до звіту № 1 за договором р
Навчально-методичні матеріали для слухачів.
Текст лекцій «Хімія і технологія полімерів»
Лекція 1. Що таке полімери (Слайд 1)
Даний курс призначений для короткого ознайомлення учнів з важливим напрямком сучасної науки, технології і техніки - областю полімерів (високомолекулярних сполук). Звичайно, цей короткий курс тільки зачіпає всі проблеми цієї грандіозної області. Проте, ми сподіваємося, що він полегшить, в разі необхідності, з подальшим оволодінням необхідними розділами цього напрямку.
Слід зазначити, що полімери настільки увійшли в наш світ, що ми вже просто не звертаємо увагу на те, з чого зроблено той чи інший виріб. У той же час, об'єкти, основою яких є полімери зустрічаються практично у всіх сферах життя людини.
Наприклад, це відноситься до того, що людина одягає на себе (Слайд 2), до виробів використовуваним людиною в житті (Слайд 3), упаковці харчових продуктів (Слайд 4), нарешті, до різних медичних виробів (Слайд 5).
2. Джерела полімерів
Звідки ж беруться матеріали з полімерів, з яких виготовляють всі ці іхделія?
Є два джерела отримання соєвого молока. Це виділення з природних об'єктів (в основному, рослин і живих організмів) і синтез з різних хімічних речовин.
У зв'язку з цим прийнято розрізняти три класи полімерів - це природні полімери, виділені з природних об'єктів, синтетичні полімери, і штучні полімери, які отримують хімічними реакціями (перетвореннями) природних полімерів (Слайд 6).
Багато з представників цих груп полімерів, у всякому разі виробів з них, відомих практично всім досить добре. Це можна сказати, наприклад, про синтетичні полімери - поліетилені. з якого, зокрема, виготовляють плівку, яка застосовується в побуті, для покриття теплиць, полиамидах (капроні і нейлону), з яких отримують волокно для виготовлення різних виробів, епоксидних смолах. зокрема, використовуваних для виготовлення поширеного клею, поліетилентерефталату, з якого виготовляють пластикові пляшки (Слайд 7).
До відомих природним полімерів можна віднести полімери групи полісахаридів. з якими ми часто стикаємося в житті, - целюлозу, крохмаль, хітин, що є основою панцира ракоподібних, білки. без яких неможлива життєдіяльність живих організмів, нуклеїнові кислоти, які є передавачами ознак спадковості живих організмів, в тому числі, людини, лігнін. що становить близько 20-30% маси деревних рослин (Слайд 8).
Відомі штучні полімери, наприклад, ацетил - і нитроцеллюлоза, що є основою волокон, мембран (перша) і кіноплівки плівки і пороху (друга), хітозан, продукт деацетилювання хітину, що розглядається зараз як цінна сировина для медичної промисловості. (2-гідроксіетил) крохмаль, який використовується як компонент кровозамінників (Слайд 9).
3. Ознаки полімерів
Які ж ознаки дозволяють відокремити полімери від інших хімічних сполук і виділити їх в окремий клас речовин?
Самі слова «полі заходи», «макро молекулярні сполуки», «макро молекули», «полі мірна» або «макро молекулярна» хімія виникли від грецьких понять «поли» - багато і «макро» - великий (Слайд 10).
Тому сформувалося уявлення про полімери, як про речовини, що мають велику молекулярну вагу і побудованих у вигляді ланцюга, що складається з повторюваних одиниць (ланок). В принципі це уявлення є вірним, але потребує, як зараз ясно, в певних доповненнях.
По-перше, вимога про великий молекулярному вазі. Дійсно, багато синтетичних і природні полімери мають молекулярну масу понад мільйон. Але, з іншого боку, робочий діапазон виробів з багатьох полімерів істотно відрізняється і іноді знаходиться в межах всього кілька тисяч (Слайд 11).
З іншого боку, відомі індивідуальні сполуки, які прийнято відносити до низькомолекулярних і які мають молекулярну масу наближається до молекулярному вазі полімерів, що знаходять реальне застосування, наприклад, в лікарських системах, коли потрібно повне виведення полімеру з організму після того, як він виконав свою функцію.
Прикладом такого індивідуального низькомолекулярного з'єднання є токсин палетоксін, що видобувається з корралових поліпів (Слайд 12).
Підсумовуючи сказане, можна сказати, що полімери мають різний, надзвичайно широкий діапазон молекулярних мас, в деяких випадках близький до окремих складних низькомолекулярних сполук (Слайд 13).
Наступний аспект - ланцюгове будову. На перших етапах знайомства з полімерами було сформоване уявлення про них як про з'єднання з длінноцепнимі молекулами (макромолекулами), іноді мають просторову будову з хаотично розташованими сшивками.
Однак з розвитком хімії і фізики високомолекулярних сполук було знайдено, що полімери можуть мати безліч структур макромолекул - від простих лінійних до надзвичайно складних. Деякі з цих структур показані на даному слайді (Слайд 14). Як видно, тут і найбільш поширені лінійні, розгалужені і просторові структури, так і більш рідкісні і спеціально синтезовані - поліротаксани, Дендримери і інші. Однак важливо, що у всіх цих структурах можна виділити ланцюгові фрагменти, що становлять основу макромолекули.
Говорячи про будову ланцюга полімеру як поєднання повторюваних ланок. слід зазначити, що дійсно, в більшості полімерів, у всякому разі, синтетичних отриманих з одного джерела низькомолекулярного з'єднання (мономера) спостерігається повторення в ланцюзі фрагментів (ланок), похідних цього мономера, так як показано на слайді. У той же час найвідоміші полімери білки представляють собою ланцюги, побудовані з ланок, похідних більш ніж 20 амінокислот, що відрізняється бічними групами. (Слайд 15). Те ж можна сказати про будову ланцюга нуклеїнових кислот, які ми будемо розглядати на наступній лекції. Таким чином, вимога про неодмінно повторюється будові ланок ланцюга полімеру, є досить умовним.
Нарешті, потрібно мати на увазі, що методи хімії високомолекулярних сполук використовуються відносяться і до отримання деяких низькомолекулярних речовин. Так, наприклад, методом теломеризації - полімеризації низкомолекулярного мономера в присутності обривателя ланцюга - виходить # 969; -хлоренантовая кислота, яка використовується в синтезі полімерів і має молекулярну вагу менше, ніж відоме природне індивідуальне з'єднання стеаринова кислота (Слайд 16 і 17).
Таким чином, можна підсумувати, що віднесення речовини до області полімерів може бути зроблено при дотриманні ряду умов (Слайд 18):
- Наявності високої молекулярної маси зазвичай в діапазоні від сотень до мільйонів Д.
- Наявність макромолекулярной ланцюга або простеження її в більш складній структурі молекули полімеру.
- Наявність в ланцюзі повторюваних ланок або фрагментів ланцюга (не завжди абсолютно однакових, але зазвичай близьких за своєю природою)
Крім цього до сфери хімії високомолекулярних сполук можна віднести процеси не обов'язково призводять до отримання високомолекулярних сполук, але протікають за законами полімерної хімії.
3. Формули полімерів
Як же прийнято зображати полімери? На слайді 19 (Слайд 19) показані різні варіанти такого зображення.
Звичайно, повну полімерну ланцюг зображують тільки в обмеженій кількості випадків, наприклад, при відображенні макромолекул деяких білків і нуклеїнових кислот, коли кожна ланка кардинально впливає, наприклад, на просторову структуру макромолекули, яка впливає на її біологічну активність.
Зазвичай же будова полімеру відображають через його ланка або як набір основних ланок. У цих випадках формулу ланки обмежують з двох сторін дефісами, що відображають хімічні зв'язки, квадратними дужками із дефісами, три крапки з дефісами.
Істотно, що при описі реакцій полімерів, в яких беруть участь групи ланки всі розрахунки проводяться з урахуванням саме ланки полімеру, а його концентрацію в системі висловлюють в т. Н. осново-молях на обсяг (наприклад, на л).
4. Класифікація полімерів
Класифікація полімерів реалізується відповідно до хімічною будовою основного ланцюга, її груп, що визначають властивості полімеру, що обрамляють фрагментів, і структурою полімеру. яка визначається просторовим розташуванням ланцюга і її бічних груп.
Так, відповідно до типу атомів, з яких складається макромолекула, полімери поділяють на органічні, в ланцюзі яких містяться С, Н, N, неорганічні, що не містять вуглеводневих фрагментів і груп, і елементоорганіческіе, що містять структури обох типу (Слайд 19).
На слайдах (Слайд 20-23) показані приклади таких різних типів.
Відповідно до типу входять в основну ланцюг атомів розрізняють гомоцепні (для більшості полімерів - карбоцепні) і гетероцепні полімери. В останньому випадку в основну ланцюг можуть входити атоми різного типу (Слайд 24).
Приклади гомо і гетероланцюгових полімерів наведено на слайдах (Слайд 25, 26).
У разі гетероланцюгових полімерів їх віднесення до тієї чи іншої групи визначається будовою хімічної угруповання ланцюга, що знаходиться між вуглеводневими фрагментами, в деяких випадках за типом кінцевих груп.
Наприклад, на слайді (Слайд 28) наведені приклади складних поліефірів, полікарбонатів, полиимидов, епоксидних полімерів.
При цьому такі групи є похідними відповідних низькомолекулярних з'єднань, як показано на цьому слайді для поліуретанів (Слайд 28).
Крім того, на властивості полімерів впливає розташування заступників в основному ланці. Такі структури прийнято називати «голова-голова» і «голова-хвіст» (Слайд 29).
Хімічна будова полімерів відбивається в їх хімічній номенклатурі. Як відомо, існує цілий ряд систем номенклатури хімічних сполук. Офіційно визнаною є номенклатура IUPAC. Трохи відрізняється від неї номенклатура, прийнята в основному реферативному журналі «Chemical Abstracts». Слід зазначити, що для полімерів ці назви в багатьох випадках надзвичайно складні, і в стандартному хімічному описі (наприклад, в статті, патенті) часто використовуються історично сформовані назви, зазвичай похідні від вихідного мономера з приставкою «полі-».