Мономеры — строительные блоки полимеров¶
Мономеры (от др.-греч. μόνος — «один» и μέρος — «часть») — низкомолекулярные соединения, молекулы которых способны к многократному соединению друг с другом с образованием высокомолекулярных соединений — полимеров. Молекулярная масса мономеров, как правило, не превышает нескольких сотен единиц атомной массы. Процесс превращения мономеров в полимер называется полимеризацией, а обратный процесс — деполимеризацией.
¶Классификация мономеров
Мономеры классифицируют по нескольким признакам.
По химическому строению:
- Углеводородные — алкены (этилен, пропилен, бутадиен), ацетиленовые соединения, диены;
- Гетероциклические — оксид этилена, капролактам, пропиленоксид;
- Содержащие функциональные группы — акриловая и метакриловая кислоты, виниловый спирт, хлористый винил;
- Природные — аминокислоты (для белков), моносахариды (для полисахаридов), нуклеотиды (для нуклеиновых кислот).
По числу функциональных групп различают бифункциональные мономеры (две активные группы, например гликоль или диамин) и полифункциональные (три и более группы, например тримеллитовая кислота), которые приводят к образованию сшитых (трёхмерных) полимеров.
По механизму полимеризации мономеры делят на:
- Олефиновые (виниловые) — полимеризуются по механизму цепной реакции с раскрытием двойной связи C=C;
- Карбонильные — альдегиды и кетоны;
- Гетероциклические — раскрываются гетероциклы;
- Мономеры для поликонденсации — несодержащие кратных связей, с двумя или более функциональными группами.
¶Наиболее распространённые мономеры
| Мономер | Формула | Полимер | Применение полимера |
|---|---|---|---|
| Этилен | CH₂=CH₂ | Полиэтилен | Плёнки, трубы, упаковка |
| Пропилен | CH₂=CH–CH₃ | Полипропилен | Трубы, ткани, детали |
| Стирол | CH₂=CH–C₆H₅ | Полистирол | Пенопласт, упаковка |
| Хлористый винил | CH₂=CHCl | ПВХ | Трубы, покрытия |
| Тетрафторэтилен | CF₂=CF₂ | ПТФЭ (тефлон) | Непригарные покрытия |
| Капролактам | C₆H₁₁NO | Капрон (нейлон-6) | Ткани, нити |
| Формальдегид | HCHO | Фенолформальдегидные смолы | Пластики, клеи |
| Бутадиен | CH₂=CH–CH=CH₂ | Бутадиеновый каучук | Шины |
¶Свойства мономеров
Для полимеризации пригодны далеко не все низкомолекулярные вещества. Ключевым требованием является наличие в молекуле двойной или тройной связи, гетероцикла либо двух и более функциональных групп, способных к взаимодействию. Мономеры должны обладать достаточной реакционной способностью, но при этом быть достаточно стабильными при хранении.
Многие мономеры — жидкие вещества с характерным запахом, некоторые токсичны и канцерогенны. Например, винилхлорид и бутадиен отнесены к веществам первого и второго классов опасности. Стирол раздражает слизистые оболочки. Работа с мономерами требует соблюдения мер безопасности: вентиляции, герметичности оборудования, контроля концентраций в воздухе рабочей зоны.
¶Механизмы полимеризации
¶Цепная полимеризация
Цепная (аддитивная) полимеризация протекает в три стадии: инициирование (образование активного центра — радикала или иона), рост цепи (присоединение мономеров к активному центру) и обрыв цепи. Инициаторами служат перекиси (пероксид бензоила, персульфаты), органические металлические соединения (катализаторы Циглера — Натта — соединения титана и алюминия) или инициаторы радикальной полимеризации.
¶Поликонденсация
Поликонденсация — стадийный процесс, при котором мономеры с двумя функциональными группами соединяются с выделением низкомолекулярного продукта (воды, спирта, хлороводорода). Пример — получение полиэтилентерефталата из терефталевой кислоты и этиленгликоля с выделением воды.
¶Полиаддитивная реакция
Полиаддитивная реакция — объединение мономеров без выделения побочных продуктов, например отверждение эпоксидных смол с аминными отвердителями.
¶Получение мономеров
Основные источники мономеров — нефть и природный газ. Этилен и пропилен получают пиролизом нефтяного сырья при 800–900 °C. Бутадиен выделяют из C4-фракций. Ацетилен получают электроразложением метана или из карбида кальция. Аминокислоты-мономеры для синтеза белка получают биосинтезом или химическим синтезом. В России крупнейшими производителями мономеров являются «Сибур», «Нижнекамскнефтехим», «Казаньоргсинтез».
¶Применение мономеров
Мономеры используются преимущественно как сырьё для полимерной промышленности. Помимо этого:
- в медицине — синтез биоразлагаемых полимеров для имплантов и шовного материала;
- в фармацевтике — производство полимерных носителей лекарств;
- в электронике — мономеры для получения фотополимерных композиций и диэлектриков;
- в сельском хозяйстве — акриламид и его полимеры для обработки почв.
¶Экология и безопасность
Утечки мономеров в атмосферу и воду представляют экологическую проблему. Этилен, пропилен и бутадиен — горючие газы, способные образовывать взрывоопасные смеси с воздухом. Винилхлорид признан канцерогеном. При этом полимеры, полученные из мономеров, инертны и при нормальных условиях безопасны. Проблема утилизации полимеров остаётся одной из ключевых экологических задач.
Источники:
- Руденко А. И., Кучин А. В. «Химия высокомолекулярных соединений»
- Кардашов С. Н. «Основы химии и технологии мономеров»
- «Большая химическая энциклопедия»
- Фрунзе С. М., Кренцкая Л. В. «Полимеризация мономеров в растворах»