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高分子化合物

高分子化合物参见高分子。

高分子化合物(Macro Molecular Compound):所谓高分子化合物,是指那些由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子量在一万以上的化合物。

定义:由千百个原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化合物。

是由一类相对分子质量很高的分子聚集而成的化合物,也称为高分子、大分子等。

一般把相对分子质量高于10000的分子称为高分子。

高分子通常由103~1 05个原子以共价键连接而成。

由于高分子多是由小分子通过聚合反应而制得的,因此也常被称为聚合物或高聚物,用于聚合的小分子则被称为“单体”。

举例:纤维素、蛋白质、蚕丝、橡胶、淀粉等天然高分子化合物,以及以高聚物为基础的合成材料,如各种塑料,合成橡胶,合成纤维、涂料与粘接剂等。

有机高分子化合物可以分为天然有机高分子化合物(如淀粉、纤维素、蛋白质天然橡胶等)和合成有机高分子化合物(如聚乙烯、聚氯乙烯等等),它们的相对分子质量可以从几万直到几百万或更大,但他们的化学组成和结构比较简单,往往是由无数(n)结构小单元以重复的方式排列而成的。

高分子化合物(又称高聚物)的分子比低分子有机化合物的分子大得多。

一般有机化合物的相对分子质量不超过1000,而高分子化合物的相对分子质量可高达104~106。

由于高分子化合物的相对分子质量很大,所以在物理、化学和力学性能上与低分子化合物有很大差异。

高分子化合物的相对分子质量虽然很大,但组成并不复杂,它们的分子往往都是由特定的结构单元通过共价键多次重复连接而成。

同一种高分子化合物的分子链所含的链节数并不相同,所以高分子化合物实质上是由许多链节结构相同而聚合度不同的化合物所组成的混合物,其相对分子质量与聚合度都是平均值。

高分子化合物几乎无挥发性,常温下常以固态或液态存在。

固态高聚物按其结构形态可分为晶态和非晶态。

前者分子排列规整有序;而后者分子排列无规则。

同一种高分子化合物可以兼具晶态和非晶态两种结构。

大多数的合成树脂都是非晶态结构。

组成高分子链的原子之间是以共价键相结合的,高分子链一般具有链型和体型两种不同的形状。

当今世界上作为材料使用的大量高分子化合物,是以煤、石油、天然气等为起始原料制得低分子有机化合物,再经聚合反应而制成的。

这些低分子化合物称为“单体”,由它们经聚合反应而生成的高分子化合物又称为高聚物。

通常将聚合反应分为加成聚合和缩合聚合两类,简称加聚和缩聚。

由一种或多种单体相互加成,结合为高分子化合物的反应,叫做加聚反应。

在该反应过程中没有产生其他副产物,生成的聚合物的化学组成与单体的基本相同。

缩聚反应是指由一种或多种单体互相缩合生成高聚物,同时析出其他低分子化合物(如水、氨、醇、卤化氢等)的反应。

缩聚反应生成的高聚物的化学组成与单体的不同。

高分子从相对分子质量到组成,从结构到性能,从合成到应用,都有其自身的规律。

为了合成它、利用它,需先建立一些必要的基本概念。

一、高分子的相对分子质量通常低分子的相对分子质量是在一千以下,而高分子的相对分子质量是在五千以上, 因此,相对分子质量很大是高分子化合物的特征,是高分子同低分子最根本的区别,亦是高分子物质具有各种独特性能,如比重小、强度大,具有高弹性和可塑性等的基本原因。

至于相对分子质量介于一千至五千之间的物质是属低分子还是属高分子,这要由它们的物理机械性能来决定。

一般来说,高分子化合物具有较好的强度和弹性。

而低分子化合物则没有,也就是说,其相对分子质量必须达到其物理机械性能方面与低分子化合物具有明显差别时,才能称为高分子化合物。

高分子的相对分子质量虽然很大,但其化学组成一般都比较简单,常由许多相同的链节以共价键重复结合而成高分子链。

例如,聚氯乙烯是由许多氯乙烯分子聚合而成的:象氯乙烯这样聚合成高分子化合物的低分子化合物称为单体。

组成高分子链的重复结构单位(如—CH2—CHCI—)称为链节。

链节数目n称为聚合度。

因此,高分子的相对分子质量=聚合度×链节量。

应该指出,目前合成高分子的技术还不可能象在生物体内合成蛋白质那样严格、精确——具有一定的顺序、结构和相对分子质量,所以,合成的高分子链的聚合度总是不同的,也就是说,同一种合成的高分子化合物中各个分子的相对分子质量大小总是不同的(当然,合成的蛋白质如胰岛素是例外)。

因此,合成高分子化合物实际上是相对分子质量大小不同的同系混合物。

我们讲的高分子化合物的相对分子质量指的是平均相对分子质量,聚合度也是平均聚合度。

高分子化合的中相对分子质量大小不等的现象称为高分子的多分散性(即不均一性)。

这种现象在低分子中不存在,但以高分子化合物的性能却有很大的影响,一般来说,分散性越大,性能越差。

相对分子质量和分散性问题都是合成高分子时必须注意控制的一个问题。

二、高分子化合物的特点高分子同低分子比较,具有如下几个特点:1、从相对分子质量和组成上看高分子的相对分子质量很大,具有“多分散性”。

大多数高分子都是由一种或几种单体聚合而成。

2、从分子结构上看高分子的分子结构基本上只有两种,一种是线型结构,另一种是体型结构。

线型结构的特征是分子中的原子以共价键互相连结成一条很长的卷曲状态的“链”(叫分子链)。

体型结构的特征是分子链与分子链之间还有许多共价键交联起来,形成三度空间的网络结构。

这两种不同的结构,性能上有很大的差异。

1、从性能上看高分子由于其相对分子质量很大,通常都处于固体或凝胶状态,有较好的机械强度;又由于其分子是由共价键结合而成的,故有较好的绝缘性和耐腐蚀性能;由于其分子链很长,分子的长度与直径之比大于一千,故有较好的可塑性和高弹性。

高弹性是高聚物独有的性能。

此外,溶解性、熔融性、溶液的行为和结晶性等方面和低分子也有很大的差别。

以上几点,归根结蒂是高分子的运动形态和低分子的运动形态不同的缘故。

这就是高分子要从普通有机化学中独立出来研究,成为一门新学科——高分子化学的根本原因。

三、高分子化合物的分类和命名高分子化合物的种类很多,主要分类方法有如下四种:1、按来源分类可把高分子分成天然高分子和合成高分子两大类。

2、按材料的性能分类可把高分子分成塑料、橡胶和纤维三大类。

塑料按其热熔性能又可分为热塑料(如聚乙烯、聚氯乙烯等)和热固性塑料(如酚醛树脂、环氧权脂等)两大类。

前者为线型结构的高分子,受热时可以软化和流动,可以反复多次塑化成型,次品和废品可以回收利用,再加工成产品。

后者为体型结构的高分子,一经成型便发生固化,不能再加热软化,不能反复加工成型,因此,次品和废品没有回收利用的价值。

塑料的共同特点是有较好的机械强度(尤其是体形结构的高分子),作结构材料使用。

纤维又可分为天然纤维和化学纤维。

后者又可分为人造纤维(如粘胶纤维、醋酸纤维等)和合成纤维(如尼龙、涤纶等)。

人造纤维是用天然高分子(如短棉绒、竹、木、毛发等)经化学加工处理、抽丝而成的。

合成纤维是用低分子原料合成的。

纤维的特点是能抽丝成型,有较好的强度和挠曲性能,作纺织材料使用。

橡胶包括天然胶和合成橡胶。

橡胶的特点是具有良好的高弹性能,作弹性材料使用。

3、按用途分类可分为通用高分子,工程材料高分子,功能高分子,仿生高分子,医用高分子,高分子药物,高分子试剂,高分子催化剂和生物高分子等。

塑料中的“四烯”(聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯),纤维中的“四纶”(锦纶、涤纶、腈纶和维纶),橡胶中的“四胶”(丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶和乙丙橡胶)都是用途很广的高分子材料,为通用高分子。

工程塑料是指具有特种性能(如耐高温、耐辐射等)的高分子材料。

如聚甲醛、聚碳酸酯、聚砚、聚酰亚胺、聚芳醚、聚芳酰胺和含氟高分子、含硼高分子等都是较成熟的品种,已广泛用作工程材料。

离子交换树脂、感光性高分子、高分子试剂和高分子催化剂等都属功能高分子。

医用高分子、药用高分子在医药上和生理卫生上都有特殊要求,也可以看作是功能同分子。

4、按高分子主链结构分类可分为碳链高分子、元素有机高分子和无机高分子四大类。

碳链高分子的主链是由碳原子联结而成的。

如杂链高分子的主链除碳原子外,还含有氧、氮、硫等其他元素。

如:元素有机高分子主链上不一定含有碳原子,而是由硅、氧、铝、钛、硼等元素构成,但侧基是有机基团。

如:无机高分子是主链和侧链基团均由无机元素或基团构成的。

如:高分子化合物的系统命名比较复杂,实际上很少使用,习惯上天然高分子常用俗名。

合成高分子则通常按制备方法及原料名称来命名,如用加聚反应制得的高聚物,往往是在原料名称前面加个“聚”字来命名。

例如,氯乙烯的聚合物称为聚氯乙烯,苯乙烯的聚合物称为聚苯乙烯等。

如用缩聚反应制得的高聚物,则大多数是在简化后的原料名称后面加上“树脂”二字来命名。

例如,酚醛树脂、环氧树脂等。

加聚物在未制成制品前也常有“树脂”来称呼。

例如,聚氯乙烯树脂,聚乙烯权脂等。

此外,在商业上常给高分子物质以商品名称。

例如,聚己内酰胺纤维称为尼龙—6,聚对苯二甲酸乙二酯纤维称为的确良,聚丙烯腈纤维称为腈纶等。

第二节高分子的结构和性能的关系高分子化合物分子的大小对化学性质影响很小,一个官能团,不管它在小分子中或大分子中,都会起反应。

大分子与小分子的不同,主要在于它的物理性质,而高分子之所以能用作材料,也正是由于这些物理性质。

下面简要讨论高分子的结构与物理性能的关系。

一、高分子的两种基本结构及其性能特点高分子的分子结构可以分为两种基本类型:第一种是线型结构,具有这种结构的高分子化合物称为线型高分子化合物。

第二种是体型结构,具有这种结构的高分子化合物称为体型高分子化合物。

此外,有些高分子是带有支链的,称为支链高分子,也属于线型结构范畴。

有些高分子虽然分子链间有交联,但交联较少,这种结构称为网状结构,属体型结构范畴。

在线型结构(包括带有支链的)高分子物质中有独立的大分子存在,这类高聚物的溶剂中或在加热熔融状态下,大分子可以彼此分离开来。

而在体形结构(分子链间大量交联的)的高分子物质中则没有独立的大分子存在,因而也没有相对分子质量的意义,只有交联度的意义。

交联很少的网状结构高分子物质也可能被分离的大分子存在(犹如一张张“鱼网”仍可以分开一样)。

应该指出,上述两种基本结构实际上是对高分子的分子模型的直观模拟,而分子的真实精细结构除了少数(如定向聚合物)外,一般并不清楚。

两种不同的结构,表现出相反的性能。

线型结构(包括支链结构)高聚物由于有独立的分子存在,故具有弹性、可塑性,在溶剂中能溶解,加热能熔融,硬度和脆性较小的特点。

体型结构高聚物由于没有独立大分子存在,故没有弹性和可塑性,不能溶解和熔融,只能溶胀,硬度和脆性较大。

因此从结构上看,橡胶只能是线型结构或交联很少的网状结构的高分子,纤维也只能是线型的高分子,而塑料则两种结构的高分子都有。

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