CHƯƠNG 4. Bài 16. Đại cương về Polime

I- KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ DANH PHÁP

1. Khái niệm

Polime là những hợp chất có nguyên tử khối rất lớn do nhiều đơn vị nhỏ (gọi là mắt xích) liên kết với nhau.

Thí dụ: Polietilen (−CH₂−CH₂−)n do các mắt xích −CH₂−CH₂− liên kết với nhau; Nilon −6(−NH[CH₂]₅CO−)n do các mắt xích −NH[CH₂]₅CO 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 hệ số polime hóa trung bình; n càng lớn, phân tử khối lượng polime càng cao. Các phân tử tạo nên từng mắt xích của polime (thí 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 nhiên nhiên như cao su, xenlulozơ,...); polime tổng hợp (do con người tổng hợp nên) như polietilen, nhựa phenol-fomanđehit,...và polime nhân tạo hay bán tổng hợp (như chế hóa một phần poime thiên nhiên) như xenlulozơ trinitrat, tơ visco,...

- Theo cách tổng hợp, ta phân biệt polime trùng hợp (tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp) và polime trùng ngưng (tổng hợp bằng phản ứng trùng ngưng).

Thí dụ:

3. Danh pháp

Tên của các polime được cấu tạo bằng cách ghép từ poli trước tên monome.

Thí dụ: (−CH₂−CH₂−)n là polietilen, (−C₆H₁₀O₅−)n là polisaccarit,...

Nếu tên monome gồm 2 từ trở lên hoặc từ hai monome tạo nên polime thì tên monome phải để ở trong ngoặc đơn. Thí dụ:

II- CẤU TRÚC

1. Các dạng cấu trúc của polime

Các mắt xích của polime có thể nối với nhau thành mạch không phân nhánh như amilozơ (hình a),...mạch phân nhánh như amilopentin, glicogen (hình b),...và mạch không gian như nhựa bakelit, cao su lưu hóa (hình c),...

Hình: Các kiểu mạch polime

(mỗi hình tròn tương tự một mắt xích monome, mỗi vòng 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 một trật tự nhất định, chẳng hạn theo kiểu ''đầu nối với đuôi'', người ta nói polime có cấu tạo điều hòa. Thí dụ:

- Nếu các mắt xích trong mạch polime nối với nhau không theo trật tự nhất định, chẳng hạn chỗ thì kiểu "đầu nối đầu", chỗ thì ''đầu nối đuôi'' người ta nói polime có cấu tạo không điều hòa. Thí dụ:

III- TÍNH CHẤT

1. Tính chất vật lí

Hầu hết các polime là những chất rắn không bay hơi, không có nhiệt độ nóng chảy 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 thường, mốt số tan được trong dung môi thích hợp tạo ra dung dịch nhớt, thí 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 thành sợi dai bền (nilon −6, nilon −6,6,...). Có polime trong suốt 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 chất hóa học

Polime có thể tham gia phản ứng giữ nguyên mạch, phân cách mạch và khâu mạch.

a) Phản ứng giữ nguyên mạch polime

Các nhóm thay thế đính vào mạch polime có thể tham gia phản ứng mà không làm thay đổi mạch polime. Thí dụ: Poli (vinyl axetat) bị thủy phân cho poli (viny ancol):

Những polime có liên kết đôi trong mạch có thể tham giá phản ứng cộng vào liên kết đôi mà không làm thay đổi mạch polime. Thí dụ: cao su tác dụng với HCl cho cao su hiđroclo hóa:

b) Phản ứng phân cắt mạch polime

Tinh bột, xenlulozơ, protein, nilon,... bị thủy phân cắt mạch trong môi trường axit, polistiren bị nhiệt phân cho stiren, cao su thiên nhiên bị nhiệt phân cho isopren,...

Thí dụ:

(−NH[CH₂]₅CO−)_n+nH₂O→t^o,xt  nH₂N[CH₂]₅COOH

Polime trùng hợp bị nhiệt phân hay quang phân thành các đoạn nhỏ và cuối 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 lưu hóa, các mạch polime được nối với nhau bởi các cầu −S−S−. Khi đun nóng nhựa rezol thu được nhựa rezit, trong đó các mạch polime được khâu với nhau bởi các nhóm −CH₂−:

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 vòng kém bền như:

Thí dụ:

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. Thí dụ:

2. Phản ứng  trùng ngưng

Khi đun nóng, các phân tử axit ϵ−aminocaproic kết hợp với nhau tạo ra policaproamit và giải phóng những phân tử nước:

Khi đun nóng hỗn hợp axit terephtalic và etylen glicol, ta thu được một polieste gọi là poli (etylen-terephtalat) đồng thời giải phóng những phân tử nước:

Các phản ứng trên gọi là phản ứng trùng ngưng.

Vậy trùng ngưng là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monome) thành phân tử 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. Thí dụ: HOCH₂CH₂OH và HOOCC₆H₄COOH;H₂N[CH₂]₆NH₂ và HOOC[CH₂]₅COOH;H₂N[CH₂]₅COOH;...