Синтез высокомолекулярных соединений
Природные (естественные) высокомолекулярные соединения образуются в процессе биосинтеза в клетках растений и живых организмов, и для использования выделяются из растительного и животного сырья с помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов.
Природные неорганические высокомолекулярные соединения образуются в результате геохимических процессов, происходящих в земной коре.
Искусственные высокомолекулярные соединения получают путем химической модификации природных высокомолекулярных соединений за счет протекания химических реакций природного полимера с различными природными агентами.
Так, например, сырьем для целого ряда искусственных высокомолекулярных соединений служит древесина или хлопковая целлюлоза, путем обработки которой смесью азотной и серной кислоты получают нитраты целлюлозы, один из которых коллоксилин, используется в качестве основного компонента (связующего) для получения целлулоидного этрола, пленок и лаков.
При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом получаются уксуснокислые эфиры целлюлозы — ацетаты целлюлозы, которые используются для получения ацетатного шелка, ацетилцеллюлозного этрола, лаков.
Синтетические высокомолекулярные соединения получают из низкомолекулярных веществ — мономеров — по реакциям полимеризации или поликонденсации.
Синтез высокомолекулярного вещества из низкомолекулярных веществ (мономеров) возможен лишь только в том случае, если молекула мономера может взаимодействовать по крайней мере с двумя другими молекулами, т.е. если исходное вещество имеет в своей структуре двойные связи или является по меньшей мере бифункциональным, т.е. содержит не менее двух функциональных групп, которые могут взаимодействовать между собой. К функциональным группам относятся кислород-азот-серосодержащие группы типа
и др.
Характерной особенностью высокомолекулярных соединений является влияние условий проведения синтеза на свойства образующегося продукта. Этим синтез высокомолекулярных соединений отличается от синтеза низкомолекулярных веществ, где изменение условий проведения реакции влияет только на количественный выход продукта.
В зависимости от метода и условий синтеза высокомолекулярного соединения изменяется его средняя молекулярная масса, а также количество макромолекул различной длины (изменяется полидисперсность полимера).
Величина средней молекулярной массы и степень полидисперсности влияют на возможность формирования физической структуры высокомолекулярного соединения, его физико-химические и физико-механические свойства.
В настоящее время известно четыре основных метода синтеза высокомолекулярных соединений:
1. Полимеризация;
2. Поликонденсация;
3. Ступенчатая полимеризация;
4. Реакции превращения.
Наиболее распространенными из них являются два первых метода.
Полимеризация представляет собой цепную реакцию получения высокомолекулярных соединений, в ходе которой молекулы мономера последовательно присоединяются к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи.
Реакция полимеризации характерна для соединений с двойными связями, число и характер которых в молекуле мономера могут быть различными.
Полимеризация не сопровождается выделением побочных продуктов и, следовательно, протекает без изменения элементарного состава реагирующих веществ.
Активными центрами в реакциях полимеризации могут являться либо свободный радикал, либо ион. В зависимости от этого различают радикальную или ионную полимеризацию.
При радикальной полимеризации активными центрами являются свободные радикалы — электронейтральные частицы, имеющие один неспаренный электрон, благодаря чему свободные радикалы легко вступают в реакции с различными мономерами.
При ионной полимеризации активными центрами являются положительно и отрицательно заряженные частицы — ионы, образующиеся в присутствии катализаторов, в качестве которых выступают соединения металлов, легко отдающие или принимающие электроны.
В отличие от инициаторов радикальной полимеризации, катализаторы, активирующие процесс ионной полимеризации, в ходе протекающих реакций не расходуются и не входят в состав полимера.
Поликонденсация — это реакция образования высокомолекулярных соединений из нескольких молекул мономеров одинакового или различного строения, протекающая по механизму замещения функциональных групп.
Реакции поликонденсации протекают с выделением низкомолекулярных продуктов (воды, аммиака, спирта, хлористого водорода и др.), вследствие чего элементарный состав образующегося полимера отличается от элементарного состава исходного вещества — мономера. Непременным условием протекания реакции поликонденсации является содержание в мономерах не менее двух функциональных групп (- ОН, -СООН, NH2 и др.). Функциональность исходных веществ оказывает большое влияние на строение и свойства получаемых продуктов.
В том случае, если в качестве мономеров используются три- или тетрафункциональные мономеры, реакция их поликонденсации приводит к образованию пространственно-сшитых высокомолекулярных соединений.
Известно несколько способов проведения реакций синтеза (полимеризации или поликонденсации) высокомолекулярных соединений:
полимеризация и поликонденсация в блоке или массе;
полимеризация и поликонденсация в растворе;
полимеризация и поликонденсация на поверхности раздела фаз (эмульсионная или суспензионная);
полимеризация и поликонденсация в расплаве;
полимеризация и поликонденсация в твердой фазе;
полимеризация в газовой фазе.
Каждый из применяемых методов проведения реакций синтеза высокомолекулярных соединений имеет свои достоинства и недостатки, с учетом которых и производится выбор метода синтеза высокомолекулярного соединения, технологического режима его осуществления, требуемой чистоты получаемого продукта и технологии его переработки с целью изготовления тех или иных изделий, а также необходимости получения материалов и изделий с оптимальным комплексом потребительских свойств.