdroj]

Zdroj[upraviť | upraviť zdroj]

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Isoprene na anglickej Wikipédii.