[Прелесть химии] Полимеры

Все статьи из цикла "В чем прелесть предмета"
Другие статьи из цикла "В чем прелесть химии":
  Строительные блоки материи
  Зачем учить физхимию?
  Неорганическая химия
  Органическая химия
  Синтез жизни
  Чистый воздух
  Химия и медицина: химическое оружие, аспирин и плесень

Почему нам важны полимеры?

Все мы живем в эпоху полимеров – высокомолекулярных соединений, состоящих из множества одинаковых повторяющихся фрагментов. Большинство окружающих нас предметов состоят как раз из полимеров. К ним относятся, например, различные строительные материалы, всевозможные обшивки и клеящие вещества, пластмассы, бумага, ткани и краски, кожаные изделия, шерсть, крахмал и многие другие макромолекулы – словом, практически все, с чем мы сталкиваемся каждый день, состоит из полимеров. Чтобы понять, насколько важны и распространены полимеры в нашей жизни, достаточно просто взглянуть на, скажем, велосипедиста.

Его шлем состоит из полистирола и поликарбонатов, застежка шлема – из полиоксиметилена, одежда – из полиэтилентерефталата и нейлона, а шины – из резины. Все перечисленные вещества являются полимерами. Более того, даже сам велосипедист, как любой живой организм, состоит из клеток, а те, в свою очередь, состоят из природных полимеров: белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот. Как видите, нашу жизнь крайне сложно представить без полимеров, а точнее жизнь и вовсе невозможна без этих удивительных молекул! Давайте же разберемся, какими особенностями обладают полимеры и какое применение им находят люди в современном мире.

Общее строение полимеров

Что вообще такое эти полимеры? Любой полимер представляет собой макромолекулу, состоящую из множества повторяющихся фрагментов, которые называются «мономерными звеньями». Само же слово «полимер» происходит от греческих корней πολύ «много» и μέρος «часть», а «мономер» – от μόνος «один» и μέρος «часть». Количество мономерных звеньев в этих макромолекулах может варьироваться от нескольких сотен до миллионов, из-за чего молекулярная масса полимеров достаточно велика. В связи с этим их иногда еще называют высокомолекулярными соединениями. Одним из простейших примеров высокомолекулярного соединения является полипропилен, из которого производят упаковочные материалы, пластиковые стаканчики и тары.

В этой статье мы будем не раз изображать структуры полимеров, так что нам нужно разобраться, как они записываются. Для удобства обычно изображается только один мономерный фрагмент, вокруг которого ставятся квадратные скобки, а снизу записывается индекс \(n\), обозначающий повторение фрагмента неопределенное количество раз. Атомы водорода обычно не обозначаются в структурах, а атомы углерода просто оставляются в виде точек, соединенных связями. С учетом этих правил молекула полипропилена будет выглядеть следующим образом:

Преимущества высокомолекулярных соединений

Так в чем заключается особенность полимеров, делающая их такими распространенными и удобными в использовании? По сравнению с неполимерными аналогами, у макромолекул есть два основных преимущества, которые и делают их более предпочтительными в промышленности.

• Во-первых, свойства полимеров можно довольно легко регулировать, изменяя длину цепи полимера или добавляя различные функциональные группы, обеспечивающие дополнительные межмолекулярные взаимодействия. Таким образом можно достаточно просто получать соединения с желаемыми характеристиками, будь то эластичность или прочность. Мы ещё разберем несколько примеров таких модификаций, которые значительно влияют на свойства макромолекул.
• Во-вторых, производство полимеров считается сравнительно дешевым. Большинство используемых в промышленности мономеров является углеводородами, добываемыми из нефтяного сырья, или их простейшими производными, а в сравнении с ресурсо- и энергозатратным производством металлических сплавов и натуральных тканей, переработка нефти экономически гораздо более выгодна.

Биополимеры

Традиционно все высокомолекулярные соединения делят на природные (биополимеры) и синтетические. Давайте немного остановимся на природных полимерах. К ним относятся нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды – эти биологические макромолекулы являются основой всех живых организмов нашей планеты.

Полисахариды составляют три четверти от массы всего растительного мира и являются важным и удобным источником энергии для живых клеток. Они представляют собой длинные полимерные цепи, в которых в качестве мономерного звена выступают моносахариды, такие как глюкоза или фруктоза. Одним из наиболее распространенных в природе полисахаридов является целлюлоза, из которой состоят хлопок, древесина и бумага. Мономером целлюлозы является бета-глюкоза. Примечательно, что если вместо бета-глюкозы мономером будет выступать альфа-глюкоза, получится совершенно другое вещество – крахмал.

Другие биополимеры – белки. Они выполняют огромное множество самых разнообразных функций, начиная от строительной (составляют основу соединительной ткани) и заканчивая ферментативной (регулируют биохимические реакции). Мономерами белков являются аминокислоты, причем в большинстве живых организмов встречаются всего 20 так называемых канонических аминокислот.

И, напоследок, еще один тип природных полимеров – нуклеиновые кислоты. Их мономерными звеньями являются нуклеотиды, которые состоят из рибозы (в РНК) или дезоксирибозы (в ДНК), остатка фосфорной кислоты и азотистого основания. Нуклеиновые кислоты выполняют очень важную функцию – хранение и передача генетической информации клеток. Они словно карта памяти на компьютере содержат все данные о функционировании клетки, закодированные в виде последовательности азотистых оснований. Невероятно, как природа научилась хранить информацию в виде атомов!

Поменять свойства? – Легко!

Вернемся к синтетическим полимерам, с которыми мы имеем делом каждый день. Свойства синтетических полимеров можно контролировать довольно просто, руководствуясь базовыми правилами химии. Давайте рассмотрим простейший из синтетических полимеров – полиэтилен – и посмотрим, как будут меняться свойства этого полимера, если мы будем добавлять к нему новые функциональные группы.

Как можно догадаться из названия, в качестве мономера в полиэтилене выступает этилен. Это высокомолекулярное соединение является самым производимым синтетическим полимером в промышленности.

В основном полиэтилен применяют для производства упаковочных материалов – все мы пользовались полиэтиленовыми пакетами. Он эластичен, но не обладает особой прочностью.

Давайте теперь заменим один атом водорода в этилене на фенильный остаток (см. изображение), а полученный мономер подвергнем полимеризации. И вот уже вместо эластичного и мягкого полиэтилена мы получаем прочный и термически устойчивый полистирол. Из полистирола изготавливают детские игрушки, одноразовую посуду, облицовочные материалы, а также одноразовое медицинское оборудование. Такая дополнительная прочность полистирола обеспечивается за счет межмолекулярного взаимодействия между фенильными группами (pi stacking).

Пойдем дальше и присоединим к этилену карбоксильную группу, так получится акриловая кислота. Если акриловую кислоту подвергнуть полимеризации и заместить все кислотные атомы водорода на атомы натрия, то получится полиакрилат натрия. За счет появления полярных карбоксильных групп, которые образуют водородные связи с молекулами воды, полиакрилат натрия обладает гидрофильными свойствами, а значит хорошо впитывает воду. Именно поэтому его очень часто используют в производстве подгузников. Таким образом, добавив всего одну функциональную группу в молекулу полимера, мы из гидрофобного полиэтилена получили гидрофильный полиакрилат натрия. Но это еще не все!

На этот раз в молекуле этилена заменим не один, а все четыре атома водорода на атомы фтора и также подвергнем полученный тетрафторэтилен полимеризации. На выходе получится политетрафторэтилен (PTFE), более известный как тефлон. Главными свойствами тефлона являются его низкая прилипчивость к различным веществам и химическая устойчивость. Поэтому тефлон применятся для производства водонепроницаемой одежды, покрытий космических шаттлов, электрических схем, искусственных суставов и, пожалуй самое известное, посуды с антипригарным покрытием. Почему же тефлон настолько инертен? Дело в том, что фтор, как самый электроотрицательный элемент, обожает «отбирать» электроны у других атомов, что он и делает с атомами углерода. Получается так, что все электроны, которые отвечают за межмолекулярные взаимодействия, сильно перетянуты к атомам фтора. А без межмолекулярных взаимодействий невозможно и слипание веществ.

Теперь вы убедились, как сильно можно изменять свойства полимеров, вводя различные функциональные группы. Сейчас же давайте рассмотрим пример полимера, в котором во всей красе продемонстрирована важность межмолекулярных взаимодействий. Имя этого полимера Кевлар.

Кевлар является очень прочным полимером, настолько прочным, что из него изготавливают даже пуленепробиваемые жилеты, а также тетиву лука и обшивку для оптоволокна. Высокая прочность кевлара обусловлена водородными связями, образованными между атомами кислорода карбонильных групп и атомами водорода аминогрупп на разных цепях. Также свой вклад в прочность этого полимера вносит и межмолекулярное взаимодействие (pi stacking) между бензольными кольцами. И вот, словно множество нитей, сплетающихся в лоскут ткани, тысячи межмолекулярных связей кевлара обеспечивают ему непоколебимость и стойкость.

Знакомая каждому полимеризация

Обычно реакции полимеризации проходят в присутствии катализатора при определенных строго контролируемых условиях. Зачастую для начала полимеризации нужна активная молекула-иницииатор, например радикал. Это просто вынужденная мера, потому что большинство мономеров просто так не взаимодействуют друг с другом. Однако существуют некоторые соединения, которые способны полимеризоваться при малейших изменениях внешних факторов. К таким соединениям относится этилцианоакрилат. За счет наличия циано- и карбокси-групп молекулы этилцианоакрилата способны начать реагировать друг с другом даже от такого неактивного иницииатора, как вода. Эта реакция лежит в основе процесса затвердевания суперклея, так как в атмосфере, на поверхностях предметов и уж тем более на ваших пальцах всегда присутствуют молекулы воды, которые и провоцируют начало полимеризации этилцианоакрилата. А ведь так и не сразу понятно, почему же суперклей так быстро и легко склеивает предметы.

Недостатки полимеров

Безусловно, у полимеров есть и недостатки. Главный из них – плохая способность к разложению, вызванная наличием связи углерод-углерод, которая не подвергается деградации ферментами живых организмов. Это создает дополнительные экологические проблемы в нашей и так не самой экологичной современности, но, к счастью, исследователи постепенно справляются и с этой трудностью.

Чтобы полимер мог разлагаться ферментами клеток, в его строении должны присутствовать химические связи, встречающиеся в природе и участвующие в метаболизме живых организмов. К таким связям, например, относятся сложноэфирная и амидная группа, которые под действием ферментов способны подвергаться гидролизу, а затем и дальнейшей деградации. Результатом синтеза высокомолекулярных соединений с подобными химическими связями являются биоразлагаемые полимеры, которые уже сейчас находят широкое применение в медицине, сельском хозяйстве и производстве упаковочных материалов. Возможно, в будущем биоразлагаемые полимеры полностью заменят неразлагающиеся макромолекулы, производимые из нефтяного сырья.

Заключение

Как вы видите, разнообразию полимеров нет предела. Они бывают прочными и хрупкими, твердыми и мягкими, гидрофильными и гидрофобными, что позволяет использовать их чуть ли не во всех сферах производства. Природа тоже положилась на полимеры, сделав их важнейшими молекулами для всех живых организмов нашей планеты. Даже чтение этой статьи было бы невозможно без полимеров!

Начиная от эластичного нейлона и заканчивая пуленепробиваемым кевларом, полимеры прочно вошли в привычный обиход. Можно с уверенностью сказать, что на сильных плечах этих макромолекул держится наша удобная и комфортная жизнь. И пусть полимеры стали неотъемлемой частью нашей жизни, нам предстоит еще долгий путь раскрытия полного потенциала этих удивительных молекул!

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова