第1章 高分子化学的基础知识

1、 2 1.1 高分子化合物的概念 高分子化合物：高分子化合物： 分子量很高并由共价键连接的一类化合物分子量很高并由共价键连接的一类化合物 - - - - - 1000 - - - - - - 10000 - - - - - 1000000 - - - - - 低分子低分子 中等分子中等分子 高分子高分子 超高分子超高分子 高分子化合物高分子化合物和和高分子材料高分子材料相同吗相同吗? 高分子材料往往由高分子化合物经过加工或加入某些高分子材料往往由高分子化合物经过加工或加入某些 添加物而成添加物而成 3 1.1 高分子化合物的基本概念 Polymer，High Polymer 聚合物（高聚物）聚

2、合物（高聚物） Macromolecules 大分子大分子 聚合物（高聚物）聚合物（高聚物）通常指有通常指有一定重复单元一定重复单元的的合成合成产物，一产物，一 般般不包括天然高分子不包括天然高分子； 大分子大分子指相对分子质量很大的一类化合物，包括天然高分指相对分子质量很大的一类化合物，包括天然高分 子和合成高分子，也包括无一定重复单元的复杂大分子。子和合成高分子，也包括无一定重复单元的复杂大分子。 4 合成聚合物的起始原料称为合成聚合物的起始原料称为单体单体（MonomerMonomer） 单体在大分子链中形成的单元称为单体在大分子链中形成的单元称为结构单元结构单元（Structure S

3、tructure unitunit） 一个大分子往往是由许多相同的、简单的结构单元通过一个大分子往往是由许多相同的、简单的结构单元通过 共价键重复连接而成。例如：共价键重复连接而成。例如： 1.1.由一种结构单元组成的高分子由一种结构单元组成的高分子 聚合聚合CH2 CHCH2-CH-CH2-CH-CH2-CHn CH2 CH n 缩写成缩写成 1.1 高分子化合物的基本概念 5 n n 表示重复单元数，也称为链节数表示重复单元数，也称为链节数, , 在此等于聚合度在此等于聚合度 聚合度（聚合度（Degree of polymerizationDegree of polymerization）

4、 聚合度是衡量高分子分子量大小的一个指标。聚合度是衡量高分子分子量大小的一个指标。 nx nDP 单体单元单体单元（Monomer unitMonomer unit）: :结构单元与原料相比，除了电子结构单元与原料相比，除了电子 结构变化外，其结构变化外，其原子种类原子种类与与各种原子的个数完全相同各种原子的个数完全相同 有两种表示法：有两种表示法： o以大分子链中的以大分子链中的结构单元结构单元数目表示，记作数目表示，记作 o以大分子链中的以大分子链中的重复单元重复单元数目表示，记作数目表示，记作 重复单元重复单元(Repeating unit(Repeating unit）：在聚合物的大分

5、子链中）：在聚合物的大分子链中重复出重复出 现的现的，组成相同的组成相同的最小基本单元。最小基本单元。 1.1 高分子化合物的基本概念 6 在这里在这里, ,两种聚合度相等，都等于两种聚合度相等，都等于 n n n另一种情况：另一种情况： 10 MDPMxMn 式中式中: : M M 是高分子的分子量是高分子的分子量 M M0 0 是结构单元的分子量 是结构单元的分子量 M M1 1是重复单元的分子量是重复单元的分子量 由聚合度可计算出高分子的分子量：由聚合度可计算出高分子的分子量： nDPxn 结构单元重复单元结构单元重复单元 单体单元单体单元 n H2N-(-CH2-)-COOH -NH-

6、(-CH2-)-CO- n n H2O+ 5 5 1.1 高分子化合物的基本概念 结构单元比其单体少了些原子（氢原子和氧原子），因为聚合时结构单元比其单体少了些原子（氢原子和氧原子），因为聚合时 有小分子生成，所以此时的结构单元不等于单体单元。有小分子生成，所以此时的结构单元不等于单体单元。 7 H-NH(CH2)6NH-CO(CH2)4CO-OH n 结构单元结构单元 结构单元结构单元 重复结构单元重复结构单元 H2N(CH2)6NH2 + HOOC(CH2)4COOH 2.2.由两种结构单元组成的高分子由两种结构单元组成的高分子 合成尼龙合成尼龙-66-66则具有另一特征：则具有另一特征：

7、 (2n-1) H2O+ 重复单元由两种结构单元组成，且结构单元与单体的组成不重复单元由两种结构单元组成，且结构单元与单体的组成不 尽相同，故不能称为单体单元。尽相同，故不能称为单体单元。 单体在形成高分单体在形成高分 子的过程中要失子的过程中要失 掉一些原子掉一些原子 nDPxn22 1 0MDPMxMn 8 比比 较较 CH2 CH CH2-CH-CH 2-CH-CH2-CH n n H2N-(-CH2-)-COOH -NH-(-CH2-)-CO- n n H2O+ 5 5 H2N(CH2)6NH2 + HOOC(CH2)4COOH H-NH(CH2)6NH-CO(CH2)4CO-OH n

8、 (2n-1) H2O+ n 1.1 高分子化合物的基本概念 9 单个聚合物单个聚合物分子所含单体单元的数目分子所含单体单元的数目例： nDPxn22100nMnMn2MxM 注意：注意：M Mo o为两种结构单元的平均分子量为两种结构单元的平均分子量 1.1 高分子化合物的基本概念 H2N(CH2)6NH2 + HOOC(CH2)4COOH H-NH(CH2)6NH-CO(CH2)4CO-OH n (2n-1) H2O+ n 10 例例1 1：以氯乙烯单体为原料得到聚氯乙烯以氯乙烯单体为原料得到聚氯乙烯, ,其分子其分子 量根据用途不同可在量根据用途不同可在5 5万至万至1515万之间，其结

9、构单万之间，其结构单 元的分子量为元的分子量为62.562.5，计算聚合度范围。，计算聚合度范围。 Cl CH2CHCH2 CH Cl n n = = = 50000= 50000150000/62.5=800150000/62.5=80024002400 通过计算可知，通过计算可知，聚氯乙烯的平均聚合度应在聚氯乙烯的平均聚合度应在800800 24002400，聚氯乙烯分子约由聚氯乙烯分子约由800-2400800-2400个氯乙烯单元组成。个氯乙烯单元组成。 DPXn 0 M M 1.1 高分子化合物的基本概念 10 :MDPMxMn由由解解 M M0 0是结构单元的分子量是结构单元的分子

10、量 M M1 1是重复单元的分子量是重复单元的分子量 11 例例2 2：以对苯二甲酸与乙二醇为原料，经缩聚制得聚对以对苯二甲酸与乙二醇为原料，经缩聚制得聚对 苯二甲酸乙二醇酯，其分子量一般在苯二甲酸乙二醇酯，其分子量一般在2 2万左右，计算万左右，计算 及及 。 DP n X 解解：已知已知-O(CH-O(CH2 2) )2 2O-O-结构单元分子量为结构单元分子量为6060， -OC-C-OC-C6 6H H4 4-CO-CO-结构单元分子量为结构单元分子量为132132。 2082 104 )13260(20000 :)( 0201 DPX DP DP MMDPM n n 则则 得得由由

11、1.1 高分子化合物的基本概念 12 3. 3. 由无规排列的结构单元组成的高分子由无规排列的结构单元组成的高分子 均聚物均聚物 HomopolymerHomopolymer 由一种（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。由一种（真实的、隐含的或假设的）单体聚合而成的聚合物。 聚合物分子聚合物分子有且只有一种有且只有一种重复结构单元重复结构单元，并且该并且该重复结构重复结构 单元可以只由一种（真实的、隐含的或假设的）单元可以只由一种（真实的、隐含的或假设的）单体衍生单体衍生 而来。而来。 判别均聚物判别均聚物 齐聚物齐聚物( (oligomeroligomer) )：由几个或十几个单元

12、相互键连而成：由几个或十几个单元相互键连而成 思考：齐聚物是高分子吗？思考：齐聚物是高分子吗？ 均聚物：由一种单体聚合而成的聚合物。均聚物：由一种单体聚合而成的聚合物。 共聚物：由两种或两种以上单体共聚而成的聚合物。共聚物：由两种或两种以上单体共聚而成的聚合物。 1.1 高分子化合物的基本概念 13 生成均聚物的聚合反应称均聚反应（生成均聚物的聚合反应称均聚反应（Homopolymerization) )。 氯乙烯单体氯乙烯单体 由对苯二甲酸和乙二醇反由对苯二甲酸和乙二醇反 应生成的应生成的“隐含单体隐含单体”： HOOC-Ph-COOCHHOOC-Ph-COOCH2 2CHCH2 2OHOH

13、 “假设单体假设单体”：乙烯醇：乙烯醇 CH2CH Cl C O C O OCH2CH2O CH2CH OH 例：例： 1.1 高分子化合物的基本概念 14 说明：说明： x, y x, y为任意值，故在分子链上结构单元的排列是任为任意值，故在分子链上结构单元的排列是任 意的：意的：M M1 1M M2 2M M1 1M M1 1M M2 2M M1 1M M2 2M M2 2M M2 2，在这种情况下，无法确定在这种情况下，无法确定 它的重复单元，仅它的重复单元，仅 -( CH2-CH=CH-CH 2 -)-(-CH2-CH-)- xy n 例如：丁苯橡胶（由单体例如：丁苯橡胶（由单体1,3

14、-1,3-丁二烯和苯乙烯聚合而成）丁二烯和苯乙烯聚合而成） 由由两种或两种以上两种或两种以上（真实的、隐含的或假设的）单体聚合（真实的、隐含的或假设的）单体聚合 而成的聚合物。生成共聚物的聚合反应称为而成的聚合物。生成共聚物的聚合反应称为共聚反应共聚反应。 共共 聚聚 物物 CopolymerCopolymer 结构单元单体单元结构单元单体单元 1.1 高分子化合物的基本概念 15 HOOC-Ph-COOH HOCH2CH2OH -(OC-Ph-COOCH2CH2O)n- 隐含单体隐含单体 HOOC-Ph-COOCH2CH2OH HOOC-Ph-COOH HOCH2CH2OH HO(CH2)3

15、OH -(OC-Ph-COOCH2CH2O)n-(OC-Ph-COOCH2CH2CH2O)m- HO-(CH2)5COOH HOCH2COOH -O(CH2)5COm-OCH2COn- 共聚物共聚物 共聚物共聚物 均聚物均聚物 例：例： 1.1 高分子化合物的基本概念 均均聚物聚物有且只有一种有且只有一种重复结构单元重复结构单元，并且该并且该重复结构单元重复结构单元 可以只由一种（真实的、隐含的或假设的）可以只由一种（真实的、隐含的或假设的）单体衍生而来。单体衍生而来。 16 CH3CH2-(CH2CH2)n-CH2CH3 聚乙烯：聚乙烯： HOC O C O OCH2CH2OC O C O

16、OCH2CH2OH 涤纶：涤纶： 1.1 1.1 高分子化合物的基本概念高分子化合物的基本概念 支链（侧链）：与主链相连接的次要分子链支链（侧链）：与主链相连接的次要分子链 侧基（取代基）：如果支链不长侧基（取代基）：如果支链不长 端基：高分子链的末端结构单元。端基：高分子链的末端结构单元。 17 习惯命名法：习惯命名法： u以单体名称为基础，在前面加以单体名称为基础，在前面加“聚聚”字字 乙烯乙烯 丙烯丙烯 氯乙烯氯乙烯 甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯 聚乙烯聚乙烯 聚丙烯聚丙烯 聚氯乙烯聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯 u取单体简名，在后面加取单体简名，在后面加“树脂树脂” ” 、

17、“橡胶橡胶”二字二字 如如 苯苯酚酚 甲甲醛醛 酚醛树脂酚醛树脂 尿尿素素 甲甲醛醛 脲醛树脂脲醛树脂 甘油甘油 邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐 醇酸树脂醇酸树脂 1.2.1 聚合物的命名 丁二烯丁二烯 苯乙烯苯乙烯 丁苯橡胶丁苯橡胶 丁二烯丁二烯 丙烯腈丙烯腈 丁腈橡胶丁腈橡胶 乙烯乙烯 丙烯丙烯 乙丙橡胶乙丙橡胶 18 命名基本规律：命名基本规律： 1.2.1 聚合物的命名 n OH +nCH2O CH2 OH n CH2OHCHOHCH2OH + C6H4(CO)2O OCH2CHCH2OCO O n n CO n nNH2CNH2 + nHCHONHCNHCH2 O n O 19 u商品名商

18、品名 合成纤维最普遍，我国以合成纤维最普遍，我国以“纶纶”作为合成纤维的后缀作为合成纤维的后缀 涤纶涤纶 聚对苯二甲酸乙二醇酯（聚酯）聚对苯二甲酸乙二醇酯（聚酯） 丙纶丙纶 聚丙烯聚丙烯 锦纶锦纶 聚酰胺（尼龙），后面加数字区别聚酰胺（尼龙），后面加数字区别 聚酰胺聚酰胺 聚酯聚酯 聚氨酯聚氨酯 聚醚聚醚 u 以高分子链的结构特征命名以高分子链的结构特征命名 第一个数字表示二元胺的碳原子数第一个数字表示二元胺的碳原子数 第二个数字表示二元酸的碳原子数第二个数字表示二元酸的碳原子数 只附一个数字表示内酰胺或氨基酸的碳原子数只附一个数字表示内酰胺或氨基酸的碳原子数 O -C-O-NH-C-O- O

19、O -C-NH- -O- 数字含义数字含义 1.2.1 聚合物的命名 20 u 系统系统命名命名法法 (1) (1) 确定重复结构单元；确定重复结构单元； (2) (2) 按规定排出重复结构单元中的次级单元（按规定排出重复结构单元中的次级单元（subunit， 即取代基）即取代基）顺序顺序：对乙烯基聚合物，先写有取代基的部分；对乙烯基聚合物，先写有取代基的部分； 连接原子最少的次级单元写在前面；连接原子最少的次级单元写在前面； (3) (3) 给重复结构单元命名：给重复结构单元命名：按小分子有机化合物的按小分子有机化合物的IUPACIUPAC 命名规则给重复结构单元命名；命名规则给重复结构单元

20、命名； (4) (4) 给重复结构单元的命名加括弧，并冠以前缀给重复结构单元的命名加括弧，并冠以前缀“聚聚”。 括弧必不可括弧必不可 少！少！ 1.2.1 聚合物的命名 21 重复结构单元为：重复结构单元为： 1 1 聚（聚（1-1-氯代撑乙基）氯代撑乙基）Poly(1-chloroethylene)Poly(1-chloroethylene) 注意注意: :（1 1） CHCH2 2=CH=CH2 2, , 乙烯；乙烯； （2 2）-CH-CH2 2-CH-CH2 2-, 1,2-, 1,2-亚乙基，撑乙基亚乙基，撑乙基 C H H C Cl H C H H C Cl H C H H C C

21、l H C H H C Cl H 例例1 1 1.2.1 聚合物的命名 22 例例2 2 n CH2 CH2 CH CH2 n CH3 CH CH2 n COOCH3 聚乙烯聚乙烯 聚亚乙基聚亚乙基 Poly(ethylene)Poly(ethylene) 聚丙烯聚丙烯 聚亚丙基聚亚丙基 Poly(propylene)Poly(propylene) 例例3 3 聚丙烯酸甲酯聚丙烯酸甲酯 聚聚1-(1-(甲氧基羰基甲氧基羰基) )亚乙基亚乙基 Poly1-(methoxycarbonyl) ethylene 例例4 4 1.2.1 聚合物的命名 23 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯 聚聚1-(

22、1-(甲氧基羰基甲氧基羰基)-1-)-1-甲基乙烯甲基乙烯 Poly1-(methoxycarbonyl)-1- methyl ethylene 例例7 7 COOCH3 CH3 n C CH2 聚苯乙烯聚苯乙烯 聚聚 (1(1苯基乙烯苯基乙烯 ) ) Poly(1-phenylethylene) Poly(1-phenylethylene) 例例6 6 OCHOCH2 2CHCH2 2 聚氧化乙烯聚氧化乙烯 聚（氧化撑乙基）聚（氧化撑乙基） Poly(oxyethylenePoly(oxyethylene) ) 例例5 5 1.2.1 聚合物的命名 CH CH2 n n 24 O n CO

23、n COOCH2CH2O 例例8 8 例例9 9 聚聚( (氧化氧化-1,4-1,4-亚苯基亚苯基) ) ( (与聚苯醚的差异与聚苯醚的差异?)?) 聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯( (PET/PET/绦纶绦纶/ /聚酯聚酯) ) 聚（氧亚乙基氧聚（氧亚乙基氧- -对苯二甲酰对苯二甲酰) ) 1.2.1 聚合物的命名 CH3 CH3 O CO O C n 例例1010 聚碳酸酯聚碳酸酯 聚聚( (氧羰基氧氧羰基氧-1,4-1,4-苯撑异丙叉苯撑异丙叉-1,4-1,4-苯撑苯撑) ) 25 名称名称俗名俗名英文英文名称名称俗名俗名英文英文 聚乙烯聚乙烯PEpolyethylene聚碳酸酯聚碳酸酯PCpolycarbonate 聚丙烯聚丙烯PPpolypropylene聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺PAMpolyacrylamide 聚异丁烯聚异丁烯PIBpolyisobutylene聚丙烯酸甲聚丙烯酸甲 酯酯 PMApolymethyl acrylate 聚苯乙烯聚苯乙