Wykład 1
CEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW) Uniwersytet Jagielloński Kraków, 2003-2004 Stanisław Penczek Polska Akademia Nauk Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych, Łódź
CEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW) Terminy i program wykładu: -piątki, 12:00-14:00; co dwa tygodnie, 2 semestry, ~30 godzin 1. Makrocząsteczki/polimery; definicje, podstawowe pojęcia 2. Masy cząsteczkowe, masy molowe makrocząsteczek. Mikrostruktura. Polikondensacja. Polimeryzacja łańcuchowa, kinetyka, mechanizmy. Termodynamika. 3. Nowe metody polireakcji. 4. Topologia. Dendrymery, gwiazdy, szczotki, kopolimery multiblokowe 5. Biomakrocząsteczki, biopolimery, polimery biomedyczne 6. Polimery o znaczeniu przemysłowym. Nano-bio-info. Ważniejsze nowe zastosowania
CEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW) - makrocząsteczka- makromolekuła (cząsteczka polimeru): pojedyncza (oddzielna) wielka cząsteczka ( makro ) - polimer: (substancja) skupisko makrocząsteczek makrocząsteczka polimer (często zamiast słowa makrocząsteczka używa się terminu polimer, ale nigdy odwrotnie)
POLIMERY i MAKROCZĄSTECZKI etylen (monomer) C C polietylen- makrocząsteczka C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C
POLIMERY i MAKROCZĄSTECZKI cyklooktasiarka (monomer) s s s s s s s s polisiarka... S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S...
CEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW) Makrocząsteczki, polimery - skąd wiadomo, że są długimi łańcuchami, w których elementy połączone są (na ogół) wiązaniami kowalencyjnymi? erman Staudinger (~1920) ( Nagroda Nobla 1953 ) -lepkość roztworów i grupy końcowe- OC 2 C 2 (OC 2 C 2 ) n O : im mniej grup końcowych - tym większa lepkość r.ru (wcześniejsza hipoteza <np. E. Fischer, in.> agregaty substancji małocząsteczkowych) O.. O.. O O.. O.. O
CEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW) Zdjęcie w mikroskopie elektronowym kolistej cząsteczki DNA
MAKROCZĄSTECZKI (POLIMERY) SUPRAMOLEKULARNE POŁĄCZONE WIĄZANIAMI WODOROWYMI O R' N J.M.Lehn :Chemia supramolekularna C O R N N N N N N R O C N O R' R.Nolte, wykład : Piza 09.2002
Polimery technicznie użyteczne (folia) z RNA z przeciwjonem lipidowym BIO Techno - Nano Przezroczysta i elastyczna folia otrzymana z połączenia kompleksowego RNA i soli amoniowej ( z r-ru w rozpuszczalniku organicznym i z jedoosiowym rozciągiem). A transparent flexible RNA-aligned film prepared by casting organosoluble RNA/lipid complexes and subsequent uniaxial stretching. Yu oshino a.o., Macromol. Rapid Commun., 2002, 23, No. 4, 253
CEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW) Atomy, cząsteczki (małe) i makrocząsteczki (wielkie) masa cząsteczkowa kiedy cząsteczka jest już makrocząsteczką? : kiedy pojawią się właściwości typowe dla polimerów cząsteczka polietylenu (makrocząsteczka) ogniwo łańcucha (jednostka powtarzalna), powtórzone tysiąc lub więcej razy (ponad milion w biomakrocząsteczkach DNA) masa molowa 10.000-3.000.000
CZĄSTECZKA -MAKROCZĄSTECZKA? C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C... Temperatura topnienia / o C 150 100 50 0-50 -100 10 100 1000 10000 "n" w C n 2n+2 Etan: Butan: eksan: Oktan: Dekan: Dodekan: Tetradekan: eksadekan: Oktadekan: Eikozan: Trikontan: Tetrakontan: Pentakontan: -C 2 C 2 - -(C 2 C 2 ) 2 - -(C 2 C 2 ) 3 - -(C 2 C 2 ) 4 - -(C 2 C 2 ) 5 - -(C 2 C 2 ) 6 - -(C 2 C 2 ) 7 - -(C 2 C 2 ) 8 - -(C 2 C 2 ) 9 - -(C 2 C 2 ) 10 - -(C 2 C 2 ) 15 - -(C 2 C 2 ) 20 - -(C 2 C 2 ) 25 - Polietylen: -(C 2 C 2 ) n - Dla dostatecznie dużych długości łańcucha C 3 -C n 2n -C 3 niektóre właściwości cząsteczki praktycznie przestają zależeć od n (i od grup końcowych) - wówczas mamy do czynienia z makrocząsteczką
CEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW) Wielkości typowych struktur, występujących w syntezie chemicznej, w biologii oraz w mikro (nano) technologii (wg Shimizu/Whitesides) Toshimi Shimizu, Macromol. Rapid Commun., 2002, 23, No. 5/6, 311 Relative size distribution of typical structures formed by synthetic chemistry, biology, and microfabrication. This schematic illustration was drawn on the basis of a review article by Whitesides et al.
CEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW) Masa cząsteczkowa (Mc) jest masą określonej cząsteczki, wyrażoną w atomowych jednostkach masy, gramach lub jednostkach pochodnych (masa atomowa: ditto dla atomu) Masa molowa (Mm) jest masą jednego mola wyrażoną w gramach (jednostka: gram mol -1 ) (masa molowa <Mm> jest taką liczbą gramów danej substancji (danych cząsteczek), która jest co do wielkości równa jej (względnej) masie cząsteczkowej <Mc>, wyrażonej w atomowych jednostkach masy)
CEMIA MAKROCZĄSTECZEK (POLIMERÓW) Polimery- substancje składające się z wielu makrocząsteczek o różnych masach molowych ( rozkład Mm - polidyspersja) (przyczyny występowania POLIDYSPERSJI mas molowych omówione będą później- statystyczny charakter procesów polimeryzacji) pomiary Mm dostarczają informacji o średnich Mm ; rodzaj średniej służy do opisu różnych właściwości i zależy od metody pomiaru : - liczba cząsteczek: (np.)- osmometria - grupy końcowe - masa (rozmiar) cząsteczek: - rozpraszanie światła chromatografia cieczowa
PORÓWNANIE ROZMIARÓW NIEKTÓRYC MAKROCZĄSTECZEK NATURALNYC I SYNTETYCZNYC makrocząsteczka cechy szczególne masa molowa długość średnica mm nm ( 1 mm =10 6 nm ) Polietylen "zwykły 100.000 0.001 ~0.2 "ultra" 3.000.000 0.03 ~0.2 DNA Pałeczka okrężnicy 2.500.000.000 1. 3 ~2.0 Genom człowieka ~1500. j.w. (całkowity materiał ( 1.5m = 1.5. 10 9 nm ) genetyczny komórki) l/d=10 9 Gdyby średnica była równa 1mm, to długość wyniosłaby kilkaset km