Высокомолекулярные соединения (стр. 3 из 4)

Несмотря на широкое промышленное использование химических превращений полимеров, до сих пор не проводилось достаточно систематических исследований их химических свойств, и в химии высокомолекулярных соединений главное внимание уделялось методам синтеза полимеров лишьв последние годы реакции высокомолекулярных соединений становятся предметом большого числа исследований, которые должны открыть новые возможности синтеза полимеров с ценными свойствами, а также помочь в выяснении механизма превращений высокомолекулярных соединений в живой природе.

Химические реакции высокомолекулярных соединений не отличаются от реакций классической органической химии, но большая величина и сложность строения макромолекул вносят в эти превращения свои особенности.

В химии высокомолекулярных соединений различают реакции звеньев полимерной цепи и макромолекулярные реакции. Реакции звеньев полимерной цепи приводят к изменению химического состава полимера без существенного изменения степени полимеризации. Такие реакции называются полимераналогичными превращениями:

Это внутримолекулярные химические превращения полимера и реакции его функциональных групп и атомов с низкомолекулярными соединениями.

Макромолекулярные реакции всегда приводят к изменению степени полимеризации, а иногда и структуры основной цепи полимера. К этим реакциям относятся реакции деструкции полимеров, сопровождающиеся уменьшением молекулярного веса, и межмолекулярные реакции, в результате которых образуются пространственные структуры и резко возрастает молекулярный вес полимера.

Особое место среди макромолекулярных реакций занимают реакции концевых групп полимеров, которые, вследствие малого числа этих групп при достаточно большом молекулярном весе полимера, практически не сказываются ни на составе и строении полимера, ни на степени его полимеризации.

Полиминералогичные превращения.

Реакции этого типа были использованы Штаудингером для доказательства макромолекулярного строения природных, а затем и синтетических полимеров. Поливинилацетат был превращен им в поливиниловый спирт, а последний — снова в поливинилацетат:

При этом оказалось, что степень полимеризации продуктов превращения не отличается (в пределах ошибки измерения) от степени полимеризации исходных полимеров.

Нитраты целлюлозы также можно получить без деструкции макромолекулы, если нитровать целлюлозу смесью азотной и фосфорной кислот и фосфорного ангидрида при 0°С. Этот метод нитрования целлюлозы используют для последующего определения ее молекулярного веса.

При полимераналогичных превращениях реакционная способность функциональных групп и атомов не зависит от молекулярного веса полимера. Так, например, реакции щелочного гидролиза протекают практически с одинаковой скоростью и одинаковой энергией активации (28 и 27,5 ккал/моль). Константы скорости гидролиза поливинилацетата и винилацетата одинаковы и т. д.

Свойства функциональных групп при переходе от мономера к полимеру изменяются не больше, чем при переходе от одноатомных низкомолекулярных соединений к многоатомным.

Реакция дегидратации одноатомных спиртов под действием серной кислоты или ее солей является классическим методом получения простых эфиров. В образовании молекулы эфира участвуют две молекулы спирта. Реакция дегидратации гликолей в аналогичных условиях протекает в двух направлениях: с образованием линейных полигликолей или с внутримолекулярной циклизацией (если возможно образование ненапряженных пяти- или шестичленных циклов). Этиленгликоль под действием серной кислоты образует полигликоли или шестичленный циклический эфир 1, 4-диоксан:

Гликоли, у которых гидроксильные группы разделены двумя или тремя метиленовыми группами, дегидратируются с образованием пяти- или шестичленных циклических соединений с эфирной связью.

Роль ВМС в природе.

Живая природа представляет собой форму существования высокомолекулярных соединений. Она развивается в окружении и действии с неорганическим миром, построенным в основном из ВМС. Только вода и воздух распространены на земном шаре так же широко, как ВМС.

Человечество для удовлетворения своих нужд так же создает и использует высокомолекулярные материалы. По своей значимости для человечества с высокомолекулярные материалами конкурируют лишь металлы, как конструкционные материалы, топливо как источник энергии и пищевые продукты. Такое широкое распространение и необычайно высокое значение ВМС вытекает из их общих свойств, обусловленных громадной величиной и сложностью макромолекул.

Как известно из огромного опыта, накопленного химией, с увеличением молекулярного веса химических соединений подвижность молекул уменьшается. Полезно подчеркнуть, что устойчивость ВМС, особенно органических, является следствием не низкого термодинамического потенциала, а малой подвижности громоздких макромолекул и малой скорости диффузионных процессов. Всякие же физико-химические изменения тел – плавление, растворение, кристаллизация, испарение, деформация – неизбежно связаны с перемещением молекул. Для химических превращений, которые невозможны без непосредственного контакта между молекулами реагирующих веществ, тем более требуется перемещение, диффузионное проникновение одного компонента в массу другого. Естественно, что небольшие молекулы низкомолекулярных соединений, будучи значительно подвижнее макромолекул, гораздо легче подвергаются химическим и физико-химическим превращениям. Долговечность объектов живой и мертвой природы была бы ничтожной, если бы он состояли из низкомолекулярных соединений. Органические высокомолекулярные соединения легче подвергаются изменениям, чем неорганические, а поэтому развитие и эволюция живой природы протекают интенсивней развития и эволюции мертвой. Стабильность неорганических высокомолекулярных тел столь велика, что заметные изменения неживой природы требуют огромных периодов времени, составляющих геологические эры.

Благодаря большому числу атомов в макромолекуле, высокомолекулярные соединения могут иметь невообразимое число изомеров даже при простейшем элементарном составе. Так, для предельного углеводорода, содержащего 14 углеродных атомов, число только структурных изомеров равно 1558, а для углерода с 20 углеродными атомами оно достигает 366314, хотя эти углеводороды еще не являются ВМС.

Многообразие ВМС неограниченно. Отсюда вытекает еще большее многообразие явлений природы, особенно жизненных явлений, т.к. подавляющее большинство природных процессов представляют собой процессы образования, изменения и превращения высокомолекулярных тел. Характеризуя значения многообразия органических ВМС, один из создателей макромолекулярной химии – Герман Штаудингер в 1932г. указывал, что для понимания жизненных процессов биологическая химия требует бесконечного числа органических веществ, и, соответственно, бесконечного ряда возможных реакций.

Устойчивость к физико-химическим превращениям и многообразие ВМС являются теми фундаментальными принципами, которые определяют их роль и распространение в природе.

В условиях земного шара непрерывно протекают разнообразные взаимные превращения низко- и высокомолекулярных соединений. Чередование процессов образования и распада ВМС является чрезвычайно важной специфической особенностью конкретного выражения химического движения материи в температурных условиях земного шара. При более высоких температурах должны преобладать взаимные превращения атомов и простейших молекул или процессы в которых наиболее сложные частицы будут свободные атомы.

Низкомолекулярные соединения благодаря своей подвижности легко перемещаются в пространстве, быстро вступают в соприкосновение и взаимодействие друг с другом или с высокомолекулярными соединениями, образуя, видоизменяя или расщепляя последние. Они являются, таким образом, переносчиками макромолекул в природе. Сложность и малая подвижность макромолекул обусловливают длительное существование высокомолекулярных тел и их многообразие.

Конкретные пути образования, изменения и распада высокомолекулярных соединений очень сложны и специфичны. Вместе с тем в природе наблюдается поразительная воспроизводимость процессов образования и превращения сложнейших высокомолекулярных соединений, например белков.

Ответственная роль в биохимическом синтезе белков принадлежит нуклеиновым кислотам, которые определяют его специфичность. В самой структуре нуклеиновых кислот заключены основы точного их воспроизведения и направленного синтеза белковых молекул, а также передачи наследственных признаков организма. В то же время белок-фермент способствует синтезу нуклеиновых кислот, полисахаридов и других высокомолекулярных соединений. Сложный комплекс веществ — белков, нуклеиновых кислот, углеводов и регуляторов их химических превращений — ферментов, гормонов, витаминов — составляет основу жизненного цикла организма.

Значение высокомолекулярных соединений в технике.

Высокомолекулярные соединения являются основной составной частью большого числа конструкционных материалов, применение которых связано с, выполнением тех или иных механических функций. Такие материалы должны обладать высокой прочностью, эластичностью, твердостью, и в этом отношении с высокомолекулярными соединениями могут соперничать лишь металлы.