О чём этот урок

Пакет из супермаркета, свитер из акрила, автомобильная шина, волосы, кусок хлеба — совершенно разные на вид вещи, но устроены они по одному и тому же принципу: гигантская молекула собрана из множества одинаковых или похожих звеньев, соединённых друг с другом в цепь. Такие вещества называют высокомолекулярными соединениями, или полимерами, и весь этот последний урок курса — про то, как из простых, знакомых вам «кирпичиков» получаются подобные гиганты. Вы увидите, что оба способа их сборки вы уже видели — просто раньше не в этом контексте.

Прежде чем начать

Этот урок опирается на несколько тем, разобранных ранее в курсе:

• строение алкенов и алкадиенов, наличие в их молекулах кратных связей (уроки 8–9);
• реакция этерификации карбоновых кислот со спиртами и понятие сложного эфира (урок 17);
• строение аминокислот и образование пептидной связи в белках (урок 20);
• строение глюкозы и полисахаридов — крахмала и целлюлозы (урок 18);
• общий принцип генетической связи и различение типов реакций — присоединение, отщепление, конденсация (урок 21).

Разбираемся с нуля

Мономер, полимер, элементарное звено, степень полимеризации

Полимер — высокомолекулярное соединение, макромолекула которого состоит из множества одинаковых (или нескольких чередующихся) повторяющихся фрагментов.

Мономер — исходная, сравнительно небольшая молекула, из множества которых строится полимер.

Элементарное (структурное) звено — тот самый повторяющийся фрагмент, который вы увидите, если «нарежете» цепь полимера на одинаковые куски. Звено принято обводить скобками с индексом $n$ снаружи:

$$(-CH_2-CH_2-)_n$$

Это формула полиэтилена: в скобках — элементарное звено, а $n$ — степень полимеризации, то есть число таких звеньев в одной макромолекуле. У реальных полимеров $n$ обычно измеряется тысячами, поэтому и молекулярная масса полимера огромна по меркам органической химии — от десятков тысяч до миллионов.

Важно: элементарное звено не всегда совпадает по составу с мономером. Ниже увидим, что это зависит от способа получения полимера.

Способ 1: реакция полимеризации

Полимеризация — соединение множества молекул мономера друг с другом без отщепления каких-либо побочных продуктов: все атомы мономера целиком переходят в состав полимера.

Для такой реакции нужен мономер с кратной связью — двойной (алкены) или системой двойных связей (алкадиены). При полимеризации π-связь разрывается, и высвободившиеся валентности атомов углерода образуют новые σ-связи с соседними молекулами мономера, соединяя их в цепь:

$$n\,CH_2=CH_2 \xrightarrow{p,\,t,\,kt} (-CH_2-CH_2-)_n$$

Это получение полиэтилена из этилена (урок 8). Обратите внимание: элементарное звено $-CH_2-CH_2-$ по составу совпадает с молекулой мономера $CH_2=CH_2$ — просто двойная связь «раскрылась» в две одинарные, ведущие к соседям по цепи. Так же получают и другие крупнотоннажные полимеры:

$$n\,CH_2=CH-CH_3 \xrightarrow{kt} (-CH_2-CH(CH_3)-)_n \quad \text{(полипропилен, из пропилена)}$$ $$n\,CH_2=CHCl \xrightarrow{kt} (-CH_2-CHCl-)_n \quad \text{(поливинилхлорид, ПВХ, из хлорэтена)}$$

Алкадиены (урок 9) полимеризуются похожим образом, только реагируют сразу обе двойные связи сопряжённой системы, а в звене остаётся одна новая двойная связь:

$$n\,CH_2=CH-CH=CH_2 \xrightarrow{kt} (-CH_2-CH=CH-CH_2-)_n \quad \text{(синтетический каучук, из бутадиена)}$$

Способ 2: реакция поликонденсации

Поликонденсация — соединение молекул мономеров друг с другом с одновременным отщеплением небольшой молекулы побочного продукта, чаще всего воды.

Для поликонденсации кратная связь не нужна — вместо неё мономеры должны быть бифункциональными: содержать на концах молекулы по две реакционноспособные группы, способные реагировать с соседним мономером. Самый знакомый вам пример такой реакции — этерификация (урок 17): если взять не одноатомный спирт и одноосновную кислоту, а диол (спирт с двумя $-OH$) и двухосновную кислоту, этерификация повторится много раз подряд и свяжет молекулы в длинную цепь — полиэфир:

$$n\,HO-CH_2CH_2-OH + n\,HOOC-C_6H_4-COOH \longrightarrow (-O-CH_2CH_2-O-OC-C_6H_4-CO-)_n + 2n\,H_2O$$

Это упрощённая схема получения полиэфирного волокна (в промышленности известного как лавсан). Обратите внимание на ключевое отличие от полимеризации: в реакции выделяется вода, а значит, элементарное звено легче суммы исходных мономеров — часть массы «ушла» в побочный продукт.

Точно тот же принцип поликонденсации вы уже видели в уроке 20 — только там мономером была не пара «спирт + кислота», а аминокислота, в которой обе реакционноспособные группы ($-NH_2$ и $-COOH$) находятся в одной молекуле. Соединяясь друг с другом с отщеплением воды, аминокислоты образуют пептидную связь и выстраиваются в белок:

$$n\,H_2N-CHR-COOH \longrightarrow (-HN-CHR-CO-)_n + (n-1)\,H_2O$$

Значит, белок — это природный полиамид, полученный поликонденсацией аминокислот, а полиэфирное волокно — синтетический аналог того же принципа, только с другими функциональными группами.

Сравнение двух способов

Признак	Полимеризация	Поликонденсация
Что нужно у мономера	Кратная связь ($C=C$ или система связей)	Две реакционноспособные группы (бифункциональность)
Побочный продукт	Не образуется	Отщепляется низкомолекулярное вещество (чаще $H_2O$)
Состав звена	Совпадает с мономером	Отличается от суммы мономеров на массу отщеплённого продукта
Примеры	Полиэтилен, полипропилен, ПВХ, синтетические каучуки	Полиэфирные волокна, полиамидные волокна, белки

Классификация полимеров по практическому назначению

• Пластмассы — материалы на основе полимеров, способные принимать заданную форму под давлением и нагревом и сохранять её после охлаждения (полиэтилен, полипропилен, ПВХ, полистирол).
• Волокна — полимеры, вытянутые в тонкие прочные нити. Природные волокна — это уже знакомая вам целлюлоза (хлопок, лён, урок 18) и белковые волокна (шерсть, шёлк, урок 20); синтетические волокна — продукт поликонденсации (полиэфирные, полиамидные).
• Каучуки — эластичные полимеры на основе диенов, способные сильно растягиваться и возвращаться к исходной форме. Природный каучук выделяют из млечного сока каучуконосных растений, синтетический получают полимеризацией диенов (урок 9).

Строение макромолекул: от линейной цепи до пространственной сетки

Свойства полимера определяются не только способом получения, но и тем, как макромолекулы расположены друг относительно друга.

• Линейные макромолекулы — длинные незамкнутые цепи без поперечных связей между собой; при нагревании они способны скользить друг относительно друга. Материалы на такой основе называют термопластами: они размягчаются при нагревании и снова твердеют при охлаждении, и это можно повторять многократно (полиэтилен, полипропилен, ПВХ).
• Разветвлённые макромолекулы — к основной цепи присоединены боковые ответвления, из-за чего цепи упаковываются рыхлее, а материал получается менее плотным.
• Пространственные (сетчатые) макромолекулы — соседние цепи «сшиты» друг с другом поперечными связями в единую сетку. Такие материалы называют реактопластами: однажды застыв, они уже не переходят повторно в пластичное состояние при нагревании, а при сильном нагреве разрушаются, а не плавятся.

Наглядный пример перехода от линейной структуры к пространственной — вулканизация каучука: при нагревании с серой соседние линейные цепи каучука сшиваются поперечными мостиками $-S-S-$, липкий эластичный каучук превращается в прочную резину, а число и длина таких мостиков определяют, насколько материал жёсткий (от мягкой резины до твёрдого эбонита).

Природные биополимеры: собираем картину целиком

К этому моменту курса вы уже разбирали природные биополимеры по отдельности — соберём их в одну систему.

• Белки — природные полиамиды, построенные поликонденсацией аминокислот (урок 20). Их роль в организме — строительная, ферментативная, транспортная и множество других.
• Полисахариды — крахмал и целлюлоза, полимеры глюкозы (урок 18). И то, и другое построено из остатков одного и того же мономера — глюкозы, но разным способом соединения звеньев, из-за чего свойства (растворимость, усвояемость, механическая прочность) сильно различаются.

Нуклеиновые кислоты: биополимеры наследственности (ознакомительно)

Чтобы картина мира биополимеров была полной, нужно упомянуть ещё один класс — нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК. Это тоже полимеры, только их мономерами служат не аминокислоты и не глюкоза, а нуклеотиды — более сложные молекулы, в состав которых входят азотистое основание, углеводный остаток и остаток фосфорной кислоты. Соединяясь в длинные цепи, нуклеотиды образуют молекулу, которая хранит и передаёт наследственную информацию организма.

Подробное строение нуклеотидов и механизмы работы ДНК и РНК выходят за рамки этого курса — это отдельная большая тема на стыке органической химии и биологии. Здесь важно только одно: рядом с «энергетическими» и «строительными» биополимерами (полисахаридами и белками) в живой клетке есть ещё и «информационный» биополимер, и все три вместе как раз и составляют молекулярную основу жизни.

Примеры и разбор

Пример 1. Тип реакции получения полимера

Задача: Определите, какой реакцией — полимеризацией или поликонденсацией — получают: а) полипропилен из пропилена; б) капрон (полиамидное волокно) из аминокапроновой кислоты $H_2N-(CH_2)_5-COOH$; в) синтетический каучук из бутадиена.

Разбор: Смотрим на строение мономера. Пропилен $CH_2=CH-CH_3$ и бутадиен $CH_2=CH-CH=CH_2$ содержат кратные связи и не имеют функциональных групп, способных отщеплять побочный продукт, — значит, оба полимеризуются. Аминокапроновая кислота кратных связей не имеет, зато несёт сразу две реакционноспособные группы — $-NH_2$ и $-COOH$; при их взаимодействии друг с другом (по принципу пептидной связи) отщепляется вода — значит, это поликонденсация.

Вывод: наличие кратной связи в мономере — верный признак полимеризации; наличие двух функциональных групп на концах молекулы без кратных связей — признак поликонденсации.

Пример 2. Определение мономера по формуле полимера

Задача: Дан фрагмент полимера $(-CH_2-CHCl-)_n$. Определите мономер, назовите его и сам полимер.

Разбор: Раз полимер получен полимеризацией (в звене нет «лишних» атомов и следов отщепления воды), элементарное звено по составу совпадает с мономером. Мысленно возвращаем связь между двумя атомами углерода звена из одинарной в двойную — получаем $CH_2=CHCl$, хлорэтен (винилхлорид). Сам полимер — поливинилхлорид (ПВХ).

Вывод: чтобы восстановить мономер по звену продукта полимеризации, достаточно «вернуть» одну из σ-связей внутри звена в π-связь.

Пример 3. Расчёт степени полимеризации

Задача: Средняя молярная масса образца полиэтилена — 140 000 г/моль. Определите среднюю степень полимеризации $n$.

Разбор: Степень полимеризации — это отношение молярной массы полимера к молярной массе элементарного звена (для полиэтилена оно же — мономер, этилен, $M = 28$ г/моль):

$$n = \frac{M_{\text{полимера}}}{M_{\text{звена}}} = \frac{140\,000}{28} = 5000$$

Вывод: макромолекула этого образца полиэтилена состоит примерно из 5000 повторяющихся звеньев $-CH_2-CH_2-$.

Пример 4. Природный или синтетический, полимеризация или поликонденсация

Задача: Распределите по двум признакам: целлюлоза, лавсан, натуральный каучук, белок.

Разбор: Целлюлоза — природный полимер, получается в природе поликонденсацией остатков глюкозы (с отщеплением воды при образовании гликозидной связи). Лавсан — синтетический полимер, получаемый поликонденсацией диола и двухосновной кислоты. Натуральный каучук — природный полимер, но по механизму образования (в растении) и по строению соответствует продукту полимеризации диена (изопрена). Белок — природный полимер, полиамид, продукт поликонденсации аминокислот.

Вывод: «природный / синтетический» и «полимеризация / поликонденсация» — два независимых признака: оба типа реакций встречаются и в живой природе, и в промышленном синтезе.

Пример 5. Термопласт или реактопласт

Задача: Изделие из полиэтилена расплавили и заново отформовали в другую вещь. Изделие из отверждённой эпоксидной смолы при сильном нагревании начало обугливаться, но не расплавилось. Объясните разницу в поведении на уровне строения макромолекул.

Разбор: Полиэтилен — линейный полимер: его макромолекулы не связаны друг с другом поперечными связями и способны скользить относительно друг друга при нагревании, поэтому материал плавится и может многократно менять форму — это термопласт. Отверждённая эпоксидная смола — пространственный (сетчатый) полимер: макромолекулы жёстко сшиты поперечными связями в единую сетку, поэтому при нагревании сетка не может «распутаться» на отдельные цепи — материал разрушается, но не плавится, это реактопласт.

Вывод: способность многократно плавиться и заново затвердевать — практический признак линейного термопласта; разрушение без плавления — признак сетчатого реактопласта.

Проверьте себя

1. Чем принципиально отличается элементарное звено полимера, полученного поликонденсацией, от исходного мономера?
2. Почему для реакции полимеризации обязательно нужна кратная связь в молекуле мономера?
3. Приведите пример полимера, полученного полимеризацией, и назовите его мономер.
4. Приведите пример полимера, полученного поликонденсацией, и укажите, какая небольшая молекула при этом отщепляется.
5. Почему белок можно назвать природным полиамидом?
6. Крахмал и целлюлоза построены из одного и того же мономера — глюкозы. Почему тогда их свойства так сильно различаются?
7. Как, зная молярную массу полимера и элементарного звена, оценить степень полимеризации?
8. Чем нуклеиновые кислоты как биополимеры принципиально отличаются по своей роли от белков и полисахаридов?

Коротко о главном

• Полимер — высокомолекулярное соединение из множества повторяющихся элементарных звеньев; число звеньев в цепи называют степенью полимеризации ($n$).
• Полимеризация — соединение мономеров с кратной связью без отщепления побочных продуктов; звено полимера по составу совпадает с мономером (полиэтилен, полипропилен, ПВХ, синтетические каучуки).
• Поликонденсация — соединение бифункциональных мономеров с отщеплением простой молекулы (обычно воды); звено легче суммы мономеров (полиэфирные и полиамидные волокна, белки).
• По практическому назначению полимеры делят на пластмассы, волокна (природные и синтетические) и каучуки.
• Белки — природные полиамиды из аминокислот; полисахариды (крахмал, целлюлоза) — природные полимеры глюкозы: оба образуются по механизму, родственному поликонденсации.
• Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) — биополимеры из нуклеотидов, несущие наследственную информацию; в отличие от белков и полисахаридов, их роль не строительная и не энергетическая, а информационная.
• По строению макромолекулы бывают линейными (термопласты — плавятся многократно), разветвлёнными и пространственными, сетчатыми (реактопласты — при нагревании не плавятся, а разрушаются); вулканизация серой превращает линейный каучук в сетчатую резину.
• Степень полимеризации можно оценить как отношение молярной массы полимера к молярной массе элементарного звена.

Куда дальше

Вот и пройден весь путь: от вопроса «а что вообще считать органическим веществом» в первом уроке — до понимания того, как устроены материалы вокруг нас и молекулярная основа самой жизни. По дороге вы разобрали строение и номенклатуру, все основные классы углеводородов и их производных, генетические связи между ними и, наконец, принципы устройства полимеров и биополимеров — фундамент, на котором стоит вся дальнейшая органическая химия.

Дальше — вам решать, куда двигаться. Если на сайте появятся новые миникурсы, это будет естественным продолжением; а если вы готовитесь к экзамену прямо сейчас, самое время перейти в основной раздел «Теория» — там материал выстроен под кодификатор ЕГЭ и ЦТ, и всё, что вы прошли здесь «с нуля», сделает эту подготовку заметно легче.