Министерство образования Российской Федерации
Тверской государственный университет
Кафедра физической химии.
Реферат
Тема:
«Самоорганизация полимеров»
Выполнил: студент
1-го курса магистратуры
В.В. Новиков
Проверил:
проф. д.х.н. Ю.Г. Папулов
Тверь 2002
Содержание
Введение
1. Самоорганизация.
1.1. Самоорганизация синтетических полимеров.
1.2. Самоорганизация в живой природе.
1. Введение
Известно, что многие макромолекулы, содержащие атомные группы различной химической природы, способны самопроизвольно образовывать сложные трёхмерные ансамбли. Это явление называется самоорганизация. В живом мире примеров подобной самоорганизации не перечесть, это и вирусы, и рибосомы, и белковые волокна, и мембраны, и ферментные комплексы. Все они не синтезируются целиком, а собираются из макромолекулярных субъединиц. Известно также, что многие синтетические полимеры тоже способны организовывать сложные структуры. Эти структуры представляют огромный практический интерес. В настоящее время процессы самоорганизации интенсивно изучаются. Огромную роль в этом играют методы компьютерного моделирования.
В повседневной практике мы часто сталкиваем с явлением самоорганизации молекул, например когда имеем дело с водными растворами моющих средств. Обычные мыла способны образовывать в водном окружении агрегаты или кластеры различной формы. Простейшим агрегатом является мицелла - устойчивая группа из нескольких десятков молекул, например н-октаноата калия. Это соединение представляет собой типичную амфифильную молекулу (от греч. амфи, означающего "с двух сторон", и фило - "любящий"). В ее состав входит углеводородный "хвост" CH3(CH2 )7-, лишь незначительно растворимый в воде, и полярная "голова" которая обладает прекрасной растворимостью. Поскольку две части с резко различающейся растворимостью химически связаны между собой, возникающий между ними "конфликт интересов" может быть разрешен путем объединения нескольких молекул в мицеллярный агрегат, внешняя оболочка которого состоит из контактирующих с водой полярных групп, а внутренняя область (ядро) заполнена неполярными группами и практически не содержит воды . Таким образом, каждая из частей амфифила попадает в благоприятное окружение. При подходящих концентрациях и температурах процесс молекулярной сборки протекает самопроизвольно, а формировавшаяся супрамолекулярная структура термодинамически стабильна.
Мыла - это лишь частный пример гораздо более широкого класса веществ, способных к самоорганизации. Особое место в этом ряду занимают различные типы ассоциирующих полимерных макромолекул, устроенных подобно обычным амфифилам и поэтому проявляющие сходное поведение. Однако формы самоорганизации полимеров могут быть гораздо более разнообразными. Варьируя химическое строение синтезируемых макромолекул, природу и распределение функциональных групп, удается гибко управлять процессом молекулярной сборки, добиваясь получения сложных регулярных наноструктур с уникальными свойствами.
Целью данной работы является обзор проблем, связанных с явлением самоорганизации полимеров, а также методов исследования процессов самоорганизации. В частности остановимся на компьютерном моделировании.
1. Самоорганизация
1.1. Самоорганизация полимеров
Движущие силы самоорганизации
Способность молекул-двулюбов (в том числе и полимерных) к самоорганизации определяется несколькими факторами. Прежде всего необходима достаточно четко выраженная конкуренция различных взаимодействий между их частями или атомными группировками (которые для удобства будем обозначать в общем виде буквами А и В). Поскольку группы А и В входят в состав одной и той же молекулы и именно характер их взаимодействия диктует в конечном итоге специфику поведения системы, соответствующие молекулы иногда называют молекулами с тандемным взаимодействием.
Гидрофобные и электростатические взаимодействия
Для водных систем важнейшими являются гидрофобные и электростатические взаимодействия. Под гидрофобными взаимодействиями понимают силы эффективного притяжения между окруженными водой неполярными органическими группами (для определенности будем считать, что это группы типа А). Такие силы имеют в основном энтропийную природу. Их происхождение объясняется нарушением характерной для воды сетки водородных связей при внедрении чужеродной молекулы или атомной группировки.
Гидрофобное притяжение, подобно ван-дер-ваальсовским взаимодействиям атомов, распространяется на небольшие расстояния - порядка нескольких атомных диаметров. Электростатические силы являются дальнодействующими: известно, что потенциальная энергия системы из двух заряженных частиц определяется законом Кулона, то есть медленно убывают с ростом расстояния r между зарядами. Наличие заряженных групп характерно как для низкомолекулярных амфифилов, так и для многих синтетических и природных полимеров - представителей класса так называемых ионсодержащих макромолекул.
Диссоциация солей жирных кислот в воде или других сильно полярных растворителях приводит к образованию заряженных групп -CO2 и контрионов (K+,Na+).
Образование агрегатов в полярных средах
Аналогичным образом ведут себя в полярных средах ионсодержащие полимеры, например полиакрилат натрия или полиметакрилат натрия.
При сильной диссоциации их звенья приобретают отрицательные заряды, и каждую макромолекулу можно рассматривать как полианион. При этом система в целом представляет собой полиэлектролит, в котором число отрицательных и положительных зарядов одинаково. Возможно образование и поликатионов - цепей с положительно заряженными звеньями.
Типичный пример - полидиаллилдиметиламмоний хлорид, при диссоциации которого возникают отрицательно заряженные контрионы Cl- . Поскольку в рассмотренных полимерах каждое звено обладает зарядом (такие макромолекулы называют сильно заряженными), кулоновские взаимодействия приводят к отталкиванию одноименно заряженных звеньев. Обычно такие силы заметно преобладают над гидрофобным притяжением. Более благоприятного баланса противоборствующих сил можно добиться понизив долю заряженных звеньев, например в результате сополимеризации диссоциирующих и недиссоциирующих мономеров, либо используя макромолекулы, суммарный заряд которых зависит от pH среды. К числу pH-зависимых полиэлектролитов относятся полиакриловая и полиметакриловая кислоты. При низких pH их звенья не заряжены, однако при добавлении щелочи (NaOH) цепи приобретают заряд, величину которого легко регулировать концентрацией NaOH.
Тем самым можно плавно переходить от слабо заряженных к сильно заряженным полиэлектролитам и, следовательно, менять баланс сил притяжения и отталкивания между группами А и В типов.
Образование агрегатов в неполярных средах
Образование агрегатов из амфифильных молекул возможно и в неполярных средах. В данном случае группировки типа -СО2- К+ практически не диссоциируют на ионы, и между диполями разных молекул возникает короткодействующее диполь-дипольное притяжение. За счет взаимного притяжения «голов» и стремления углеводородных «хвостов» попасть в окружение неполярного растворителя могут формироваться так называемые инвертированные мицеллы. Теперь уже полярные части молекул составляют плотное мицеллярное ядро, а неполярные «хвосты» экранируют его от гидрофобного растворителя. Ионсодержащие полимеры, растворенные в малополярных растворителях или находящиеся в расплавленном состоянии, демонстрируют сходное поведение. Комплекс из ионогенной группы и контриона принято называть ионной парой, макромолекулу с редко расположенными вдоль цепи ионными парами - иономером, а ассоциат из ионных пар - мультиплетом. Здесь мы опять сталкиваемся с такой ситуацией, когда между различными группами А и В существует конкуренция сил притяжения и отталкивания.
Заметим, что формирование устойчивых ассоциатов возможно не только за счет гидрофобных или ионных взаимодействий, но и в результате возникновения межмолекулярных водородных связей, комплексов с переносом заряда, координационных комплексов и т.д.
Формирование организованных макроструктур
Хотя природа взаимодействий, определяющих агрегацию низкомолекулярных амфифилов и их полимерных аналогов, идентична, между этими классами соединений есть важное отличие. Специфика макромолекул состоит в том, что они построены из большого числа звеньев N » 103 -105 , которые из-за ковалентной связанности не могут двигаться независимо друг от друга. Данное обстоятельство служит главной причиной повышенной способности полимеров к структурообразованию. Хорошо известно, что два различных полимера А и В с достаточно большими длинами цепей NА и NВ в большинстве случаев не смешиваются друг с другом ни при каких температурах. Даже очень малых отличий в величине ван-дер-ваальсовых взаимодействий звеньев А и В типов порой достаточно для расслоения (сегрегации) компонентов. В этом отношении наиболее ярким примером является расслоение раствора обычного и дейтерированного полиэтилена. Сильная тенденция к сегрегации как раз и связана с аномально низкой энтропией смешении полимеров благодаря чему энергетические факторы, направленные на разделение компонентов, преобладают над тепловым движением, способствующим перемешиванию молекул. В то же время если цепи А и В химически соединены в одну макромолекулу (блочный сополимер), раствор или расплав таких макромолекул не могут расслоиться на две макроскопические фазы. В этом случае стремление к сегрегации блоков А и В способно приводить к микрофазному разделению, результатом которого является формирование мицеллярных или иных типов организованных структур.