Високомолекулярні сполуки. Полімери

Високомолекулярні сполуки. Полімери

Високомолекулярні сполуки (ВМС) — хімічні сполуки, що мають молекулярну масу від декількох тисяч до кількох мільйонів а.о.м. Молекули таких сполук називають макромолекулами. Основну частину ВМС складають полімери — сполуки, побудовані з повторюваних фрагментів (мономерів). Окрім них достатньо велику молекулярну масу мають і деякі речовини неполімерної природи, наприклад, таніни. Що таке ВМС?

у процесах життєдіяльності: білки (желатин, крохмаль), нуклеїнові кислоти та інші біополімери;у техніці та побуті: целюлоза та її похідні, шерсть, бавовна, пластмаси, різноманітні синтетичні смоли та ін.; у медицині: інструментарій, предмети догляду за хворими, протези та ін.; у фармації: для виготовлення оболонок капсул, як покриття і складові частини таблеток, допоміжні речовини для створення мазей та пластирів. ВМС мають важливе практичне значення

За походженням їх поділяють на: Природні, або біополімери (білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди тощо)Синтетичні (поліетилен, полістирол, полівініл­хлорид та ін.)Класифікація ВМС

За структурою полімерного ланцюга розрізняють: Лінійні ВМС, макромолекули яких є відкритими лінійними ланцюгами (наприклад, натуральний каучук) або витягнутою у лінію послідовністю циклів (наприклад, целюлоза) мал.а. Розгалужені ВМС, макромолекули яких мають лінійний ланцюг з відгалуженнями (напр. амілопектин) мал.б. Сіт­часті ВМС — тривимірні сітки, утворені відрізками ланцюгів макромолекул (наприклад, вулканізований каучук) мал.в. Класифікація ВМС

За хімічним складом макромолекули розрізняють: Гомополімери (полімер, утворений з одного мономера, наприклад, поліетилен) Співполімери (полімер, утворений з різних мономерів, наприклад, бутадієн-стирольний каучук). ВМС, які складаються з однакових мономолекулярних ланок, але відрізняються за мол.м, називаються полімергомологами. Класифікація ВМС

За складом головного ланцюга макромолекули всі ВМС поділяють на два класи: Гомоланцюгові, головні ланцюги яких побудовані з однакових атомів. Гетероланцюгові, в головному ланцюгу яких містяться атоми різних елементів, найчастіше C, N, Si, P. Класифікація ВМС

За формою макромолекул розрізняють: Глобулярні ВМС-макромолекули у вигляді згорнутих кульовидних утворень-глобул (рослинний білок, кров’яні тільця)Фібрилярні ВМС-лінійні або слаборозгалужені макромолекули, що агрегуються за рахунок міжмолекулярної взаємодії з утворенням фібрил (целюлоза, колаген) Класифікація ВМС

За фазовим станом ВМС можуть бути: Кристалічними (фібрил, сферолітів, монокристалів)Аморфними (склоподібний, високоеластичний, в’язкоплинний)Класифікація ВМС

Хімічний склад, мол. м., стереохімічна будова, ступінь розгалуження і гнучкість макромолекулярних ланцюгів. ВМС володіють специфічним комплексом фізико-хімічних властивостей. Специфічні властивості полімерів зумовлені двома особливостями:Існуванням двох типів зв’язків — хімічних і міжмолекулярних, які утримують макромолекулярні ланцюги один біля одного. Гнучкістю ланцюгів, пов’язаною з внутрішнім обертанням ланок ланцюга. Основні характеристики ВМС

З’єд­нання макромолекул поперечними хіміч­ними зв’язками (наприклад, вулканізація каучуків, тверднення реактопластів)ВМС можуть вступати у такі реакції

Розпадання молекулярних ланцюгів на більш короткі фрагменти (деструкція полімерів)ВМС можуть вступати у такі реакції

Реакції макромолекул з низькомолекулярними сполуками, коли змінюється природа бокових функціональних груп, але зберігаються довжина і будова скелета головного ланцюга (полімераналогічні перетворення), наприклад, приєднання до полімерів ферментів, вітамінів, гормонів тощо. ВМС можуть вступати у такі реакції

Внутрішньомолекулярні реакції між функціональними групами однієї макромолекули, (наприклад, внутрішньомолекулярна циклізація)ВМС можуть вступати у такі реакції

Внутрішньомолекулярні реакції між функціональними групами однієї макромолекули, (наприклад, внутрішньомолекулярна циклізація)Синтетичні ВМС одержують з низькомолекулярних речовин методами: Полімеризації – процес сполучення великого числа мономерів, які мають кратні зв’язки (реакція не супроводжується виділенням побічних продуктів)Поліконденсації – процес сполучення молекул однакової або різної будови, котрий супроводжується виділенням низькомолекулярних речовин (вихідні мономери повинні мати не менше як дві функціональні групи) Отримання ВМС

При полімеризації та поліконденсації отримують макромолекули різних розмірів, котрі побудовані за одним принципом з однакових мономерних залишків. Це явище називається полідисперсність ВМС. Полідисперсність ВМС

Властивості ВМС залежать від величини і форми їх молекули. Так, ВМС, що мають сферичні молекули (гемоглобін, глікоген, пепсин, трипсин, панкреатин та ін.) зазвичай являють собою порошкоподібні речовини і при розчиненні майже не набухають. Розчини цих речовин мають малу в'язкість навіть при порівняно великих концентраціях і підкоряються законам дифузії й осмотичного тиску. ВМС із дуже асиметричними лінійними (розгалуженими), витягнутими молекулами (желатин, целюлоза та її похідні) при розчиненні дуже набухають і утворюють високов'язкі розчини, що не підкоряються закономірностям, властивим для розчинів низькомолекулярних речовин. Набухання розчинів ВМС

Сполука спочатку поглинає розчинник, а потім при тій же температурі переходить у розчин. При обмеженому набуханні високомолекулярна сполука поглинає розчинник, а сама в ньому не розчиняється, скільки б часу вона не знаходилась у контакті. Необмежене набухання закінчується розчиненням

Обмежене набухання закінчується утворенням еластичного гелю. Однак обмежене набухання, обумовлене обмеженим розчиненням, часто при зміні умов переходить у необмежене. Так, желатин і агар-агар, що набухають обмежено в холодній воді, у теплій воді набухають необмежено, чим користуються при розчиненні цих речовин.

Розчини ВМС є агрегативно стійкими. При уведенні великих кількостей електролітів спостерігається виділення ВМС з розчину, тобто його розшарування. Це явище називається висолюванням і є оборотнім процесом: після видалення електроліту ВМС можна знову розчинити з утворенням істинного розчину. Це явище пояснюється тим, що розчинність ВМС в електролітах буде зменшуватись. За висолюючою здатністю катіони і аніони утворюють ліотропні ряди, що відповідають ступеню їх гідратаціїАгрегативна стійкість розчинів ВМС

По характері в’язкої течії рідинні дисперсні системи поділяються на дві груп:структуровані системи – містять частки, взаємодіючі один з одним і з дисперсійним середовищем (розчини ВМС, концентровані емульсії і суспензії)безструктурні системи, частки яких більш-менш вільні і майже не взаємодіють один з одним (розчини низькомолекулярних речовин, розведені емульсії, суспензії і золі)В'язкість розчинів ВМС

Фармакопейним методом визначення в’язкості розчинів ВМС є метод віскозіметрії, заснований на вимірюванні часу протікання рідини через капіляр віскозиметра. Віскозіметр Оствальда

явище ізотермічного оборотного переходу золь ↔ гель; для високомолекулярних речовин — здатність розплавів та концентрованих розчинів високомолекулярних речовин до ізотермічних оборотних процесів розрідження — згущення під дією деформацій. Тиксотропія

процес утворення двох макрофаз — драглеподібної й рідкої в драг­лях високомолекулярних речовин ВМС при стоянніСинерезис проходить у живих клітинах, чим пояснюється жорсткість м’яса старих тварин та зниження еластичності тканин людини з віком. Синерезис

виділення нової фази у вигляді дрібних краплинок у розчинах високомолекулярних речовин (ВМС), яке відбувається при зміні температури, р. Н або при додаванні до розчину низькомолекулярних речовин. Коацервація