ポリマーと重合:有機化学の総合ガイド

ポリマーとモノマーとは何ですか?

ポリマーは、複数の繰り返しサブユニットで構成される大きな分子 (高分子として知られています) です。各ポリマーを構成するこれらの単純なサブユニットはモノマーとして知られています。実際、ポリマーという用語は多くのモノマーを意味します。モノマーは各ポリマーの構成要素です。ポリマーの形成は重合と呼ばれます。

ポリマーはモノマー サブユニットから形成されるため、ポリマー鎖の作成には、目的のポリマーが形成されるまで複数のモノマー ユニットを組み合わせること (成長とも呼ばれます) が含まれます。

鎖状の構造を持つポリマーは細胞内に自然に存在するほか、人工的に合成することもできます。日常生活に欠かせないポリマーは、あらゆる構造、質量 (分子量)、または機能を備えています。

重合とは何ですか?

重合は、モノマーを結合してポリマー鎖を形成するプロセスです。重合プロセスに基づいて、モノマーは官能基反応を通じて、または反応性反応中間体 (フリーラジカルの増殖) の生成によって結合します。

ポリマーは、多くの場合、何千もの単一のモノマーから作成される繰り返しモノマー グループの鎖です。複数の種類の重合を使用すると、重合プロセスで多数のモノマーが結合して高分子が形成されることがあります。

さまざまな種類の重合

付加重合とは、モノマーと触媒が 3 段階のプロセスで相互に反応することです。 3 つのステップは、開始、伝播、および終了です。

最初のステップである開始には、モノマーがアルケン付加反応を受けることが含まれます。付加重合の場合、モノマーは通常 1 つの炭素間二重結合を持ちます。触媒は通常、フリーラジカル過酸化物です。

たとえば、触媒を使用してエチレン分子を成長させると、ポリエチレン/ポリエチレンが形成されます。

2. 段階反応 (縮合) 重合

フリーラジカル成長ステップの代わりに、縮合重合には、互いに直接反応する 2 つの反応性官能基または末端基を持つモノマーが含まれます。これらの反応では、水、アンモニア、HCl などの副生成物が生成されることがよくあります。

官能基が反応した後、2 つのモノマーは結合を形成し、他の官能基との結合を続けます。

付加重合と比較して、縮合重合はより高い温度を必要とするため、ポリマーの分子量が低くなります。

たとえば、ポリエステル (ポリマーのカテゴリー) のモノマーはエステル官能基によって結合されています。

モノマーからポリマーへ

モノマーからポリマーを形成する場合、重合は通常、ポリマーの鎖長を伸ばす複数の反応を含む多段階のプロセスです。

たとえば、 付加重合は開始から始まります。 、モノマーの二重結合が触媒と反応し、二重結合が切断されてフリーラジカルが形成されます (価数選択)。開始ステップでは、熱吸収や光照射によってフリーラジカルが生成されることもあります

次に、 モノマーは増殖します。 ステップ。モノマーは開始ステップで形成されたフリーラジカルと継続的に結合し、ポリマー鎖を形成します。増殖では開始ステップが繰り返され、フリーラジカルの形成が維持され、さらに多くのモノマーと反応します。

ポリマーを完成させる最後のステップは末端処理です。 フリーラジカルの伝播を非活性化するステップ。フリーラジカル副生成物がポリマー末端と反応するか、2 つの不完全なポリマー鎖が相互に反応する場合、停止ステップによってフリーラジカルの成長が停止し、完全なポリマーが生成されます。

ポリマーの構造カテゴリ

特性や挙動が多様であるため、すべてのポリマーを同じシステムに分類することはできません。ポリマーはモノマー基の繰り返しからなる鎖として定義されるため、ポリマーには異なる目的を持つさまざまな高分子が含まれます。

したがって、ポリマーには、自然の入手可能性、高温への耐性、分子力に至るまで、さまざまな分類が存在します。以下に、モノマー鎖構造に基づくポリマーのカテゴリを示します。

• 線状ポリマー

名前の通り、線状ポリマーは、弱いファンデルワールス結合と水素結合によって結合された長くて真っ直ぐなポリマー鎖です。

これらのポリマーは高密度に固まり、沸点と融点が高くなります。線状ポリマーの例としては、ポリ塩化ビニル (PVC)、テフロン、ポリスチレンなどがあります。

• 分岐鎖ポリマー

分岐鎖ポリマーは、二次ポリマー鎖が結合した線状ポリマーです。直鎖ポリマー鎖の代わりに、分岐鎖ポリマーは木の枝に似ており、他の鎖が主骨格から伸びています。

分岐の長さが異なるため、分岐鎖ポリマーの密度と融点/沸点は低くなります。例としては、デンプンやグリコーゲンが挙げられます。

• 架橋ポリマー

架橋ポリマーは、共有結合基で結合したポリマー鎖のグループです。これらのポリマーは多くの場合、はしごに似ています。多くの可鍛性ポリマーは、共有結合でポリマー鎖を結合する化学架橋 (無水物硬化剤の添加) を受けます。

架橋プロセスの後、分子はその形状を維持する、より硬く安定した構造を持ちます。例としては、加硫ゴム、ガラス繊維、エポキシ、アクリレート樹脂などがあります。

日常生活における重合とポリマー

よく使用されるポリマーの例としては、ポリ塩化ビニル (PVC)、低密度ポリエチレン (LDPE)、ナイロン、テフロン、ポリメタクリル酸メチル (アクリル) などがあります。ポリマーは、キッチン、工場、教室、建設現場など、ほぼすべての日常環境に普及しています。

1869 年のポリマーの発明により、ポリマー産業が急成長し、プラスチック、加硫ゴム、および日常生活を改善するその他の物質が製造されました。すべてのプラスチック、合成繊維、アクリルの製造は重合プロセスに依存しているため、ポリマーは現代生活において不可欠な要素となっています。