摘要：化学包括无机化学、有机化学和物理化学等, 其中有机化学在高分子材料合成中起到重要的作用。很多高分子的合成都是运用有机化学合成的知识为基础, 从有机化合物的合成入手可以更好的去理解高分子材料合成的特点。本文主要对有机化学技术在高分子材料合成中的应用以及相关理论知识进行了简单的整理与讲解。
关键词：有机化学; 高分子; 合成应用;
目前, 高分子材料已经成为了一门学科, 在各大高校里都有这门课的开设。主要就是讲高分子材料的合成以及在生产、生活各方面的应用, 因此高分子材料的发展对人们的生活水平也有积极的影响, 对于初步学习高分子材料学科的学生来说, 高分子材料的学习是比较困难的, 因为有太多的知识点需要记忆, 而且知识点宽泛且千变万化。有机化学是研究高分子材料的入门课, 在学习高分子材料学科的时候, 首先必须要让学生对有机化学方面的知识点有足够的掌握和理解, 这样才能更好的去学习高分子材料这一学科的知识, 由此可见要懂得高分子材料的合成, 首先要了解有机化学技术。
1 有机化学合成材料的内容
1.1 自由基
高分子材料也称为聚合物材料, 是以高分子化合物为基体, 再配有其他添加剂 (助剂) 所构成的材料。按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶黏剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。合成材料也叫人造材料, 是人们把不一样的物质经过有机化学的方法或者聚合作用加工而成的材料。在合成过程中, 有机化学技术占据重要的作用。
在高分子材料的合成过程中, 自由基起到了很重要的作用。材料合成是利用几种不同物质之间的不同性质进行反应合成新的物质, 在高分子材料的合成过程中, 有很多反应是由自由基参与的。那么什么是自由基呢?自由基的性质和结构特性对于高分子材料合成和反应来说具有哪些重要作用呢?接下来将为大家一一介绍。自由基也就是人们常说的游离基, 是指化合物的分子在某种特定的外界条件下, 共价键断裂, 共用电子对平均分配给成键的两个原子而形成的具有单个电子的原子或者基团。与三个碳原子相连接的碳原子自由基最稳定, 当一个碳原子连接的其他的碳原子的数量越少的时候, 相对应的自由基越活泼。要想自由基能够稳定的存在, 主要是看自由基和它周围的靠近的其他的原子结构之间的相互作用。接下来我将对此加以举例来进行说明, 首先讲一下最具代表的甲基, 甲基本身自己所具有的性质就会对自由基的电子排列具有很大的影响, 它们靠的越近, 两者之间的相互作用力也就越大, 从而会改变电子云层的区间密度;碳碳双键中的两个π键的两个π电子的运动范围仅仅局限在两个碳原子之间, 但是当碳碳双键连接碳碳单键再连接碳碳双键的时候, π电子的运动范围就会扩大到四个碳原子之间, 这种现象称为离域现象。除了上述所说因素之外, 自由基的稳定程度也会受到其他因素的影响, 研究表明, 自由基的稳定程度会影响高分子材料的合成效率, 越稳定, 其具有的能力越低, 反应活性也就越低, 高分子材料就越不容易被合成。
1.2 聚合反应
聚合反应是高分子材料合成过程中最为普遍的反应之一, 是把相对原子质量之和较小的单体转化成相对分子质量较高的聚合物的过程, 聚合物具有相对分子质量较小的单体所不具有的重要的性能, 可广泛应用到塑料、纤维、橡胶、涂料以及其他高分子材料中。换句话说, 聚合反应在高分子材料的合成中是最基本的反应, 我们可以将聚合反应看成是由两个部分组成, 其中一个就是缩合反应, 缩合反应就是两个或者两个以上有机分子相互作用之后形成相对稳定的化学结构的过程, 这个过程中常常伴有小分子 (例如水、氯化氢、醇等) 的失去。以上所述的是理想的状态下的缩合反应, 但是理想很丰满, 现实很骨感, 在现实的化学操作中, 会有很多因素的影响, 使得化学反应的过程并不是特别的理想, 比如说, 在一个化学反应的过程当中, 存在某个因素会对反应进程产生阻碍的效果, 那么在反应过程中, 就没有办法百分之百的合成所需要的高分子材料化合物。另一种是加聚反应, 然而加聚反应是直接将分子结构破坏后再利用单个分子之间的吸引力将分子整合在一起, 在整个反应过程中, 几乎不会出现其他的小分子杂质, 总而言之, 在高分子材料合成过程中加聚反应比缩合反应更有效率。
为了保证上述两种反应的反应转化率, 就要全面的掌握这两类化学反应所涉及到的相关的基础理论知识, 只有对其相关的理论知识熟练掌握后, 才能够灵活运用到实际当中, 具有导电性能的聚乙炔就是通过将一个π键和一个σ键加聚在一起之后而得到的。由此可见, 有机化学在高分子材料的合成过程中有着非常重要的作用, 它是高分子材料合成中的重要的风向标, 没有有机化学, 高分子材料就不能够顺顺利利的合成。比如说, 在需要合成一个高分子材料的时候, 最开始就是要运用到有机化学的知识来进行合成路线的推断与设计。在有机化学反应中, 有些反应是非常剧烈的, 如果操作不恰当, 甚至有可能会导致爆炸, 所以有机化学实验是非常危险的。因此在进行有机化学实验的时候, 要根据已经掌握的知识及经验, 提前采取相应的预防措施, 比如在内部有大量氢物质存在的时候, 有时候会出现难以控制的反应状态, 在成品合成之后, 对其内部的分子结构要进行反复的观察, 其实, 很多的反应都是有一定规律的, 掌握了规律之后, 操作起来就会方便很多。比如, 分子之间的密度会决定成品的外观和成品的质量。从外表看来, 一般情况下, 分子的密度越大, 质量也就会越高, 分子的密度越小, 分子的质量也就会越低, 质量和密度成正比。
1.3 高分子材料的改性
在高分子材料研究的过程中, 高分子材料改性是一个非常重要的研究方向。合成高分子材料, 目的就是要制造出一种具有小分子材料所不具备的优良性质的材料, 这种材料在我们的生活中时刻都能用到, 根据我们所需材料的性能对原有的材料的性质进行修改, 也就是说根据客户的要求, 通过增加韧性、添加阻燃、添加抗静电剂等各种手段来改善原有材料的性能, 使其完全满足客户的使用要求, 改性更多的是改善并不是完全的改变, 在设计改性之前, 强调要选择与要求性能最接近的牌号和种类的基本材料进行改性, 在改善材料性能的过程当中, 为了能够达到实验的目的, 最重要的就是要先在改性实验之前根据有关的有机化学知识进行深入的研究和分析, 将各方面可能会产生的因素全部要考虑在内, 并且做出相应的对策, 防止意外事故的发生, 这是高分子材料性能改良实验成功进行的关键。
2 有机化学在高分子合成新技术方面的应用
2.1 在高分子单体合成方面的应用
在合成高分子单体方面, 高分子材料合成的重点研究对象也是有机化学。比如, 用透明的塑料制成的类似玻璃的无色固体, 聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) , 具有非常多的优良特性, 并且价格还不贵, 通过一种机械的设备对其外形的性能进行改变也是非常的容易。甲基丙烯酸甲酯是高分子聚甲基丙烯酸甲酯的单体, 可以用两种方法合成这个单体, 丙酮氰醇法和异丁烯氧化酯化法。
丙酮氰醇法 (ACH法) :合成路线如图1所示, 在这个合成过程中, 亲核试剂与底物的加成反应这个步骤非常关键, 即醛、酮之间的亲核加成反应, 氢氰酸中带负电的氰基进攻丙酮上带正电荷的羰基碳, 反应后生成氰醇, 接下来脱去水分子, 在硫酸的作用下, 先发生水解反应, 最后醇和化合物中羧基发生反应, 生成MMA和水。这种合成发生的条件是比较温和的, 产率也较高。但是这种合成方法反应步骤较长, 所需要消耗的原料就相应的多, 而且合成过程中还用到了有毒化合物和具有腐蚀性的化合物为反应原料, 也就对反应设备的要求比较高, 增加了反应的成本, 从经济的方面和环境保护的方面来考虑的话, 是不可采取的。
异丁烯氧化酯化法:合成路线如图2所示, 这种合成方法是最优化的合成路线。其中关键的步骤就是异丁烯氧化成醛, 反应原理是, 异丁烯中的碳碳双键的电子是由同一层的一个s轨道和3个p轨道中的两个形成的, 属于sp2杂化;而和双键相连的那个甲基电子排列属于sp3杂化, 因此碳碳双键比单个的甲基更能够吸引电子, 从而导致甲基上的电子在核外空间的出现偏移到碳碳双键的那端, 从而将甲基上的氢原子化学性质更加的活泼, 具有更大的能量。因此, 在能够改变化学反应进行的速度, 但是自身并没有发生任何改变的物质的存在下, 能够和氧原子发生反应, 生成甲基丙烯醛, 然后再和氧原子发生反应, 生成羧酸, 最后和甲醇发生酯化反应生成MMA。除此之外, 在合成一些分子结构相对复杂的高分子的单体中, 有机化学也有很重要的作用。
2.2 改性方面的应用
在人们的平时的生活中, 可以用到高分子材料的地方也是越来越多, 为了使高分子材料的化学性能能够满足人们日益严格的要求, 对其化学性质进行改善已经成为目前的趋势所向。例如纤维素, 是一种相对分子质量较大的多糖, 由许多单个的葡萄糖分子组成, 具有的好的作用数不胜数, 在对纤维素的化学性质进行改善的时候, 葡萄糖中含有的化学官能团 (多羟基醛) 入手, 这些羟基比较活泼, 能发生多种化学反应, 简单的原子团从而被别的原子或者原子团替换, 生成许多不一样的纤维素的衍生物。在改善天然高分子材料化学的性质中, 还有对硝化纤维容易燃烧的性能进行改善, 也是对侧链的羟基进行修饰, 从而达到改性的目的。比如在合成含有醚的纤维素的时候, 先将纤维素放入到氢氧化钠的溶液中, 使其在溶液中溶解膨胀, 接下来与氯甲烷等带有高正电荷的阳离子季铵盐进行反应, 形成甲基纤维素。这里所讲到的纤维素的醚化反应就是有机化学中所涉及到的威廉姆森合成混醚的化学反应, 而纤维素的硝化反应是醇羟基和羧基之间发生的酯化反应, 都属于有机化学的范畴。可见有机化学和高分子材料应用是息息相关的。
另外, 在用于聚合物的性质改良、合成新的聚合物以及研究聚合物内部结构的反应中, 可以将具有光学活性的基团连接到聚合物的主链上, 制成光响应的高分子材料, 也就是在被光照射之后, 能够在分子的内部或者分子之间产生变化的一类具有该功能的高分子材料。比如, 通过芳香族醛类化合物和聚甲基乙烯酮的缩合反应, 就能够生成感光性能良好的高分子材料。该合成过程中涉及到很多的化学反应, 在有机化学的层面上对其进行深入的了解, 可能是因为某些化学基团倾向于给电子或者是吸电子的原因, 使得分子某些部分的电子稀密程度降低或者升高, 从而使反应分子在某个阶段带有正电荷或者是负电荷, 从而使高分子材料获得良好的对光照有感应的效应。
3 基团转移聚合
是一种新的聚合方法, 该方法能够使a一甲基丙烯酸酯和丙烯酸酯聚合在一起,在聚合反应的发生过程中, 可以分为三个主要的步骤:链引发、链增长和链终止。下面具体分析这三个反应步骤中的具体问题
3.1 选用合理的亲核催化剂对硅原子进行配位
在反应的进程中, 首先是亲电的共轭体系 (接受电子的部分) 和亲核的负电粒子 (提供电子的部分) 发生共轭加成反应导致反应的引发和链的增长。所以, 在合成该聚合物的时候, 首先应该是由带负电的且能够加快反应速度的物质与单体氰基与硅原子用配价键合理的结合在一起。
3.2 结构稳定性和共价键的数量有关
共价键是一种化学键, 就是由两个或者多个原子一块使用它们外层的电子, 在没有别的条件干扰的情况下, 每一个电子层对电子的容纳量都达到最多, 这种化学结构很稳定, 叫做共价键。在硅原子含有4个共价键的时候, 能量最低, 最不活泼, 结构是最稳定的, 但是由于某些配位键的形成, 导致硅原子周围不是4个共价键而是不够稳定的八面体结构, 这个不够稳定的硅原子, 可以对周围电子产生吸引力或者排斥力, 导致引发剂和单体分子里面的电子发生转移, 从而形成了碳碳单键。
3.3 形成C-C键之后的问题
碳碳单键形成之后, 会导致硅基转移到其他化学基团上, 会和羰基上的氧原子凝结在一起, 从而生成一个新的化学结构, 也就是烯酮硅缩醛酸结构, 并不是说所有的化学基团都可以发生基团转移聚合反应, 只有在羰基上的α, β一烯酮硅缩醛上面的碳碳双键单体能够进行基团转移聚合反应。
3.4 在选择阴离子聚合时应注意的问题
阴离子聚合反应是链增长聚合反应的一种, 是由于烯类的简单化合物的取代基具有吸电子的化学性质。在完全对称的偶极矩为零的单体中, 苯乙烯、共轭二烯、环氧单体等化合物并不能够发生这类聚合反应。在需要合成某种高分子材料的时候, 首要要对合成高分子化合物的简单化合物进行分析, 分析可能发生的化学反应, 设计好反应路线之后再进行化学实验的合成, 使合成过程能够顺利的进行, 以免不合适的合成方法, 导致合成后的产物会影响高分子材料的性质, 影响到高分子材料在日常生活当中的应用。
4 结语
在我国, 很多领域都应用到了高分子合成材料, 塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶黏剂和涂料等。其中, 被称为现代高分子三大合成材料的塑料、合成纤维和合成橡胶已经成为国民经济建设与人民日常生活所必不可少的重要材料。尽管高分子材料因普遍具有许多金属和无机材料所无法取代的优点而获得迅速的发展, 但目前已大规模生产的还是只能在寻常条件下使用的高分子物质, 即所谓的通用高分子, 它们存在着机械强度和刚性差、耐热性低等缺点。而现代工程技术的发展, 则向高分子材料提出了更高的要求, 因而推动了高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向发展, 这样就出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。然而在高分子材料合成领域, 有机化学起到了重要的作用, 是其理论基础。无论是在自由基的反应、高分子单体的合成还是聚合反应以及对于高分子化学性能的改善方面, 都涉及到了有机化学的知识, 因此, 要想深入的研究高分子材料的合成, 就必须首先对有机化学的知识牢固的掌握, 这样才能够对合成高分子材料的技术方法进行研究。
参考文献
[1]刘忠.有机化学在高分子材料合成中的应用探析[J].化工管理, 2017 (02) :133.
[2]吴仕海.浅析有机化学在高分子材料合成中的应用[J].科技经济导刊, 2016 (08) :157+132.
[3]牛小玲, 陈卫星, 屈育龙.浅析有机化学在高分子材料合成中的应用[J].广州化工, 2012, 40 (04) :12-13.
