Đại cương về polime

ĐẠI CƯƠNG VỀ POLIME A. LÝ THUYẾT I. KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ DANH PHÁP 1. Khái niệm Polime là những hợp chất có phân tử khối rất lớn do nhiều đơn vị nh ỏ (g ọi là mắt xích) liên kết với nhau. Ví dụ : Polietilen (–CH2 – CH2–)n do các mắt xích –CH2–CH2– liên kết với nhau. Nilon-6 (–NH–[CH2] –CO–)n do các mắt xích –NH–[CH2]5–CO– tạo nên. n được gọi là hệ số polime hóa hay độ polime hóa. Polime thường là hỗn hợp của các phân tử có hệ số polime hóa khác nhau, vì vậy đôi khi người ta còn dùng khái niệm độ polime hóa trung bình, n càng lớn, phân tử khối của polime càng cao. Các phân tử tạo nên t ừng mắt xích của polime (ví dụ : CH2 = CH2) được gọi là monome. 2 . Phân loại Người ta có thể phân loại polime theo những cách sau đây : ● Theo nguồn gốc, ta phân biệt polime thiên nhiên (có nguồn gốc từ thiên nhiên như cao su, xelulozơ,...; polime tổng hợp (do con người tổng hợp nên) như polietilen, nhựa phenolfomanđehit,... và polime nhân tạo hay bán tổng hợp (do chế hóa một phần polime thiên nhiên) như xenlulozơ trinitrat, tơ visco,... ● Theo cách tổng hợp, ta phân biệt polime trùng hợp (tổng hợp bằng phản ứng trùng hợp) và polime trùng ngưng (tổng hợp bằng phản ứng trùng ngưng). Ví dụ : (–CH2–CH2–)n và (–CH2–CHCl–)n là các polime trùng hợp. (–HN–[CH2]6–NH–CO–[CH2]4–CO–)n là các polime trùng ngưng. ● Theo cấu trúc, ta phân biệt polime có mạch không phân nhánh (PVC, PE, PS, cao su, xenlulozơ, tinh bột...), polime có mạch nhánh (amilopectin, glicogen), polime có c ấu trúc mạng không gian (rezit, cao su lưu hóa). 3. Danh pháp Tên của các polime được cấu tạo bằng cách ghép từ poli trước tên monome. Ví dụ : (–CH2–CH2–)n là polietilen và (–C6H10O5–)n là polisaccarit,... Nếu tên monome gồm 2 từ trở lên hoặc từ hai monome tạo nên polime thì tên monome phải để trong ngoặc đơn. Ví dụ : (–CH2–CHCl– )n ; (–CH2–CH=CH–CH2–CH(C6H5)–CH2–)n poli(vinyl clorua) poli(butađien - stiren) Một số polime có tên riêng (tên thông thường). Ví dụ : (–CF2–CF2–)n : Teflon ; (–NH– [CH2]5–CO–)n : Nilon-6 ; (C6H10O5)n : Xenlulozơ ;... II. CẤU TRÚC 1. Các dạng cấu trúc polime Các mắt xích của polime có thể nối với nhau thành mạch không nhánh như amiloz ơ (hình a),...mạch phân nhánh như amilopectin, glicogen (hình b),... và mạng không gian như nhựa bakelit, cao su lưu hóa (hình c),... a) b) c) Các kiểu mạch polime (mỗi hình tròn đỏ tương tự một mắt xích monome, mỗi hình tròn xanh tượng trưng cho nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử làm cầu nối) 2. Cấu tạo điều hòa và không điều hòa - Nếu các mắt xích trong mạch polime nối với nhau theo m ột tr ất t ự nh ất đ ịnh, ch ẳng h ạn theo kiểu “đầu nối với đuôi”, người ta nói polime có cấu tạo điều hòa. Ví dụ : -CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CHCl Cl Cl Cl Cl - Nếu các mắt xích trong mạch polime nối với nhau không theo một trất tự nhất đ ịnh, chẳng hạn chỗ thì kiểu “đầu nối với đầu”, chỗ thì “đầu nối với đuôi”, người ta nói polime có cấu tạo không điều hòa. Ví dụ : -CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH-CH2-CH2-CHCl Cl Cl Cl Cl II. TÍNH CHẤT 1. Tính chất vật lí Hầu hết các polime là những chất rắn, không bay h ơi, không có nhi ệt đ ộ nóng ch ảy xác định mà nóng chảy ở một khoảng nhiệt độ khá rộng. Đa số polime khi nóng chảy, cho chất lỏng nhớt, để nguội sẽ rắn lại chúng được gọi là chất nhiệt dẻo. Một số polime không nóng chảy mà bị phân hủy khi đun nóng, gọi là chất nhiệt rắn. Đa số polime không tan trong các dung môi thông th ường, một s ố tan đ ược trong dung môi thích hợp tạo ra dung dịch nhớt, ví dụ : cao su tan trong benzen, toluen,... Nhiều polime có tính dẻo (polietilen, polipropilen,...), một số khác có tính đàn hồi (cao su), số khác nữa có thể kéo được thành sợi dai bền (nilon-6, nilon-6,6,..). Có polime trong su ốt mà không giòn như poli(metyl metacrylat). Nhiều polime có tính cách điện, cách nhiệt (polietilen, poli(vinyl clorua),...) hoặc có tính bán dẫn (poliaxetilen, polithiophen). 2. Tính chát hóa học Polime có thể tham gia phản ứng giữ nguyên mạch, phân cắt mạch và khâu mạch. a. Phản ứng giữ nguyên mạch Các nhóm thế đính vào mạch polime có thể tham gia phản ứng mà không làm thay đ ổi mạch polime. Ví dụ : Poli(vinyl axetat) bị thủy phân cho poli(vinyl ancol) o t ® (CH2 – CH)n + nCH3COONa (CH2–CH )n + nNaOH ¾¾ OCOCH3 OH Những polime có liên kết đôi trong mạch có thể tham gia phản ứng cộng vào liên k ết đôi mà không làm thay đổi mạch polime. Ví dụ : Cao su tác dụng với HCl cho cao su hiđroclo hóa: CH2 C =C CH2 CH3 H CH2 H2C Cl nHCl C-C CH3 n H H n b. Phản ứng phân cắt mạch polime Tinh bột, xelulozơ, protein, nilon,...bị thủy phân cách mạch trong môi trường axit, polistiren bị nhiệt phân cho stiren, caosu thiên nhiên bị nhiệt phân cho isopren,... Ví dụ : o t , xt ® nH2N–[CH2]5–COOH (–NH–[CH2]5–CO–)n + nH2O ¾¾¾ Polime trùng hợp bị nhiệt phân hay quang phân thành các đo ạn nh ỏ và cu ối cùng là monome ban đầu, gọi là phản ứng giải trùng hợp hay đepolime hóa. c. Phản ứng khâu mạch polime Khi hấp nóng cao su thô với lưu huỳnh thì thu được cao su lưu hóa. Ở cao su l ưu hóa, các mạch polime được nối với nhau bởi các cầu nối –S–S–. Khi đun nóng nhựa rezol thu được nhựa rezit, trong đó các mạch polime được khâu với nhau bởi các nhóm –CH2– : OH OH CH2 CH2 CH2OH OH 0 150 C CH2 CH2 OH nH2O CH2 n rezol rezit Polime khâu mạch có cấu trúc mạng không gian do đó trở nên khó nóng chảy, khó tan và bền hơn so với polime chưa khâu mạch. IV. ĐIỀU CHẾ Có thể điều chế polime bằng phản ứng trùng hợp hoặc trùng ngưng. 1. Phản ứng trùng hợp Trùng hợp là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monome), giống nhau hay tương tự nhau thành phân tử rất lớn (polime). Điều kiện cần về cấu tạo của monome tham gia phản ứng trùng hợp là trong phân tử phải có liên kết bội (như CH2=CH2, CH2=CHC6H5, CH2=CH–CH=CH2) hoặc là vòng kém bền như : CH2 - CH2 CH2 - CH2 - C =O CH2 - CHCH2Cl O H2C O CH2 - CH2 - NH ,... xt, t o ,p Ví dụ : nCH2 = CHCl ¾¾¾® ( CH2 – CHCl )n vinyl clorua(VC) poli(vinyl clorua) (PVC) CH2 - CH2 - C =O n H2C 0 xt,t CH2 - CH2 - NH ( NH[CO2]5CO ) n caprolactam tơ capron Người ta phân biệt phản ứng trùng hợp thường (chỉ của một loại monome như trên) và phản ứng đồng trùng hợp của một hỗn hợp monome. Ví dụ : o nCH2 CH CH CH2 + nCH CH2 t , p, xt C6H5 CH2 CH CH CH2 CH CH2 n C6H5 Poli(butađien – stiren) 2. Phản ứng trùng ngưng Khi đun nóng, các phân tử axit  - amino caproic kết hợp với nhau tạo ra policaproamit và giải phóng những phân tử nước : nH2N[CH2]5COOH xt, to, p NH[CH2]5CO n + nH2O axit -aminocaproic policaproamit(nilon-6) Khi đun nóng hỗn hợp axit terephtaric và etylen glycol, ta thu đ ược m ột polieste g ọi là poli(etylen-terephtarat) đồng thời giải phóng những phân tử nước : nHOOC C6H4 COOH + nHO CH2 CH2 OH axit terephtalic etylen glicol xt, to, p CO C6H4 CO O CH2 CH2 O n + 2nH2O poli(etylen terephtalat) (lapsan) Các phản ứng trên được gọi là phản ứng trùng ngưng. Vậy : Trùng ngưng là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monome)thành phân tử rất lớn (polime) đồng thời giải phóng những phân tử nhỏ khác (như H2O,...) Điều kiện cần để có phản ứng trùng ngưng : Các monome tham gia phản ứng trùng ngưng phải có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng để tạo được liên kết với nhau. Ví dụ : HOCH2CH2OH và HOOCC6H4COOH ; H2N[CH2]6NH2 và HOOC[CH2]5COOH ; H2N[CH2]5COOH ;….