химия биополимеров

УДК 678.7 (075.8)

Химия высокомолекулярных соединений: Конспект лекций. / В.Ф. Куренков. Казань: Издательство – Редакция “Бутлеровские сообщения”. 2004. 146 с. Тираж 50 экз.

Конспект лекций охватывает первую часть читаемого автором курса. Содержит разделы, посвященные строению полимеров, различным методам их синтеза и химических превращений.

Предназначен для студентов, обучающихся по направлению подготовки дипломированного специалиста 655100 – “Химическая технология высокомолекулярных соединений и полимерных материалов”, специальности 250500 и 250700. Могут использоваться студентами и аспирантами химико-технологиче- ских вузов, а также других вузов, в которых читается курс химии и физики полимеров.

Ил.14. Табл. 9. Библиогр. 26 назв.

Печатается на правах приложения журнала “Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения.” 2004 г.

Том.5. №2.

Рецензенты: проф. В.Ф. Строганов проф. В.В. Береснев

Учреждение – Редакция “Бутлеровские сообщения”, 2004 г.

Куренков В.Ф., 2004 г.

2

Содержание

3

Введение

“Химия и физика высокомолекулярных соединений“ является общим теоретическим курсом, изучаемым студентами института полимеров КГТУ в соответствии с Государственным общеобразовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 655100 – “Химическая технология высокомолекулярных соединений и полимерных материалов”.

Перестройка высшего образования в стране направлена на повышение качества подготовки специалистов и активизацию самостоятельной работы студентов. В связи с этим особое значение преобретает методическое обеспечение учебного процесса, создание новых и переработка старых учебников и учебных пособий. Для этих целей предназначено предлагаемое учебное по-

4

собие, которое должно способствовать повышению качества обучения и улучшению методического обеспечения учебного процесса.

Из общего объёма курса для издания выделен раздел “Химия высокомолекулярных соединений“, содержание которого соответствует программе дисциплины. В учебном пособии рассмотрены основы строения полимеров – структура и классификация полимеров, молекулярные массы и молекулярно-массовое распределение, конфигурация, конформация и гибкость макромолекул. Изложены научные основы различных способов получения полимеров. Рассмотрены возможности модификации полимеров путём внутримолекулярных и полимераналогичных превращений, сшивки, отверждения и деструкции полимеров, а также возможности их стабилизации. В конце каждой темы приведены вопросы для самоконтроля, а в конце книги - контрольные задания, которые помогут в усвоении пройденного материала. В библиографическом списке указана литература для углубленного изучения дисциплины.

Предлагаемое пособие подготовлено на основе читаемого автором на протяжении ряда лет курса лекций по дисциплине для студентов специальности 250500 “Химическая технология высокомолекулярных соединений” и 250700 “Химическая технология кинофотоматериалов и магнитных носителей”.

6

Тема 1. Основы строения полимеров

1.1. Структура и классификация полимеров

Полимерами являются высокомолекулярные соединения, состоящие из одинаковых или различных звеньев, соединенных химическими связями в длинные цепи. Полимер означает много частей (от греческого polus-много и meros-части). Наглядной моделью полимера является ожерелье из бусин. Звеньями цепи могут быть как отдельные атомы, так и группы атомов (например, полимерная сера –S–S–S–S– и полиэтилен –СН2–СН2–СН2– ).

Число повторяющихся звеньев в цепи – степень полимеризации (Р). Она определяет молекулярную массу полимера

(М)

М=m · Р,

где m – молекулярная масса звена.

В зависимости от значений М различают высокомолекуляные

соединения, олигомеры и низкомолекулярные соединения. При

М>5000–10000 – высокомолекулярное соединение, М=500 – 5000 – олигомер, М<500 – низкомолекулярное соединение. Названия полимеров и олигомеров складывается из названия мономера и приставки «поли» или «олиго» (например, полиэтилен, полистирол, олигостирол, олигобутадиен, сополимер этилена с пропиленом). Химические формулы пишут без концевых групп [ например, – СН2–СН2–СН2– или (– СН2–СН2–)n ]. Для некоторых полимеров используются торговые названия (например, найлон или поли–ε–капролактам, фенопласт или фенолформальдегидная смола, тефлон или политетрафторэтилен).

7

По числу мономерных звеньев в цепи полимеры классифицируют на гомополимеры и сополимеры. Гомополимеры состоят из одинаковых звеньев (например, –А–А–А–), а сополимеры – из двух или более звеньев (например, –А–В–С–).

Сополимеры подразделяют на статистические

–А–В–В–А–В–А–А–А–В–В–

(имеют нерегулярное расположение звеньев) и чередующиеся А–В–А–В– (имеют регулярное расположение звеньев).

Различают блок-сополимеры и привитые сополимеры Блок-

сополимеры имеют длинные последовательности звеньев каждого типа ~АААААВВВВВААААА~ и в названии указываются составляющие звенья [например, поли(стирол–блок–метилакри- лат)]. Привитые сополимеры основную цепь имеют из звеньев одного мономера, а боковую – из звеньев другого мономера ~ААААААААААА~.

| |

ВВВВВВВВВВ

По структурной форме полимеры делят на линейные, раз-

ветвленные и сшитые.

Линейные имеют цепи с большой асимметрией

Разветвленные имеют длинную основную цепь с боковыми ответвлениями

Сетчатые имеют длинные цепи, соединенные химическими связями

8

По строению основной цепи полимеры делят на гомоцепные и гетероцепные. Гомоцепные полимеры имеют основную цепь из одинаковых атомов (например, из серы –S–S–S–, углерода

–С–С–С–, фосфора –Р–Р–Р–). Полимеры, построенные из атомов углерода называются карбоцепными. Гетероцепные полимеры имеют основную цепь из различных атомов (например, –С–О–, –Si–О–, –P=N–).

Устойчивость гомоцепных и гетероцепных полимеров зависит от прочности связей между атомами. Наиболее прочными являются связи между атомами углерода, а наименее прочными являются связи между атомами азота и между атомами кислорода, все остальные элементы могут образовывать гомоцепные полимеры (например, –S–S–S–, –Р–Р–Р–, –Si–Si–Si–, –Te–Te–Te ).

У гетероцепных полимеров энергия связи между атомами выше, чем у гомоцепных. Поэтому гетероцепные полимеры являются высокоплавкими и высокопрочными.

По происхождению полимеры делят на природные, синтетические и искусственные. Примерами природных полимеров являются натуральный каучук, целлюлоза, белки, алмаз, графит. Синтетическими полимерами, полученными в колбе или реакторе, являются полиэтилен, полистирол, полипропилен. Искусственными являются модифицированные природные полимеры, например, нитрат целлюлозы и ацетат целлюлозы.

Химическое строение макромолекул

По химическому строению повторяющегося звена полимеры делят на классы: органические, неорганические и элементоорганические.

Органические полимеры в основной цепи содержат атомы углерода, а также кислорода, азота и серы. В боковые группы могут входить водород и галогены, соединенные непосредственно с углеродоми или другие атомы, непосредственно не соединенные с углеродом в основной цепи.

9

Неорганические полимеры имеют основную цепь из неорганических атомов и не имеют органических боковых групп.

Таблица 1 Примеры органических гомоцепных полимеров

А л и ф а т и ч е с к и е п р е д е л ь н ы е

Полифенилен

Ж и р н о а р о м а т и ч е с к и е

А л и ф а т и ч е с к и е н е п р е д е л ь н ы е

10