химия биополимеров

1.3. Конфигурация макромолекул

Понятие конфигурации включает определенное пространственное расположение атомов макромолекул, которое не изменяется при тепловом движении. Переход от одной конфигурации к другой невозможен без разрыва химических связей.

Различают: 1) конфигурацию звена, 2) ближний порядок – конфигурацию присоединения звеньев, 3) дальний порядок – конфигурацию больших участков (например, блоков и их чередования, или длину и распределение ветвлений), 5) конфигурацию вытянутой цепи в целом.

Конфигурация звена. Примерами являются цис- и транс- конфигурации у диеновых полимеров

1,4-цис-полиизопрен 1,4-транс-полиизопрен (натуральный каучук) (гуттаперча) Другим примером может являться l,d-изомерия. Например,

для полимеров со звеньями ~СН2–СНR~, где R – любой радикал, возможно образование двух изомеров: l – левовращающий, а d – правовращающий

Конфигурация присоединения звеньев (ближний порядок). Звенья в цепи могут присоединяться по типу «голова к хвосту» и «голова к голове»:

21

является присоединение по типу «голова к хвосту», а присоединение по типу «голова к голове» требует преодоления больших активационных барьеров.

Для сополимеров типы структурных изомеров увеличиваются по сравнению с гомополимерами. Например, для сополимеров бутадиена и стирола возможно:

1. последовательное чередование звеньев –А–В–А–В–А–В– ,

2.сочетание звеньев в виде диад и триад –АА–ВВВ–АА–ВВВ– ,

3.статистическое сочетание звеньев –АА–В–АА–ВВВ–А–В– . Дальний конфигурационный порядок распространяется на

десятки и сотни атомов в основной цепи. Например, большие последовательности блоков в блок-сополимерах или большие последовательности звеньев с одинаковой стереорегулярностью (например, полимеры с изотактической, атактической и синдиотактической структурой).

Изотактический Атактический Синдиотактический

Конфигурация цепи в целом определяется взаимным расположением крупных последовательностей звеньев (при дальнем порядке). Например, для разветвленных макромолекул различные типы конфигураций показаны на рис.4.

Рис. 4. Конфигурации макромолекул

22

1.4. Конформация макромолекул

Конформация – это переменное распределение в пространстве атомов или групп атомов, образующих макромолекулу. Переход из одной конформации в другую может происходить за счёт вращения, поворота или колебания звеньев вокруг одинарных связей под действием теплового движения или внешних сил и не сопровождается разрывом химических связей.

Полимеры могут принимать различные конформации:

•Статистический клубок – это свернутая конформация. Образуется, когда интенсивность внутреннего теплового движения превалирует над внешним воздействием. Характерна линейным полимерам [ПЭ, ПП, ПБ, ПИБ и лестничным полимерам (полифениленсилоксан).

•Спираль – образуется у полимеров за счёт Н–связей (например, у белковых молекул и нуклеиновых кислот).

•Глобула – очень компактная частица по форме близкая к сферической. Характерна полимерам с сильным внутромолекулярным взаимодействием (например, у ПТФЭ).

•Стержень или струна обнаружена у алкилполиизоцианатов.

•Складчатая конформация. Характерна полимерам в кристаллическом состоянии (например, у ПЭ).

•Конформация коленчатого вала реализуется у поли-n-бенз- амида.

Рис.5. Конформации макромолекул

23

1.5. Гибкость макромолекул

Гибкость является одной из важнейших характеристик полимеров, определяющей высокоэластические, релаксационные и термомеханические свойства полимеров, а также особенности свойств их растворов. Гибкость характеризует способность макромолекул изменять свою форму под влиянием теплового движения звеньев или внешних механических воздействий. Гибкость обусловлена внутренним вращением звеньев или частей макромолекул относительно друг друга. Рассмотрим явление внутреннего вращения в молекулах на примере простейшего органического соединения – молекулы этана.

В молекуле этана (СН3–СН3) атомы углерода связаны с атомами водорода и друг с другом ковалентными (σ–связями), причём угол между направлениями σ–связей (валентный угол) составляет 109028/. Это вызывает тетраэдрическое расположение заместителей (атомов водорода) в пространстве в молекуле этана. Вследствие теплового движения в молекуле этана происходит вращение одной группы СН3 относительно другой вокруг оси С-С. При этом непрерывно меняется пространственное расположение атомов и потенциальная энергия молекулы. Графически различные крайние расположения атомов в молекуле можно представить в виде проекций молекулы на горизонтальную плоскость (Рис.6). Допустим, что в положении а потенциальная энергия молекулы равна U1, а в положении б – U2, при этом U1 ≠ U2, т.е. положения молекулы энергетически неравноценны. Положение б, при котором атомы Н расположены друг под другом, является энергетически невыгодным, так как между атомами Н проявляются силы отталкивания, которые стремятся перевести атомы в энергетически выгодное положение а. Если принять

U1=0, то U2=max.

24

Рис. 6. Проекционные формулы крайних расположений атомов Н в пространстве в молекуле этана.

Рис. 7. Зависимость потенциальной энергии молекулы от угла поворота метильной группы.

При повороте одной группы СН3 относительно другой на 600 молекула из положения а переходит в б и далее через 600 снова в положение а и т.д. Изменение значений потенциальной энергии молекулы этана от угла поворота φ показано на рис.7. Молекулы с меньшей симметрией (например, молекула дихлорэтана) имеют более сложную зависимость U=f(φ).

Потенциальным (U0) или активационным барьером враще-

ния называется энергия, необходимая для перехода молекулы из положения минимума в положение максимума потенциальной энергии. Для этана U0 малая величина (U0=11,7 кДж/моль) и при

25

обычной температуре происходит вращение групп СН3 вокруг связи С-С с большой скоростью (1010 об/сек).

Если молекула имеет запас энергии меньший U0, то вращение отсутствует и происходит лишь колебание атомов относительно положения минимальной энергии – это ограниченное или

заторможенное вращение.

У полимеров вследствие внутри- и межмолекулярных взаимодействий зависимость U=f(φ) имеет сложную форму.

Если одно положение звена цепи характеризуется потенциальной энергией U1, а другое – U2, то энергия перехода из одного положения в другое равна разности ∆U= U1 – U2. Разность энергий перехода ∆U из одного равновесного положения звена макромолекулы в другое характеризует термодинамическую гибкость. Она определяет способность цепи изгибаться под влиянием теплового движения.

Другой характеристикой гибкости является скорость перехода звеньев из одного положения в другое. Скорость конформационных превращений зависит от соотношения величины U0 и энергии внешних воздействий. Чем больше U0, тем медленнее повороты звеньев и меньше гибкость. Гибкость макромолекул, определяемая величиной U0, называется кинетической гибко-

стью.

Факторы, определяющие гибкость макромолекул

К таким факторам относят: величину U0, ММ полимера, густоту пространственной сетки, размер заместителей и температуру.

Потенциальный барьер вращения (U0). Величина U0 зависит от внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Рассмотрим факторы, влияющие на U0 и гибкость цепей у карбоцепных полимеров.

26

Карбоцепные полимеры

У карбоцепных полимеров наименее полярными являются предельные углеводороды. У них внутри- и межмолекулярные взаимодействия невелики, а также малы значения U0 и ∆U, следовательно полимеры обладают большой кинетической и термодинамической гибкостью. Примеры : ПЭ, ПП, ПИБ.

Особенно низки значения U0 у полимеров, в цепи которых рядом с ординарной имеется двойная связь.

Пример:

–СН2–СН=СН–СН2– Полибутадиен Введение в макромолекулы заместителей, содержащих по-

лярные группы приводит к внутри- и межмолекулярным взаимодействиям. При этом существенно влияют степень полярности

При введении полярных групп возможны три случая по влиянию на гибкость:

1. Полярные группы близко расположены и возможны между ними сильные взаимодействия. Переход такими полимерами из одного пространственного положения в другое требует преодоления больших U0, поэтому цепи таких полимеров наименее гибкие.

Примеры:

2. Полярные группы расположены в цепи редко и взаимодействия между ними не проявляются. Значения U0 и ∆U невелики и полимеры имеют большую кинетическую и термодинамическую гибкость.

27

Пример: Полихлоропрен

3.Полярные группы расположены так, что электрические поля взаимно компенсируются. При этом суммарный дипольный момент макромолекулы равен нулю. Поэтому низки значения U0 и ∆U и полимеры имеют большую кинетическую и термодинамическую гибкость.

Пример: Политетрафторэтилен

Гетероцепные полимеры

У гетероцепных полимеров вращение возможно вокруг связей С–О, С–N, Si–O, C–C. Значения U0 для этих связей невелики и цепи обладают достаточной кинетической гибкостью. Примеры: полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, силоксановые каучуки.

Однако гибкость гетероцепных полимеров может ограничиваться межмолекулярными взаимодействиями за счёт образования Н-связей (например, у целлюлозы, полиамидов). Целлюлоза является одним из жесткоцепных полимеров. У неё содержится большое количество полярных групп (–OH) и поэтому для целлюлозы характерны внутри- и межмолекулярные взаимодействия и высокие значения U0 и малая гибкость.

Молекулярная масса полимера. Увеличение ММ полимера повышает свернутость цепи и поэтому длинные макромолекулы

28

обладают большей кинетической гибкостью по сравнению с короткими макромолекулами. По мере увеличения ММ возрастает число конформаций, которое может принимать макромолекула и гибкость цепей увеличивается.

Густота пространственной сетки. Чем больше химических связей между макромолекулами, тем меньше гибкость цепей, т.е. с увеличением густоты пространственной сетки гибкость уменьшается. Примером является снижение гибкости цепей с увеличением числа сшивок в ряду резол<резитол<резит.

Влияние размера и количества заместителей. Увеличение числа полярных и больших по размеру заместителей снижает подвижность звеньев макромолекулы и уменьшает кинетическую гибкость. Примером является снижение гибкости макромолекул сополимера бутадиена и стирола при увеличении содержания громоздких фенильных заместителей в цепи.

Если при одном атоме углерода в основной цепи полимера имеются два заместителя (например, ОСН3 и СН3 в звеньях ПММА), то макромолекула становится кинетически жесткой.

Температура. С повышением температуры возрастает кинетическая энергия макромолекулы. До тех пор, пока величина кинетической энергии меньше U0, цепи совершают крутильные колебания. Когда кинетическая энергия макромолекулы становится равной или превышает величину U0 звенья начинают вращаться. С повышением температуры величина U0 мало изменяется, а скорость поворота звеньев увеличивается и кинетическая гибкость возрастает.

29

Контрольные вопросы

1Общие сведения о полимерах, понятия, определения.

2Дайте определение и приведите примеры органических, не-

органических и элементоорганических полимеров.

2Классификация гомоцепных полимеров, примеры.

3Классификация гетероцепных полимеров, примеры.

4Термодинамическая и кинетическая гибкость макромолекул. Какие факторы влияют на гибкость макромолекул?

5Что такое конфигурация макромолекул и какие возможны разновидности конфигурации макромолекул? Примеры.

6Что такое конформация макромолекул и какие возможны разновидности конформаций макромолекул? Примеры.

7Какими параметрами характеризуют молекулярную массу, молекулярно-массовое распределение и полидисперсность полимеров?

8Молекулярные характеристики олигомеров.

9Фракционирование полимеров и построение кривых моле- кулярно-массового распределения.

30