Wykład 1

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW)

Uniwersytet Jagielloński

Kraków, 2003-2004

Stanisław Penczek

Polska Akademia Nauk

Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych, Łódź

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW)

Terminy i program wykładu:

- piątki, 12:00-14:00; co dwa tygodnie, 2 semestry, ~30 godzin

1. Makrocząsteczki/polimery; definicje, podstawowe pojęcia

2. Masy cząsteczkowe, masy molowe makrocząsteczek. Mikrostruktura.

Polikondensacja. Polimeryzacja łańcuchowa, kinetyka, mechanizmy. Termodynamika.

3. Nowe metody polireakcji.

4. Topologia. Dendrymery, gwiazdy, szczotki, kopolimery multiblokowe

5. Biomakrocząsteczki, biopolimery, polimery biomedyczne

6. Polimery o znaczeniu przemysłowym. Nano-bio-info. Ważniejsze nowe zastosowania

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW)

- makrocząsteczka- makromolekuła (cząsteczka polimeru): pojedyncza (oddzielna) wielka cząsteczka („makro”)

makrocząsteczka → polimer

- polimer: (substancja) skupisko makrocząsteczek

(często zamiast słowa „makrocząsteczka” używa się terminu „polimer”,

ale nigdy odwrotnie)

POLIMERY i MAKROCZĄSTECZKI

C CHH

H H

CC

CC

CC

CC

CC

H H H H H

H H H H HH H H H H

H H H H HC

CC

CC

CC

CC

C

H H H H H

H H H H HH H H H H

H H H H HC

CC

CC

CC

CC

C

H H H H H

H H H H HH H H H H

H H H H H

polietylen- makrocząsteczka

etylen (monomer)

POLIMERY i MAKROCZĄSTECZKI

polisiarka

cyklooktasiarka (monomer)

...S

SS

SS

SS

SS

SS

SS

SS

SS

SS

S ...

sss

ssss

s

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW)

Makrocząsteczki, polimery- skąd wiadomo, że są długimi łańcuchami, w których elementy połączone są (na ogół) wiązaniami kowalencyjnymi?

Herman Staudinger (~1920) ( Nagroda Nobla 1953 )

- lepkość roztworów i grupy końcowe- HOCH2CH2(OCH2CH2)nOH :

im mniej grup końcowych - tym większa lepkość r.ru(wcześniejsza hipoteza <np. E. Fischer, in.>

agregaty substancji małocząsteczkowych)

HO HO HO.. ..

HO HO HO.. ..

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW)

Zdjęcie w mikroskopie elektronowym kolistej cząsteczki DNA

NN

O

NH HC

NHO

R

R'

NN

O

N HHC

N HO

R

R'

MAKROCZĄSTECZKI (POLIMERY) SUPRAMOLEKULARNE POŁĄCZONE WIĄZANIAMI WODOROWYMI

R.Nolte, wykład : Piza 09.2002

J.M.Lehn :Chemia supramolekularna

A transparent flexible RNA-aligned film prepared by casting organosoluble RNA/lipid complexes and subsequent uniaxial stretching.

Yu Hoshino a.o., Macromol. Rapid Commun., 2002, 23, No. 4, 253

Polimery technicznie użyteczne (folia) z RNA z przeciwjonem lipidowym

Przezroczysta i elastyczna folia otrzymana z połączenia kompleksowego RNA i soli amoniowej ( z r-ru w rozpuszczalniku organicznym i z jedoosiowym rozciągiem).

BIO – Techno - Nano

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW)

kiedy cząsteczka jest już makrocząsteczką ? : kiedy pojawią się właściwości typowe dla polimerów

cząsteczka polietylenu (makrocząsteczka)

masa molowa 10.000- 3.000.000ogniwo łańcucha (jednostka powtarzalna), powtórzone tysiąc lub więcej razy (ponad milion w biomakrocząsteczkach DNA)

Atomy, cząsteczki (małe) i makrocząsteczki (wielkie)masa cząsteczkowa

CZĄSTECZKA -MAKROCZĄSTECZKA ?

"n" w CnH2n+2

10 100 1000 10000

Tem

pera

tura

topn

ieni

a / o C

-100

-50

0

50

100

150

Dla dostatecznie dużych długości łańcucha CH3-CnH2n-CH3 niektóre właściwości cząsteczki praktycznie przestają zależeć od „n” (i od grup końcowych) - wówczas mamy do czynienia z makrocząsteczką

...CC

CC

CC

CC

CC

H H H H H

H H H H HH H H H H

H H H H HC

CC

CC

CC

CC

C

H H H H H

H H H H HH H H H H

H H H H HC

CC

CC

CC

CC

C

H H H H H

H H H H HH H H H H

H H H H HH

Etan:Butan:

Heksan:Oktan:Dekan:

Dodekan:Tetradekan:

Heksadekan:Oktadekan:

Eikozan:Trikontan:

Tetrakontan:Pentakontan:

Polietylen:

H-CH2CH2-H H-(CH2CH2)2-H H-(CH2CH2)3-H H-(CH2CH2)4-H H-(CH2CH2)5-HH-(CH2CH2)6-HH-(CH2CH2)7-HH-(CH2CH2)8-HH-(CH2CH2)9-HH-(CH2CH2)10-HH-(CH2CH2)15-HH-(CH2CH2)20-HH-(CH2CH2)25-H

H-(CH2CH2)n-H

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW)

Relative size distribution of typical structures formed by synthetic chemistry, biology, andmicrofabrication. This schematic illustration was drawn on the basis of a review article byWhitesides et al.

Wielkości typowych struktur, występujących w syntezie chemicznej , w biologii oraz w mikro (nano) technologii (wg Shimizu/Whitesides)

Toshimi Shimizu, Macromol. Rapid Commun., 2002, 23, No. 5/6, 311

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW)

Masa cząsteczkowa (Mc)

jest masą określonej cząsteczki, wyrażoną w atomowych jednostkach

masy, gramach lub jednostkach pochodnych (masa atomowa: ditto dla

atomu)

Masa molowa (Mm)

jest masą jednego mola wyrażoną w gramach (jednostka: gram mol-1)

(masa molowa <Mm> jest taką liczbą gramów danej substancji (danych

cząsteczek), która jest co do wielkości równa jej (względnej) masie

cząsteczkowej <Mc>, wyrażonej w atomowych jednostkach masy)

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW)

Polimery- substancje składające się z wielu makrocząsteczek o różnych masach molowych ( rozkład Mm - polidyspersja)

(przyczyny występowania POLIDYSPERSJI mas molowych omówione będą później- statystyczny charakter procesów polimeryzacji)

pomiary Mm dostarczają informacji o średnich Mm ; rodzaj średniej służy do opisu różnych właściwości i zależy od metody pomiaru :

- liczba cząsteczek: (np.)- osmometria

- grupy końcowe

- masa (rozmiar) cząsteczek: - rozpraszanie światła

chromatografia cieczowa

PORÓWNANIE ROZMIARÓW NIEKTÓRYCH MAKROCZĄSTECZEKNATURALNYCH I SYNTETYCZNYCH

makrocząsteczka cechy szczególne masa molowa długość średnica mm nm

( 1 mm =106 nm )Polietylen "zwykły” 100.000 0.001 ~0.2

"ultra" 3.000.000 0.03 ~0.2

DNAPałeczka okrężnicy 2.500.000.000 1. 3 ~2.0

Genom człowieka ~1500 . j.w.(całkowity materiał ( 1.5m = 1.5 .10 9 nm )genetyczny komórki)

l/d=109

Gdyby średnica była równa 1mm, to długość wyniosłaby kilkaset km