高分子化合物

高分子化合物，簡稱高分子，又稱高分子聚合物，一般指相對分子質量高達幾千到幾百萬的化合物，絕大多數高分子化合物是許多相對分子質量不同的同系物的混合物，因此高分子化合物的相對分子質量是平均相對分子量。高分子化合物是由千百個原子以共價鍵相互連線而成的，雖然它們的相對分子質量很大，但都是以簡單的結構單元和重複的方式連線的。

基本介紹

• 中文名：高分子化合物
• 外文名：macromolecular compound
• 別名：高分子聚合物、高分子
• 學科： 化學
• 特點：相對分子質量很大
• 分類：天然高分子和合成高分子兩大類

簡介

高分子化合物的分子比低分子有機化合物的分子大得多。一般有機化合物的相對分子質量不超過1000，而高分子化合物的相對分子質量可高達10～10。由於高分子化合物的相對分子質量很大，所以在物理、化學和力學性能上與低分子化合物有很大差異。

高分子化合物

高分子化合物的相對分子質量雖然很大，但組成並不複雜，它們的分子往往都是由特定的結構單元通過共價鍵多次重複連線而成。

同一種高分子化合物的分子鏈所含的鏈節數並不相同，所以高分子化合物實質上是由許多鏈節結構相同而聚合度不同的化合物所組成的混合物，其相對分子質量與聚合度都是平均值。

高分子化合物幾乎無揮發性，常溫下常以固態或液態存在。固態高聚物按其結構形態可分為晶態和非晶態。前者分子排列規整有序；而後者分子排列無規則。同一種高分子化合物可以兼具晶態和非晶態兩種結構。大多數的合成樹脂都是非晶態結構。

組成高分子鏈的原子之間是以共價鍵相結合的，高分子鏈一般具有鏈型和體型兩種不同的形狀。

當今世界上作為材料使用的大量高分子化合物，是以煤、石油、天然氣等為起始原料製得低分子有機化合物，再經聚合反應而製成的。這些低分子化合物稱為“單體”，由它們經聚合反應而生成的高分子化合物又稱為高聚物。通常將聚合反應分為加成聚合和縮合聚合兩類，簡稱加聚和縮聚。

分類

按來源分類

按來源可把高分子分成天然高分子和合成高分子兩大類。

按性能分類

可把高分子分成塑膠、橡膠和纖維三大類。

塑膠按其熱熔性能又可分為熱塑性塑膠（如聚乙烯、聚氯乙烯等）和熱固性塑膠（如酚醛樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等）兩大類。前者為線型結構的高分子，受熱時可以軟化和流動，可以反覆多次塑化成型，次品和廢品可以回收利用，再加工成產品。後者為體型結構的高分子，一經成型便發生固化，不能再加熱軟化，不能反覆加工成型，因此，次品和廢品沒有回收利用的價值。塑膠的共同特點是有較好的機械強度（尤其是體形結構的高分子），作結構材料使用。

纖維又可分為天然纖維和化學纖維。後者又可分為人造纖維（如粘膠纖維、醋酸纖維等）和合成纖維（如尼龍、滌綸等）。人造纖維是用天然高分子（如短棉絨、竹、木、毛髮等）經化學加工處理、抽絲而成的。合成纖維是用低分子原料合成的。纖維的特點是能抽絲成型，有較好的強度和撓曲性能，作紡織材料使用。

橡膠包括天然橡膠和合成橡膠。橡膠的特點是具有良好的高彈性能，作彈性材料使用。

按用途分類

可分為通用高分子，工程材料高分子，功能高分子，仿生高分子，醫用高分子，高分子藥物，高分子試劑，高分子催化劑和生物高分子等。

塑膠中的“四烯”（聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯），纖維中的“四綸”（錦綸、滌綸、腈綸和維綸），橡膠中的“四膠”（丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠和乙丙橡膠）都是用途很廣的高分子材料，為通用高分子。

工程塑膠是指具有特種性能（如耐高溫、耐輻射等）的高分子材料。如聚甲醛、聚碳酸酯、聚碸、聚醯亞胺、聚芳醚、聚芳醯胺和含氟高分子、含硼高分子等都是較成熟的品種，已廣泛用作工程材料。

離子交換樹脂、感光性高分子、高分子試劑和高分子催化劑等都屬功能高分子。

醫用高分子、藥用高分子在醫藥上和生理衛生上都有特殊要求，也可以看作是功能高分子。

按主鏈結構分類

可分為碳鏈高分子、雜鏈高分子、元素有機高分子和無機高分子四大類。

碳鏈高分子的主鏈是由碳原子聯結而成的。

雜鏈高分子的主鏈除碳原子外，還含有氧、氮、硫等其他元素，如：如聚酯、聚醯胺、纖維素等。易水解。

元素有機高分子主鏈由碳和氧、氮、硫等以外其他元素的原子組成，如矽、鋁、鈦、硼等元素，但側基是有機基團，如聚矽氧烷等。

無機高分子是主鏈和側鏈基團均由無機元素或基團構成的。天然無機高分子如雲母、水晶等，合成無機高分子如玻璃。

高分子化合物的系統命名比較複雜，實際上很少使用，習慣上天然高分子常用俗名。合成高分子則通常按製備方法及原料名稱來命名，如用加聚反應製得的高聚物，往往是在原料名稱前面加個“聚”字來命名。例如，氯乙烯的聚合物稱為聚氯乙烯，苯乙烯的聚合物稱為聚苯乙烯等。如用縮聚反應製得的高聚物，則大多數是在簡化後的原料名稱後面加上“樹脂”二字來命名。例如，酚醛樹脂、環氧樹脂等。加聚物在未製成製品前也常有“樹脂”來稱呼。例如，聚氯乙烯樹脂，聚乙烯樹脂等。此外，在商業上常給高分子物質以商品名稱。例如，聚己內醯胺纖維稱為尼龍-6，聚對苯二甲酸乙二酯纖維稱為滌綸，聚丙烯腈纖維稱為腈綸等。

特點

高分子同低分子比較，具有如下幾個特點：

1、從相對分子質量和組成上看，高分子的相對分子質量很大，具有“多分散性”。大多數高分子都是由一種或幾種單體聚合而成。

2、從分子結構上看，高分子的分子結構基本上只有兩種，一種是線型結構，另一種是體型結構。線型結構的特徵是分子中的原子以共價鍵互相連線成一條很長的捲曲狀態的“鏈”（叫分子鏈）。體型結構的特徵是分子鏈與分子鏈之間還有許多共價鍵交聯起來，形成三度空間的網路結構。這兩種不同的結構，性能上有很大的差異。

3、從性能上看，高分子由於其相對分子質量很大，通常都處於固體或凝膠狀態，有較好的機械強度；又由於其分子是由共價鍵結合而成的，故有較好的絕緣性和耐腐蝕性能；由於其分子鏈很長，分子的長度與直徑之比大於一千，故有較好的可塑性和高彈性。高彈性是高聚物獨有的性能。此外，溶解性、熔融性、溶液的行為和結晶性等方面和低分子也有很大的差別。

結構簡式的書寫

1、加聚物結構簡式的書寫方法：書寫加聚物結構簡式時，將鏈節寫在方括弧內，將聚合度寫在方括弧的右下角，用橫線“—”表示端基。

2、縮聚物結構簡式的書寫方法：書寫縮聚物結構簡式時，將鏈節寫在方括弧內，聚合度寫在方括弧的右下角，並在方括弧外側寫出鏈節餘下的端基原子或原子團。

結構

高分子的分子結構可以分為兩種基本類型：第一種是線型結構，具有這種結構的高分子化合物稱為線型高分子化合物。第二種是體型結構，具有這種結構的高分子化合物稱為體型高分子化合物。此外，有些高分子是帶有支鏈的，稱為支鏈高分子，也屬於線型結構範疇。有些高分子雖然分子鏈間有交聯，但交聯較少，這種結構稱為網狀結構，屬體型結構範疇。

線上型結構（包括帶有支鏈的）高分子物質中有獨立的大分子存在，這類高聚物的溶劑中或在加熱熔融狀態下，大分子可以彼此分離開來。而在體形結構（分子鏈間大量交聯的）的高分子物質中則沒有獨立的大分子存在，因而也沒有相對分子質量的意義，只有交聯度的意義。交聯很少的網狀結構高分子物質也可能被分離的大分子存在 。

兩種不同的結構，表現出相反的性能。線型結構（包括支鏈結構）高聚物由於有獨立的分子存在，故具有彈性、可塑性，在溶劑中能溶解，加熱能熔融，硬度和脆性較小的特點。體型結構高聚物由於沒有獨立大分子存在，故沒有彈性和可塑性，不能溶解和熔融，只能溶脹，硬度和脆性較大。因此從結構上看，橡膠只能是線型結構或交聯很少的網狀結構的高分子，纖維也只能是線型的高分子，而塑膠則兩種結構的高分子都有。

高分子的合成

合成高分子化合物最基本的反應有兩類：一類叫縮合聚合反應（簡稱縮聚反應），另一類叫加成聚合反應（簡稱加聚反應）。這兩類合成反應的單體結構、聚合機理和具體實施方法都不同。

縮聚反應

縮聚反應指具有兩個或兩個以上官能團的單體，相互縮合併產生小分子副產物（水、醇、氨、鹵化氫等）而生成高分子化合物的聚合反應。如：

單體中對苯二甲酸和乙二醇各有兩個官能團，生成大分子時，向兩個方向延伸，得到的是線型高分子。

苯酚和甲醛雖然是單官能團化合物，但它們反應的初步產物是多官能團的，這些多官能團分子縮聚成線型或體型的高聚物，即酚醛樹酯。

加聚反應

加聚反應是指由一種或兩種以上單體化合成高聚物的反應，在反應過程中沒有低分子物質生成，生成的高聚物與原料物質具有相同的化學組成，其相對分子質量為原料相對分子質量的整數倍，僅由一種單體發生的加聚反應稱為均聚反應。例如，氯乙烯合成聚氯乙烯：

由兩種以上單體共同聚合稱為共聚反應。例如，苯乙烯與甲基丙烯酸甲酯共聚。

共聚產物稱為共聚物，其性能往往優於均聚物。因此，通過共聚方法可以改善產品性能。

加聚反應具有如下兩個特點：

（1）加聚反應所用的單體是帶有雙鍵或叄鍵的不飽和鍵的化合物。例如，乙烯、丙烯、氯乙烯、苯乙烯、丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯等，者是常用的重要單體，加聚反應發生在不飽和鍵上。

（2）加聚反應是通過一連串的單體分子間的互相加成反應來完成的：

而且反應一旦發生，便以連鎖反應方式很快進行下去得到高分子化合物（通常稱為加聚物）。相對分子質量增長几乎與時間無關，但單體轉化率則隨同時間而增大。

上述兩個特點就是加聚反應和縮聚反應最基本的區別。

加聚反應根據反應活性中心的不同可以分為自由基加聚反應和離子型加聚反應兩大類。

命名

高分子化合物的系統命名方法，比較複雜，在實際中使用不多，常用的是習慣命名法。

天然高分子化合物

天然高分子化合物，常用俗名，如，澱粉、蛋白質、橡膠、纖維素，等等。

合成高分子化合物

合成高分子化合物，通常按照製備方法和原料名稱來命名。

1、加聚反應製得的高分子化合物

加聚反應製得的高分子化合物，其命名習慣上是在原料名稱之前，加一個“聚”字。如，氯乙烯的聚合物，稱為聚氯乙烯；四氟乙烯的聚合物，稱為聚四氟乙烯；甲基丙烯酸甲酯的聚合物，稱為聚甲基丙烯酸甲酯。

2、縮聚反應製得的高分子化合物

縮聚反應製得的高分子化合物，其命名習慣上是在原料名稱之後，加“樹脂”二字。如，酚醛樹脂、環氧樹脂、脲醛樹脂等。事實上，加聚產物在未製成成品之前也常以“樹脂”稱之。如，聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂等。

3、聚醯胺類高分子化合物

聚醯胺類高分子化合物，其命名是在聚醯胺後面加上數字，該數字表示單體中碳原子的個數。例如，由己二胺和己二酸縮聚而成的高分子化合物，稱為聚醯胺-66；由癸二胺和癸二酸縮聚而成的高分子化合物，稱為聚醯胺-1010。

4、合成橡膠類高分子化合物

合成橡膠類高分子化合物，其命名是在橡膠二字的前面加上能代表單體名稱的幾個字。如1,3-丁二烯與苯乙烯的聚合物稱為丁苯橡膠；2-氯-1,3-丁二烯的聚合物稱為氯丁橡膠；1,3-丁二烯與丙烯腈的聚合物稱為丁腈橡膠；異戊二烯的聚合物稱為異戊橡膠，依此類推。

5、商品名稱

商業上為了方便，常給某些合成纖維以商品名稱，稱為“某綸”。

（1）錦綸（或尼龍）聚醯胺類合成纖維，它的商品名稱叫“錦綸”或“尼龍”，如，錦綸-6、錦綸-66，尼龍-610等。

凡是後面有兩個或兩個以上數字的，表示這種聚醯胺纖維是由二元胺和二元酸兩種單體縮聚而成的。前面的數字是二元胺的碳原子數，後面的數字是二元酸的碳原子數。如，尼龍-610是由己二胺和癸二酸縮聚而成的。

凡是後面只有一個數字的，表示這種聚醯胺纖維是由某碳原子個數的內醯胺聚合而成的。如，錦綸-6是由己內醯胺聚合而成的。

（2）滌綸

聚酯纖維是指纖維分子中各個鏈節，都是以酯基相連線形成的高分子化合物，商品名稱叫“滌綸”。目前，工業生產中產量最大的滌綸是聚對苯二甲酸乙二酯，俗稱“的確良”。

另外，還有一些常見的高分子化合物的商品名稱，如，“腈綸”、“丙綸”、“氯綸”、“維尼綸”，等等。

“腈綸”——聚丙烯腈纖維；

“丙綸”——聚丙烯纖維；

“氯綸”——聚氯乙烯纖維；

“維尼綸” ——聚乙烯醇縮甲醛纖維。

聚集狀態

高聚物的性能不僅與高分子的相對分子質量和分子結構有關，也和分子間的互相關係，即聚集狀態有關。同屬線型結構的高聚物，有的具有高彈性（如天然橡膠），有的則表現出很堅硬（如聚苯乙烯），就是由於它們的聚集狀態不同。即使是同一種高聚物由於聚集狀態不同，性能也會有很大的差別，例如，化學纖維在製造過程中必須經過拉伸，就是為了改變聚物內部分子的聚集狀態，使其分子鏈排列得整齊一些，從而提高分子間的吸引力，使製品強度更好。

晶相高聚物和非晶相高聚物

從結晶狀態來看，線型結構的高聚物有晶相的和非晶相的。晶相高聚物由於其內部分子排列很有規律，分子間的作用力較大，故其耐熱性和機械強度都比非晶相的高，熔限較窄。非晶相高聚物沒有一定的熔點，耐熱性能和機械強度都比晶相的低，由於高分子的分子鏈很長，要使分子鏈間的每一部分都作有序排列是很困難的，因此，高聚物都屬於非晶相或部分結晶的。部分結晶高聚物的結晶性區域稱為微晶；微晶的多少稱為結晶度。例如，常見的聚氯乙烯、天然橡膠、聚酯纖維等高聚物都是屬於線型非晶相的高聚物。只有少數是定向聚合得到的，如聚乙烯、聚苯乙烯等是部分晶相的。部分晶相的高聚物是由晶相的微晶部分鑲嵌於無定形部分中而成的。

體型結構的高聚物，例如，酚醛塑膠、環氧樹脂等，由於分子鏈間有大量的交聯，分子鏈不可能產生有序排列，因而都是非晶相的，對於少量交聯的網狀高聚物，因其交聯少，鏈段間也可能產生局部的有序排列，但這種局部的有序排列，其分子間的吸引力不足以保持在這種狀態，而容易恢復到原來的無序狀態。

線型非晶相高聚物的聚集狀態

線型非晶相高聚物具有三種不同的物理狀態：玻璃態、高彈態和粘流態。猶如低分子物質具有三態（固態、液態和氣態）一樣，但是高聚物的三態和低分子的三態本質是不同的。橡膠和聚氯乙烯等塑膠都是線型非晶相高聚物，但橡膠具有很好的彈性，而塑膠則表現出良好的硬度，其原因就是由於它們在室溫下所處的狀態不同的緣故。塑膠所處的狀態是玻璃態，橡膠所處的狀態是高彈態，把高聚物加熱到熔融時所處的狀態就是粘流態。

玻璃態的特徵是形變很困難，硬度大；高彈態的特徵是形變很容易，具有高彈性；粘流態的特徵是形變能任意發生，具有流動性。這三種物理狀態，隨著溫度的變化可互相轉化。

套用

高分子的套用極為廣泛，遍及人們的衣、食、住、行，國民經濟各部門和尖端技術。功能高分子的問世，使合成高分子的套用發展到更精細、更高級的水平，不僅對促進工農業生產和尖端技術，而且對探索生命的奧秘、攻克癌症和治療遺傳性疾病都起著重要推動作用。據推算，21世紀地球上人口將超過100億，屆時糧食、能源、環境、資源等將成為使人類社會更感困擾的問題。對此，高分子科學將發揮重要作用。如利用高分子調整水分的蒸發和散失以改良土壤、綠化沙漠、擴大耕地、控制生態體系，促進糧食增產；製取高轉化率的光電池，用以分解水制氫和氧，用作燃料電池和化工原料；開發新型高分子催化劑，利用空氣中氮在常溫常壓下合成氨等。治理現代社會的環境污染同樣離不開高分子的套用。

但高分子易燃、易老化，不能降解，不被細菌腐蝕，不為土壤吸收。大量使用後丟棄，已造成嚴重公害。迫切需要研製能在自然環境中降解、分解而不造成污染的新型高分子。這是高分子科學今後發展的重要新課題、新方向之一。