Высокомолекулярные соединения

admin | ИНФОРМАЦИЯ ПО ТЕМЕ | 14.02.2009

Химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов). В состав молекул В. с. (макромолекул) входят тысячи атомов, соединенных химическими связями.
Классификация. По происхождению высокомолекулярные соединения делят на природные, или биополимеры (напр., белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), и синтетические (напр., полиэтилен, феноло-альдегидные смолы).
В зависимости от расположения в макромолекуле атомов и атомных групп различают:

1. Линейные высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых представляют собой открытую, линейную, цепь (напр., каучук натуральный) или вытянутую в линию последовательность циклов (напр., целлюлоза);
2. Разветвленные высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых имеют форму линейной цепи с ответвлениями (напр., амилопектин);
3. Сетчатые высокомолекулярные соединения — трехмерные сетки, образованные отрезками высокомолекулярных соединений, цепного строения (напр., отвержденные феноло-альдегидные смолы).

Полимеры, макромолекулы которых состоят из одинаковых стереоиэомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, наз. стереорегулярными. Полимеры, в к-рых каждый или нек-рые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, наз. стереоблоксополимеры.

По химическому составу макромолекулы различают гомополимеры (полимер образован из одного мономера, напр. полиэтилен) и сополимеры (полимер образован, по меньшей мере, из двух разл. мономеров). Высокомолекулярные соединения, состоящие из одинаковых мономерных звеньев, но различающиеся по мол, массе, наз. полимергомологами.
Сополимеры в зависимости от характера распределения разл. звеньев в макромолекуле делят на регулярные и нерегулярные. В регулярных макромолекулах наблюдается определенная периодичность распределения. Для нерегулярных сополимеров характерно случайное, или статистическое распределение звеньев; оно наблюдается у мн. синтетич. сополимеров. В белках нерегулярные последовательности звеньев задаются генетич. кодом. Сополимеры, в к-рых достаточно длинные непрерывные последовательности, образованные каждым из звеньев, сменяют друг друга в пределах макромолекулы, наз. блоксополимерами. Последние наз. регулярными, если длины блоков и их чередование подчиняются определенной периодичности. При уменьшении длины блоков различие между блоксополимерами и статистическими сополимерами постепенно утрачивается. К внутренним (не концевым) звеньям макромолекулярной цепи одного химического состава или строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого состава или строения; такие сополимеры называются привитыми.
В зависимости от состава основной цепи макромолекулы все ВС, делят на два больших класса: гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов, и гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы разных элементов, чаще всего С, N, Si, P. Среди гомоцепных высокомолекулярных соединений наиболее распространены карбоцепные (главные цепи состоят только из атомов углерода), например полиэтилен, полиметилметакрилат, и др. Примеры гетероцепных В. С.- полиэфиры, полиамиды, кремнийорганические полимеры, белки, целлюлоза. В. С., в макромолекулы к-рых наряду с углеводородными группами входят атомы неорганогенных элементов, наз., элементоорганическими. В полимерах, содержащих атомы металла (напр., Zn, Mg, Cu), обычные ковалентные связи могут сочетаться с координационными.
В зависимости от формы макромолекулы В. с. делят на глобулярные и фибриллярные. У фибриллярных В. С. молекулы представляют собой линейные или слаборазветвленные цепи. Фибриллярные В. с. легко образуют надмолекулярные структуры в виде асимметричных пачек молекул — фибрилл. Глобулярными паз. В. С., макромолекулы к-рых имеют форму компактных шарообразных клубков — глобул, возможно также образование глобул из фибриллярных.

Свойства и важнейшие характеристики

Высокомолекулярные соединения обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств.
Важнейшие из этих свойств:

• способность образовывать высокопрочные анизотропные высоко- ориентированные волокна и пленки;
• способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям;
• способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов.

Этот комплекс свойств обусловлен высокой мол. массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул и наиболее полно выражен у линейных В. с. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится все менее выраженным. Сильно сшитые В. С. нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластичным деформациям.
Высокомолекулярные соединения могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации — регулярность достаточно длинных участков макромолекулярной цепи. В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразных кристаллических форм (фибрилл, сферолитов, монокристаллов и др.), тип которых во многом определяет свойства полимерного материала.
Незакристаллизированные полимеры могут находиться в трех физических состояниях:

• стеклообразном.
• высокоэластичом.
• вязкотекучем.

Высокомолекулярные соединения с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой- пластиками. Свойства отдельных высокомолекулярных соединения определяются химическим составом, строением и взаимным расположением макромолекул (надмолекулярной структурой) в конденсированной фазе. В зависимости от этих факторов свойства высокомолекулярные соединения могут меняться в очень широких пределах. Большие различия в свойствах высокомолекулярных соединений могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики.

Высокомолекулярные соединения могут вступать в основном в следующие реакции:

1. Образование химичесикх связей между макромолекулами (т. и. сшивание);
2. Распад макромолекулярных цепей на отдельные, более короткие фрагменты (см. деструкция);
3. Реакции боковых функциональных групп высокомолекулярных соединений с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь и приводящие к образованию полимераналогов;
4. Внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, направленная внутримолекулярная циклизации.

Некоторые свойства высокомолекулярных соединений например: растворимость, способность к вязкому тёчению, стабильность и др., очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами.
Важнейшие характеристики высокомолекулярных соединений: химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвленности макромолекулярных цепей, стереорегулярность и др.

Получение высокомолекулярных соединений

Природные высокомолекулярные соединения образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов, могут быть выделены из растительного и животного сырья. Неорганические природные В. с. образуются в результате геохимических процессов, происходящих в земной коре. Синтетические В. с. получают путем реакций полимеризации и поликонденсации. Карбоцепные В. с. обычно получают полимеризацией мономеров с одной или несколькими кратными углерод — углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки. Гетероциклические В.С. получают в результате реакций поликонденсации, а также полимеризации мономеров, содержащих кратные связи углерод — элемент (напр. С—О, С—N , N—С—О) или же непрочные гетероциклич. группировки.

Применение высокомолекулярных соединений

Благодаря механической прочности, эластичности, электроизоляционным и др. ценным свойствам В.С. применяют в различных отраслях промышленности и в быту. Основные типы полимерных материалов — резины, волокна, пластмассы, пленки, лаки, эмали, краски и клеи. Биологическое значение В. С. определяется тем, что они составляют основу всех живых организмов и участвуют практически во всех процессах жизнедеятельности.