высокомолекулярные соединения

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ (полимеры)

характеризуются мол. массой от неск. тысяч до неск. (иногда многих) миллионов. В состав молекул В. с. (макромолекул) входят тысячи атомов, соединенных хим. связями. Любые атом или группа атомов, входящие в состав цепи полимера или олигомера, наз. составным звеном. Наим. составное звено, повторением которого м. б. описано строение регулярного (см. ниже) полимера, наз. составным повторяющимся звеном. Составное звено, которое образуется из одной молекулы мономера при полимеризации, наз. мономерным звеном (ранее иногда наз. элементарным звеном). Например, в полиэтилене [—CH₂CH₂—]_n повторяющееся составное звено — CH₂, мономерное -CH₂CH₂.

Название линейного полимера образуют прибавлением приставки "поли" (в случае неорганич. полимеров -"катена-поли"): а) к названию составного повторяющегося звена, заключенному в скобки (систематич. названия); б) к названию мономера, из которого получен полимер (полусистематич. названия, которые ИЮПАК рекомендует использовать для обозначения наиб. часто применяемых полимеров). Название составного повторяющегося звена образуют по правилам номенклатуры химической. напр. (первыми указаны полусистематич. названия):

Классификация. По происхождению В. с. делят на природные, или биополимеры (напр., белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), и синтетические (напр., полиэтилен, полистирол, феноло-альдегидные смолы). В зависимости от расположения в макромолекуле атомов и атомных групп различают: 1) линейные B.C., макромолекулы которых представляют собой открытую, линейную, цепь (напр., каучук натуральный) или вытянутую в линию последовательность циклов (напр., целлюлоза); 2) разветвленные B.C., макромолекулы которых имеют форму линейной цепи с ответвлениями (напр., амилопектин); 3) сетчатые В.с. — трехмерные сетки, образованные отрезками B.C. цепного строения (напр., отвержденные феноло-альдегидные смолы, вулканизов. каучук).

• см. также сетчатые полимеры

Макромолекулы одного и того же хим. состава м. б. построены из разл. стереоизомеров звена. В. с., молекулы которых состоят из одинаковых стереоизомеров или из разл. стереоизомеров, чередующихся в цепи с определенной периодичностью, наз. стереорегулярными. B.C., в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, наз. стереоблоксополимерами. В нестереорегулярных, или атактических, B.C. звенья разл. пространств. конфигурации чередуются в цепи произвольно.

• см. также стереорегулярные полимеры

По хим. составу макромолекулы различают гомополимеры (полимер образован из одного мономера, напр. полиэтилен) и сополимеры (полимер образован по меньшей мере из двух разл. мономеров, напр. бутадиен-стирольный каучук). В. с., 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 звеньев. Простейшие примеры — чередующиеся сополимеры стирола с малеиновым ангидридом или некоторых олефинов с акриловыми мономерами, построенные по типу ... АВАВАВАВ..., где А и В — мономерные звенья (см. сополимеризация, радикальная полимеризация). Более сложные регулярные последовательности чередования звеньев реализованы, напр., в полипептидах — сополимерах α-аминокислот. Для нерегулярных сополимеров характерно случайное, или статистическое (т. е. подчиняющееся определенной статистике, но не регулярное), распределение звеньев; оно наблюдается у мн. синтетич. сополимеров. В белках нерегулярные последовательности звеньев задаются генетич. кодом и определяют биохим. и биол. специфичность этих соединений. Сополимеры, в которых достаточно длинные непрерывные последовательности, образованные каждым из звеньев, сменяют друг друга в пределах макромолекулы, наз. блоксополимерами (см. блоксополимеры). Последние наз. регулярными, если длины блоков и их чередование подчиняются определенной периодичности. При уменьшении длины блоков различие между блоксополимерами и статистич. сополимерами постепенно утрачивается. К внутр. (неконцевым) звеньям макромолекулярной цепи одного хим. состава или строения м. б. присоединены одна или неск. цепей другого состава или строения; такие сополимеры наз. привитыми.

В зависимости от состава основной (главной) цепи макромолекулы все B.C. 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 В. с. наиб. распространены карбоцепные (главные цепи состоят только из атомов углерода), напр. полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен (см. фторопласты), гуттаперча. Примеры гетероцепных В. с. — полиэфиры (напр., полиэтиленоксид, полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, кремнийорганические полимеры, мочевино-формальдегидные смолы, белки, целлюлоза. В. с., в макромолекулы которых 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 (см. координационные полимеры). Отдельная группа В. с. — неорганические полимеры (напр., полифосфазены), макромолекулы которых построены из неорг. главных цепей и не содержат орг. боковых радикалов (обрамляющих групп).

Свойства и основные характеристики. В. с. обладают специфич. комплексом физ.-хим. и мех. свойств. Важнейшие из них: 1) способность образовывать высокопрочные анизотропные волокна и пленки (см. ориентированное состояние полимеров, пленки полимерные); 2)способность к большим обратимым, т. наз. высокоэластическим, деформациям (см. высокоэластическое состояние); 3) способность набухать перед растворением и образовывать высоковязкие растворы (см. растворы полимеров). Эти свойства обусловлены высокой мол. массой B.C., цепным строением макромолекул, их гибкостью и наиб. полно выражены у линейных В. с. По мере перехода от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к частым сетчатым структурам комплекс характерных свойств В. с. становится все менее выраженным. Трехмерные В. с. с очень большой частотой сетки нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластич. деформациям.

По фазовому состоянию В. с. могут быть кристаллическими или аморфными. Необходимое условие кристаллизации — регулярность достаточно длинных участков молекулярной цепи. В таких В. с. возможно образование разнообразных кристаллич. форм (фибрилл, сферолитов, монокристаллов и др.Х тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Аморфные В. с. помимо высокоэластического могут находиться в двух других физ. состояниях: стеклообразном состоянии и вязкотекучем состоянии. В. с., которые переходят из высокоэластич. состояния в стеклообразное при температурах ниже комнатной, относят к эластомерам, при более высокой температуре — к пластикам. Кристаллические B.C. обычно являются пластиками.

Свойства отдельных B.C. определяются хим. составом, строением, конформацией и взаимным расположением макромолекул (надмолекулярной структурой). В зависимости от этих факторов свойства B.C. могут изменяться в широких пределах. Так, цис-1,4-полибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температурах ок. 20 °C представляет собой эластичный материал, который ниже −90 °C переходит в стеклообразное состояние, тогда как полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температурах ок. 20 °C — твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластич. состояние лишь выше 100 °C. Целлюлоза — полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмол. водородными связями,-вообще не может существовать в высокоэластич. состоянии до температуры ее разложения. Большие различия в свойствах В. с. могут наблюдаться даже в том случае, когда различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, изотактич. полипропилен-кристаллическое вещество, плавящееся ок. 175 °C, а атактический вообще не способен кристаллизоваться и размягчается ок. −40 °C. В данном случае различия в микроструктуре макромолекулярной цепи определяют качеств. различия и в характере надмолекулярной структуры.

B.C. могут вступать в следующие реакции: 1) соединение макромолекул поперечными хим. связями (т. наз. сшивание), происходящее, напр., при вулканизации каучуков, отверждетш реактопластов, дублении кож; 2) распад молекулярных цепей на более короткие фрагменты (см. деструкция полимеров); 3) реакции макромолекул с низкомол. соединениями, при которых изменяется природа боковых функц. групп, но сохраняются длина и строение скелета осн. цепи (т. наз. полимераналогичные превращения), напр. омыление поливинилацетата с образованием поливинилового спирта; B.C., образующиеся в результате таких реакций, наз. полимераналогами; 4) внутримолекулярные реакции между функциональными группами одной макромолекулы, напр. внутримолекулярная циклизация. Гетероцепные В. с. в отличие от карбоцепных обычно относительно легко гидролизуются. Скорость реакций B.C., особенно сетчатых, с низкомол. веществами часто лимитируется скоростью диффузии низкомол. вещества в фазу В. с. В кинетич. области (напр., в разб. растворе) скорость взаимод. макромолекул с низкомол. веществами часто существенно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функц. группами, принадлежащими одной цепи.

Некоторые свойства В. с., напр. растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, существенно зависят от небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно одной-двух поперечных связей на одну макромолекулу.

Важнейшие характеристики В. с.-хим. состав, мол. масса, ММР, стереохим. строение, степень разветвленности и гибкость макромолекулярных цепей, распределение по типам функциональности (см. функциональность полимеров).

Получение. Прир. B.C., образующиеся в клетках живых организмов в результате биосинтеза, м. б. выделены из растит. и животного сырья с помощью экстрагирования, фракционного осаждения и др. методов. Основные пути получения синтетических В. с. — полимеризация и поликонденсация.

Карбоцепные В. с. обычно синтезируют полимеризацией мономеров по кратным углерод-углеродным связям. Гетероцепные В. с. получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров по кратным гетероатомным связям типа C=O, N=C—O, C≡N (напр., альдегиды, изоцианаты, нитрилы) или с раскрытием гетероциклич. группировок (напр., окисей олефинов, лактамов).

Применение. Мех. прочность, эластичность, электроизоляц. и др. ценные техн. свойства В. с. обусловливают их широкое применение в разл. отраслях народного хозяйства и в быту. В. с. — основа пластических масс, волокон химических, резины, лакокрасочных материалов, клеев (см. клеи природные, клеи синтетические), герметиков, ионообменных смол. Биополимеры составляют основу всех живых организмов и участвуют во всех процессах жизнедеятельности.

Историческая справка. Термин "полимерия" введен в науку Й. Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества одинакового состава имеют разл. мол. массу, напр. этилен и бутилен, кислород и озон (т. обр., содержание термина не соответствовало совр. представлениям о полимерах).

Ряд B.C. был получен, по-видимому, еще в 1-й пол. 19 в. Однако в то время их рассматривали как нежелат. побочные продукты "осмоления". Первые упоминания о синтетич. B.C. относятся к 1838 (поливинилхлорид) и 1839 (полистирол).

До кон. 20-х гг. 20 в. наука о В. с. развивалась гл. обр. в русле интенсивного поиска способов синтеза каучука (Г. Бушарда, У. Тилден, И.Л.Кондаков, С, В. Лебедев. и др.). В 30-х гг. было доказано существование свободнорадикального (Г. Штаудингер и др.) и ионного (Ф. Уитмор и др.) механизмов полимеризаций. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У. Карозерса, который ввел в химию В. с. понятия функциональности мономера, линейной и трехмерной поликонденсации. Он же в 1931 синтезировал совместно с Дж. А. Ньюландом хлоропреновый каучук (неопрен) и в 1937 разработал метод получения полиамида для формования волокна типа найлон.

Автором принципиально новых представлений о В. с. как о веществах, построенных из макромолекул, был Штаудингер. Победа его идей (к нач. 40-х гг. 20 в.) привела к тому, что В. с. стали рассматривать как качественно новый объект исследования химии и физики. В 40-60-х гг. значит. вклад в исследование закономерностей поликонденсации, теорию растворов В. с. и статистич. механику макромолекул внес П. Флори.

Развитие химии и физики В. с. в СССР связано с именами: С. С. Медведева, который в 30-х гг. впервые установил свободнорадикальную природу активных центров роста цепи при инициировании полимеризации пероксидами и сформулировал понятие передачи цепи; А.П. Александрова, впервые развившего в 30-х гг. представления о релаксац. природе деформации полимерных тел; В. А. Каргина, установившего в кон. 30-х гг. факт термодинамич. обратимости растворов полимеров и сформулировавшего систему представлений о трех физ. состояниях аморфных B.C.; К. А. Андрианова, впервые синтезировавшего в 1937 полиорганосилоксаны, и др.

^{Лит.: Энциклопедия полимеров, т. 1–3, М., 1972–77; Стрепихеев А. А., Деревицкая В.А., Основы химии высокомолекулярных соединений, 3 изд., М., 1976; Ван Кревелен Д.В., Свойства и химическое строение полимеров, пер. с англ., М., 1976; Шур A.M., Высокомолекулярные соединения, 3 изд., М., 1981; Encyclopedia of polymer science and technology, v. 1–16, N. Y.-[a. o.j, 1964–72, Suppl. v. 1–2, 1976–77.}

_{В. А. Кабанов}