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 C

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

polietylen- makrocząsteczka

etylen (monomer)

POLIMERY i MAKROCZĄSTECZKI

polisiarka

cyklooktasiarka (monomer)

...

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S ...

s

s

s

s

s

s

s

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-

HOCH

2

CH

2

(OCH

2

CH

2

)

n

OH

:

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

N

N

O

N

H

H

C

N

H

O

R

R'

N

N

O

N

H

H

C

N

H

O

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- 3.000.000

ogniwo 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

Te

m

p

er

a

tu

ra

t

o

pn

ie

ni

a

/ o

C

-100

-50

0

50

100

150

Dla dostatecznie dużych długości łańcucha CH

3

-C

n

H

2n

-CH

3

niektóre

właściwości cząsteczki praktycznie przestają zależeć od „n” (i od grup
końcowych) - wówczas mamy do czynienia z makrocząsteczką

...

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Etan:

Butan:

Heksan:

Oktan:

Dekan:

Dodekan:

Tetradekan:

Heksadekan:

Oktadekan:

Eikozan:

Trikontan:

Tetrakontan:

Pentakontan:

Polietylen:

H-CH

2

CH

2

-H

H-(CH

2

CH

2

)

2

-H

H-(CH

2

CH

2

)

3

-H

H-(CH

2

CH

2

)

4

-H

H-(CH

2

CH

2

)

5

-H

H-(CH

2

CH

2

)

6

-H

H-(CH

2

CH

2

)

7

-H

H-(CH

2

CH

2

)

8

-H

H-(CH

2

CH

2

)

9

-H

H-(CH

2

CH

2

)

10

-H

H-(CH

2

CH

2

)

15

-H

H-(CH

2

CH

2

)

20

-H

H-(CH

2

CH

2

)

25

-H

H-(CH

2

CH

2

)

n

-H

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW)

Relative size distribution of typical structures
formed by synthetic chemistry, biology, and
microfabrication. This schematic illustration
was drawn on the basis of a review article by
Whitesides 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 MAKROCZĄSTECZEK

NATURALNYCH I SYNTETYCZNYCH

makrocząsteczka

cechy szczególne

masa molowa

długość

średnica

mm

nm

( 1 mm =10

6

nm )

Polietylen

"zwykły”

100.000

0.001

~0.2

"ultra"

3.000.000

0.03

~0.2

DNA

Pałeczka 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=10

9

Gdyby średnica była równa

1mm

, to długość wyniosłaby

kilkaset km