1. Основные понятия химии высокомолекулярных соединений

0. 1.1. Классификация высокомолекулярных соединений

Высокомолекулярные соединения (полимеры) характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов. В состав молекул полимеров (макромолекул) входят тысячи атомов соединенных химическими связями. Любой атом или группа атомов, входящих в состав цепи полимера, называется составным звеном. Наименьшее составное звено, повторением которого может быть описано строение регулярного полимера называется составным повторяющимся звеном. Составное звено, которое можно мысленно выделить из полимера, полученного при полимеризации мономера называется мономерным звеном или элементарным звеном.

В зависимости от происхождения высокомолекулярные соединения делят на природные, искусственные и синтетические.

Природные полимерыили биополимеры образуются в природе в растительных или животных организмах. К ним относятся полисахариды, лигнин, белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук, гуттаперча.

Полисахариды это полимерные углеводы построенные из моносахаридных остатков, соединенных гликозидными связями. Их делят на гомополисахариды и гетерополисахариды.

Гомополисахариды это сахариды построенные из остатков только одного моносахарида. Гомополисахариды делятся на глюканы (целлюлоза, крахмал, гликоген), маннаны, галактаны, арабинаны, ксиланы.

Лигнин – полимер, который наряду с целлюлозой является составной частью практически всех наземных растений. Он построен из остатков различных фенолоспиртов.

Белки это высокомолекулярные природные полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных пептидными связями.

Нуклеиновые кислоты играют главную роль в хранении и передаче генетической информации и биосинтезе белков. Их делят на два вида – дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). Молекула ДНК состоит из остатков азотистых оснований аденина, гуанина, тимина, цитозина, дезоксирибозы и фосфорной кислоты. В молекулах РНК вместо тимина находится урацил, а вместо дезоксирибозы – рибоза.

Натуральный каучук и гуттаперча являются полимерами изопрена. Пространственное строение каучука и гуттаперчи различное. Натуральный каучук имеет цис-конфигурацию, а гуттаперча транс-конфигурацию.

Искусственные полимерыполучают обработкой природных полимеров различными химическими реагентами. Наибольшее распространение получили искусственные полимеры на основе полисахаридов (целлюлозы, крахмала): нитроцеллюлоза, ацетилцеллюлоза, фосфат целлюлозы, метилцеллюлоза, этилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза, ацетилированный крахмал, нитрокрахмал и другие.

По химическому строению полимеры делят на карбоцепные, содержащие в основной цепи только атомы углерода;гетероцепные содежащие в основной цепи кроме атомов углерода гетероатомы - атомы азота, кислорода и серы;элементорганические полимеры, содержащие атомы углерода и атомы элементов, которые изучает неорганическая химия.

Синтетические полимерыэто полимеры, полученные в результате синтеза из низкомолекулярных веществ мономеров.

Способы получения полимеров делятся на три группы: полимеризация, поликонденсация и полиприсоединение.

Полимеризацияэто процесс последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества мономера к активному центру, находящемуся в конце растущей цепи.

Поликонденсацияэто процесс синтеза полимеров из би- или полифункциональных мономеров сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов: воды, спиртов, галогеноводородов, аммиака и др.

По отношению к воде полмеры делятся на гидрофильные и гидрофобные.

Гидрофильные полимерыэто полимеры поверхность которых смачивается водой. Макромолекулы таких полимеров содержат в своем составе полярные группы: карбоксильные, гидроксильные, сульфогруппы, аминогруппы и способны образовывать водородные связи с молекулами воды. К ним относятся синтетические полимеры (полиакриловая кислота, полиметакриловая кислота, карбомер, поливиниловый спирт, полиакриламид). К гидрофильным полимерам относятся многие природные полимеры (целлюлоза, крахмал, шелк, желатин) и искусственные полимеры производные целлюлозы (метилцеллюлоза, соли карбоксиметилцеллюлозы).

Гидрофобные полимерыэто полимеры макромолекулы которых содержат неполярные группы. Представителями таких полимеров являются полиолефины, полиакрилаты, полиэфирные и полиамидные смолы, натуральные и синтетические каучуки.

В зависимости от расположения атомов или групп в пространстве полимеры делят на линейные, разветвленные и сетчатые.

Линейные полимерыэто полимеры макромолекулы которых представляют открытую цепь или вытянутую в линию последовательность циклов.

Разветвленные полимерыэто полимеры макромолекулы которых имеют форму цепи с ответвлениями.

Сетчатые полимеры(трехмерные, сшитые) – полимеры с поперечными связями или единой пространственной сеткой.

Если молекула мономера имеет несимметричное строение, то элементарные звенья в макромолекулах полимеров могут располагаться различными способами: голова-голова, голова-хвост, хвост- хвост. Такие полимеры называются регулярными. Если на некоторых участках цепи этот порядок меняется, то такие полимеры называют нерегулярными.

При регулярном расположении в пространстве макромолекулы полимеров могут отличаться пространственным строением.

Полимеры макромолекулы, которых состоят их одинаковых стереоизомерных звеньев или из различных стереоизомерных звеньев, чередующихся в определенной последовательности называются стереорегулярными. Внестереорегулярныхилиатактическихполимерах элементарные звенья с различной конфигурацией чередуются произвольно. Если в элементарном звене полимера присутствует хиральный атом, то эти звенья могут иметь одинаковую конфигурацию либоRлибоS. Такие полимеры называютсяизотактическими.Если в полимереRиSзвенья строго чередуются, то такие полимеры называютсясиндиотактическими.

В молекулах ненасыщенных полимеров элементарные звенья могут иметь либо цис-, либо транс-конфигурации. Если полимер содержит элементарные звенья только цис-, либо транс- то он будет являтся стереорегулярным. Если эти звенья будут хаотически чередоваться в макромолекуле полимера, то такой полимер будет нестереорегулярным.

Кроме конфигураций макромолекул на свойства полимеров оказывают и конформации макромолекул. В результате вращения вокруг валентных связей макромолекулы или теплового движения макромолекулы и составляющих ее элементов, а также в результате взаимодействия макромолекул с молекулами растворителей макромолекула может принимать ту или иную форму и размеры. Усредненная форма и размеры, которые принимает макромолекула в растворе или в расплаве называется конформацией макромолекулы. Переход из одной конформации в другую не требует протекания химической реакции.

По отношению к нагреванию полимеры делят на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры(термопласты) не меняют свойство и строение после нагревания и охлаждения. При нагревании размягчаются, а при охлаждении отвердевают. Молекулы термопластов имеют линейное или разветвленное строение.

Термореактивные полимерыпри нагревании теряют способность плавится, или растворятся вследствие того, что они приобретают пространственную сетчатую структуру. Процесс превращения линейной структуры в сетчатую называют отверждением или сшивкой.

В зависимости от гибкости цепей при комнатной температуре полимеры делят на эластомеры и пластики. Эластомеры – это полимеры и материалы на их основе, обладающие во всем диапазоне их эксплуатации высокоэластическими свойствами, то есть способностью к большим обратимым деформациям. Типичными эластомерами являются каучуки и резины.

Пластикиили пластические массы это полимерные материалы, которые в обычных условиях находятся в кристаллическом или стеклообразном состоянии, а изделия из них изготавливают в вязкотекучем состоянии обычно при повышенной температуре и давлении. Температура, при которой полимер из стеклообразного состояния переходит в высокоэластическое называется температурой стеклования Т_с, а температура при которой полимер из высокоэластического состояния переходит в вязкотекучее называется температурой текучести Т_т. Полимер находится в вязкотекучем состоянии в интервале между температурой стеклования и температурой текучести.