Синтез высокомолекулярных соединений

Синтез того или иного полимера состоит из двух этапов: получения мономера и превращения его в полимер. Мономеры представляют собой низкомолекулярные вещества, молекулы которых, взаимодействуя между собой, образуют макромоле­кулы. Для успешного протекания реакции молекула мономера должна содержать кратные связи, неустойчивый цикл или реакционноспособные функциональные группы (не менее двух).

Наиболее важными видами сырья для производства моно­меров являются нефть, попутные и природные газы, продукты сухой перегонки каменного угля.

Для синтеза высокомолекулярных соединений из мономе­ров применяются два метода - полимеризация и поликонден­сация. Ниже приводятся характерные особенности этих про­цессов.

Полимеризация

Процесс полимеризации состоит в последовательном много­кратном присоединении молекул мономеров друг к другу. В связи с этим в эту реакцию вступают только ненасыщенные соединения или вещества с неустойчивым циклом. Процесс полимеризации протекает без образования существенных количеств побочных продуктов, а полимер и мономер имеют один и тот же элементарный состав. В условиях, применяющихся при ведении процесса, реакция полимеризации обыч­но практически необратима.

Поликонденсация

Молекула каждого мономера, вступающего в процесс поликонденсации, должна со­держать не менее двух функцио­нальных групп, способных реаги­ровать с функциональными группами таких же или других мономеров. Процесс поликонденсации сопровождается обра­зованием (отщеплением) низкомолекулярных побочных продуктов (воды, ам­миака,хлористого водорода и др.). В связи с этим, элементарный состав полимера иной, чем у исходного мономера (мономеров). Серьезным недостатком является тот факт, что процесс поликонденсации имеет обратимый равно­весный характер.

Поликонденсацию разделяют на гомополиконденсацию и гете-рополиконденсацию. В гомополиконденсации участвуют одно­родные молекулы; в гетерополиконденсации - разнородные молекулы.

Примером гомополиконденсации может служить конденсация аминокислот друг с другом, приводящая к образованию полиамидов (полипептидов), наиболее известными из которых являются белки.

В качестве примера гетерополиконденсации можно привести конденсацию адипиновой кислоты с гексаметилендиамином, лежащую в основе синтеза волокна «нейлона».

При поликонденсации соединений, содержащих две функ­циональные группы, обычно образуются линейные полимеры. В случае поликонденсации соединений, содержащих более двух функциональных групп, образуются полимеры с разветв­ленной и пространственной структурой.

В принципе, многие полимеры могут быть синтезиро­ваны при помощи как полимеризации, так и поликонденсации. Однако, как показывает практика, в одних случаях целесо­образнее применять одну из этих реакций, а в других - дру­гую.

СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ

Свойства высокомолекулярных соединений зависят от строения и формы макромолекул, агрегатного состояния, моле­кулярной массы и других факторов.

В зависимости от того, какое строение имеют полимеры - линейное, разветвленное или трехмерное, регулярно или не­регулярно расположены чередующиеся звенья, свойства поли­меров резко изменяются. Чем регулярнее структура макромо­лекул, тем выше прочность полимера.

Наличие полярных заме­стителей способствует повышению межмолекулярного взаимо­действия и увеличивает жесткость полимера. По этой причине такие полимеры, как полиамиды, поливинилхлорид, поливинилацетат и др., при комнатной температуре неэластичны.

Важной характеристикой полимеров является молекуляр­ная масса. С увеличением молекулярной массы полиме­ра повышаются прочность пленок и волокон, эластич­ность, температура плавления и уменьшается растворимость. Зависимость эластичности полимера от молекулярной массы, длины и конфигурации макромолекул обусловлена различием в продольных и поперечных размерах макроцепей. Длина макромолекул в несколько тысяч раз превышает их попереч­ные размеры. Кроме того, макромолекулы часто имеют спира­левидную форму. Подобно тому, как спиральная стальная пру­жина более гибка, чем прямая проволока, так и гибкость длин­ной изогнутой макромолекулы значительно выше, чем прямой.

Высокомолекулярные соединения существуют в четырех различных физических состояниях, из них три аморфных - стеклообразное, вязкотекучее, высокоэластичное и четвер­тое - кристаллическое состояние. С каждым из этих состояний связан определенный комплекс физических свойств. Аморфные полимеры делятся на три группы. К первой группе относятся все жесткие полимеры, неспособные к растяжению и боль­шим упругим деформациям (полистирол), ко второй - высо­коэластичные полимеры, способные обратимо деформировать­ся на сотни процентов (каучуки, резины), к третьей группе от­носятся пластичные полимеры, обнаруживающие текучесть при воздействии внешних сил (низкомолекулярные полиизобутилены). В зависимости от температуры указанные группы полимеров способны переходить из одного состояния в другое. Так, полистирол при 20°С жесток и находится в стеклообраз­ном состоянии; при 95°С становится эластичным и может быть отнесен ко второй группе; при 140°С размягчается, делается вязкотекучим и приобретает свойства, характерные для треть­ей группы аморфных полимеров.

Под действием различных химических реагентов, света, на­гревания, механических воздействий и других факторов полимеры подвергаются расщеплению с разрывом химических свя­зей в основной цепи макромолекулы. Такие процессы называ­ются реакциями деструкции полимеров. При деструкции сни­жается молекулярный вес, изменяется структура и свойства полимеров. Деструкция может протекать в различных направ­лениях: деполимеризация до мономеров, разрушение до срав­нительно больших осколков, отщепление различных группиро­вок (уксусной кислоты, хлористого водорода), внутримолеку­лярная циклизация и т. д. Термин «деструкция полимеров» ча­сто заменяют термином «старение полимеров».

Для уменьше­ния скорости старения производится стабилизация полимеров. С этой целью к полимерам добавляют специальные вещества - стабилизаторы или антистарители. Благодаря им полимеры сохраняют на многие годы прочность и эластичность.