高分子化学第1章

1MacromolecularChemistry高分子化学教材：《高分子化学》潘祖仁主编主讲人：卢彦兵E-mail：[e-mail]2聚乙烯丙纶高分子防水胶复合防水卷材人类正进入合成材料时代新时代，新生活新工艺，新产品高分子化学3我被高分子包围了呀！酚醛塑料涤纶聚氯乙烯有机玻璃聚苯乙烯聚四氟乙烯塑料聚丙烯4高分子化学四大塑料“四烯”聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯合成纤维“六纶”涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶、氯纶合成橡胶“四胶”顺丁橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、异戊橡胶以及聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯、有机玻璃等都是经过聚合反应得到的高分子化合物。5高分子化学阿斯匹林(Aspirin)是一个“古老”的解热镇痛药物，而缓释长效阿斯匹林又使阿斯匹林焕发了青春。近年，科学家通过乙二醇的桥梁作用把阿斯匹林连接在高聚物上，制成缓释长效阿斯匹林，用于关节炎和冠心病的辅助治疗，缓释长效阿斯匹林可分为三部分：①高分子载体（聚甲基丙烯酸）；②低分子药物（阿斯匹林）；③作为桥梁作用的乙二醇。肠胃中水解变为阿斯匹林。【高分子药物】现代医药发展方向之一：合成药物长效化和低毒化，其有效途径是低分子药物高分子化。例如可将药物分子连在安全无毒的高分子链上。缓释长效阿斯匹林的结构简式如下：6高分子化学缓释长效阿斯匹林在体内的分解过程人造器官组织人造器官组织人造器官组织7高分子化学人造器官组织人造器官组织人造器官组织人造器官组织【人造器官组织】由于某些合成高分子材料（如：有机硅聚合物、有机氟聚合物、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、醋酸纤维素等）与生物体中的天然高分子有极其相似的化学结构，生物相容性较好，较少受到排斥，安全无毒，可用于制作医用组织和人造器官的高分子材料。从皮肤到内脏，从血液到五官都有用医用高分子材料制成的人造器官组织，如人造血管、人造心脏、人造肾脏、人造皮肤、人造骨髓等，最早应用的医用高分子材料是代替手术缝合线的聚乳酸。使聚乳酸作为外科手术的缝合线，因聚乳酸极易水解、缝合伤口愈合后，不需拆线，缝合线经体液水解为乳酸，由代谢循环排出体外水解反应式如下：8高分子化学人造器官组织人造器官组织人造器官组织【光致变色高分子】螺苯并吡喃类衍生物是一类典型的光致变色化合物，将其引入纤维素类聚合物分子链上，用这种聚合物仿制的纤维就具有光致变色功能。变色反应式如下：共轭链变化引起颜色变化通过上述反应实现了人们的服装可以随光线强弱变化而变化。9Chapter1绪论本章内容1.1高分子化学研究对象1.2高分子的基本概念1.6聚合物物理状态及转变1.5聚合物平均分子量及其分布1.4聚合反应分类1.3高分子化合物的命名和分类（*）（△）（*）高分子化学10高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机物。常用高分子材料分子量在一万到几百万之间，高分子量对化合物性质的影响就是使它具有一定强度，从而可作材料使用。这也是高分子不同于一般化合物之处。又因高分子一般具有长链结构，每个分子好像一条长长的线，许多分子纠集在一起，就成了一个扯不开的线团，这就是高分子化合物具有较高强度，可以作为结构材料使用的根本原因。另一方面，还可以通过各种手段，用物理的或化学的方法，或者使高分子与其他物质相互作用后产生物理或化学变化，从而使高分子成为能完成特殊功能的功能高分子材料。高分子化合物简介高分子化学11高分子具有许多优良性能，高分子材料是当今世界发展最迅速的产业之一，目前世界上合成高分子材料的年产量已经超过1.4亿吨。塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂…几大类高分子材料己广泛应用到电子信息、生物医药、航天航空、汽车工业、包装、建筑等各个领域。功能高分子材料：导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等近年发展迅速，具有特殊功能。高分子材料De应用高分子化学12高分子科学是当代发展最迅速的学科之一；它既是一门应用科学，又是一门基础科学.它是建立在有机化学、物理化学、生物化学、物理学和力学等学科的基础上逐渐发展而成的一门新兴学科。目前，已经发展成四个主要分支.高分子化学继“四大化学”之后被称为“第五大化学”。1.1高分子化学研究对象高分子化学高分子科学高分子化学高分子物理高分子材料高分子工艺131.1高分子化学研究对象高分子化学高分子科学是研究高分子化合物的合成、改性、结构、性能、成型加工等内容的一门综合性科学。高分子化学是高分子科学的基础，高分子化学主要研究聚合反应机理和聚合方法。学习高分子化学的目的是了解聚合反应的机理和聚合方法，以便合成出具有指定相对分子质量和相对分子质量分布、指定性能、能满足实际需要的高分子化合物。研究目的14高分子化学①提高产量、增加品种、改进性能、处理三废、拓宽应用领域；②研制新型引发剂，降低能源和材料消耗，使得合成方便易行；③采用新的聚合方法获得新性能、新品种、新用途的高聚物；④开发功能高分子材料和生物工程高分子材料。1.1高分子化学研究对象发展方向151.2高分子的基本概念（*）又称高分子化合物、大分子化合物、高分子、大分子、高聚物、聚合物。（注：这些术语一般可以通用）Macromolecules,HighPolymer,Polymer什么是高分子?高分子是指由多种原子以相同的、多次重复的结构单元并主要由共价键连接起来的、通常是相对分子量为104～106的化合物。161.2高分子的基本概念聚合物分子结构必须是由多个重复单元所组成，并且这些重复单元是由相应的小分子衍生而来。CH2-CHCH2-CHCH2-CHClClClH2CCHCl聚氯乙烯结构单元单体高分子化学CH2CHOHCH2CHOH聚乙烯醇乙烯醇又如：171.2高分子的基本概念高分子小分子聚合反应Polymerization单体能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元的小分子。即合成聚合物的起始原料。单体（Monomer）在大分子链中出现的以单体结构为基础的原子团。即构成大分子链的基本结构单元。结构单元（Structureunit）181.2高分子的基本概念重复单元（Repeatingunit）聚合物中化学组成相同的最小单位。链节(Chainelement）即一个重复结构单元。单体单元（Monomerunit）聚合物中具有与单体相同化学组成而不同电子结构的单元。CH2CHClClCH2CH和CH2-CHCH2-CHCH2-CHClClCl结构单元重复单元单体单元链节H2CCHCl单体高分子化学191.2高分子的基本概念高分子的三种组成情况高分子化学比较nH2N-(--CH2-)-COOH--NH-(--CH2-)-CO--nnH2O+55H2N(CH2)6NH2+HOOC(CH2)4COOHH--NH(CH2)6NH--CO(CH2)4CO--OHn(2n-1)H2O+n201.由一种结构单元组成的高分子1.2高分子的基本概念高分子的三种组成情况例如：聚苯乙烯聚合CH2CHCH2-CH-CH2-CH-CH2-CHnCH2CHn高分子结构可以缩写成单体结构单元＝单体单元＝重复单元＝链节此时说明：n表示重复单元数，也称为链节数,在此等于聚合度。高分子化学211.2高分子的基本概念聚合度是衡量高分子大小的一个指标。聚合度有两种表示法：以大分子链中的结构单元数目表示，记作以大分子链中的重复单元数目表示，记作nxDP此时nDPxn聚合度（Degreeofpolymerization，缩写为DP，）说明：由于绝大多数高聚物都是由不同链长的大分子组成，即同一种聚合物是由一组不同聚合度和不同结构形态的同系物的混合物所组成，因此，聚合物的分子量或聚合度只是这种大小不一的大分子的统计平均值，或者说分子量或聚合度具有一定的分布范围。一种结构单元组成的高分子221.2高分子的基本概念另一种情况：结构单元＝重复单元＝链节单体单元nH2N-(--CH2-)-COOH--NH-(--CH2-)-CO--nnH2O+55结构单元比其单体少了些原子（氢原子和氧原子），因为聚合时有小分子生成，所以此时的结构单元不等于单体单元。00nMDPMxM式中:M是高分子的分子量M0是结构单元的分子量由聚合度可计算出高分子的分子量：231.2高分子的基本概念H2N(CH2)6NH2+HOOC(CH2)4COOHH--NH(CH2)6NH--CO(CH2)4CO--OHn结构单元结构单元重复结构单元(2n-1)H2O+2.由两种结构单元组成的高分子合成尼龙-66的特征：其重复单元由两种结构单元组成，且结构单元与单体的组成不尽相同，所以，不能称为单体单元。但单体在形成高分子的过程中要失掉一些原子高分子化学24单个聚合物分子所含单体单元的数目。聚合物单体单体单元聚合度2n聚对苯二甲酸乙二酯，涤纶，PETn例：1.2高分子的基本概念nDPxn22002MDPMxMn结构单元重复单元单体单元；但,重复单元＝链节注意：Mo为两种结构单元的平均分子量高分子化学251.2高分子的基本概念例1：以氯乙烯单体为原料，聚合得到的聚氯乙烯的分子量，根据其用途不同可在5万至15万之间，其结构单元的分子量为62.5，计算其聚合度。解：====50000-150000/62.5=800-2400通过计算可知，聚氯乙烯的平均聚合度应在800-2400聚氯乙烯分子约由800-2400个氯乙烯单元组成。X0MM261.2高分子的基本概念例2：以对苯二甲酸与乙二醇为原料，经缩聚制得聚对苯二甲酸乙二醇酯，其分子量一般在2万左右，计算及。DPnX解：已知-O(CH2)2O-结构单元分子量为60，-OC-C6H5-CO-结构单元分子量为132。由=·（M+M）/2得：2000=·（60+132）/2则=208=/2=104nMnX0102nXnXDPnX高分子化学271.2高分子的基本概念3.由无规排列的结构单元组成的高分子均聚物Homopolymer由一种（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。聚合物分子有且只有一种重复结构单元，并且该重复结构单元可以只由一种（真实的、隐含的或假设的）单体衍生而来。判别均聚物齐聚物(oligomer)：由几个或十几个单元相互键连而成；不能称为聚合物。均聚物：由一种单体聚合而成的聚合物。共聚物：由两种或两种以上单体共聚而成的聚合物。28生成均聚物的聚合反应称均聚反应（Homopolymerization)。氯乙烯单体由对苯二甲酸和乙二醇反应生成的“隐含单体”：HOOC-Ph-COOCH2CH2OH“假设单体”：乙烯醇例：1.2高分子的基本概念29说明：x,y为任意值，故在分子链上结构单元的排列是任意的：M1M2M1M1M2M1M2M2M2在这种情况下，无法确定它的重复单元，仅----(CH2--CH=CH--CH2-)--(-CH2--CH-)----xyn例如：丁苯橡胶（由单体1,3-丁二烯和苯乙烯聚合而成）由两种或两种以上（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。生成共聚物的聚合反应称为共聚反应。共聚物Copolymer结构单元＝单体单元1.2高分子的基本概念301.2高分子的基本概念HOOC-Ph-COOHHOCH2CH2OH-(OC-Ph-COOCH2CH2O)n-隐含单体HOOC-Ph-COOCH2CH2OHHOOC-Ph-COOHHOCH2CH2OHHO(CH2)3OH-(OC-Ph-COOCH2CH2O)n-(OC-Ph-COOCH2CH2CH2O)m-HO-(CH2)5COOHHOCH2COOH-[O(CH2)5CO]m-[OCH2CO]n-共聚物共聚物均聚物例：31CH3CH2-(CH2CH2)n-CH2CH3聚乙烯：涤纶：高分子链的末端结构单元。末端基团EndGroups1.2高分子的基本概念32主链元素（链原子）组成碳链高分子：主链（链原子）完全由C原子组成。杂链高分子：链原子除C外，还含O,N,S等杂原子。元素有机高分子：链原子均为杂原子，侧链为有机基团。来源天然高分子：