Высокомолекулярные соединения

УДК 678.01:54(075.8)
ББК 24.7я73
 
Ш65

Р е ц е н з е н т ы: кафедра технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных 
материалов учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет» (заведующий кафед рой, член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси 
доктор химических наук Н. Р. Прокопчук); директор Института физико-органической химии 
Национальной академии наук Беларуси, член-корреспондент Национальной академии наук 
Беларуси доктор химических наук А. В. Бильдюкевич

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей кни ги или любой ее части не может 
быть осуществлено без разрешения издательства.

Шишонок, М. В.
Ш65  
Высокомолекулярные соединения : учеб. пособие / М. В. Шишонок. — 
Минск : Выш. шк., 2012. — 535 с. : ил., [3] л. цв. вкл. + электрон. опт. диск 
(CD-R).
ISBN 978-985-06-1666-1.

Подготовлено в соответствии с программой дисциплины. Включает классификацию и 
номенклатуру высокомолекулярных соединений; описывает их структуру, синтез и модификацию, а также свойства полимерных материалов. Представлены оригинальные научнотехнические решения проблем полимерной химии, показана их физико-химическая суть, 
конкретизированная информативными авторскими рисунками, в чем заключается новизна 
издания.
Для студентов учреждений высшего образования, преподавателей учреждений высшего и 
среднего специального образования, учителей,  школьников, инженерно-технических и научных работников, а также для всех, кто интересуется полимерами и сополимерами.

УДК 678.01:54(075.8)
ББК 24.7я73

ISBN 978-985-06-1666-1 (отд. кн.) 
© Шишонок М. В., 2012
ISBN 978-985-06-2155-9 
© Издательство «Вышэйшая школа», 2012

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ

Учебное пособие для студентов учреждений высшего образования охватывает все основные разделы химии высокомолекулярных соединений: историю, 
классификацию, номенклатуру, структуру, растворы, синтез, модификацию, а 
также свойства полимеров и полимерных материалов, — и соответствует действующим типовым учебным программам по дисциплине «Высокомолекулярные 
соединения».
В этом издании опубликован фундаментальный материал, включающий лекции, а также информацию, необходимую для подготовки к семинарам, коллоквиумам и контролируемой самостоятельной работе, лабораторному практикуму.
Прогресс в химической науке, ракетной технике, авиастроении, судостроении, машиностроении, электронике, нано- и биотехнологии, строительстве, 
сельском хозяйстве, фармацевтической, пищевой и легкой промышленности во 
многом обусловлен созданием новых полимерных материалов. Соответственно 
дисциплина «Высокомолекулярные соединения» является одним из ключевых 
курсов в системе химического образования. В учебных планах классических университетов этому курсу отводится значительное количество часов всех видов 
ауди торных и внеаудиторных занятий, что объясняется важнейшей ролью химии 
высокомолекулярных соединений в подготовке современных квалифицированных специалистов-химиков: научных работников, педагогов, фармацевтов, экологов, инженеров, технологов.
Упрощенное название высокомолекулярных соединений — полимеры. В настоящее время свыше 50 % химиков в промышленно развитых странах имеют 
прямое отношение к полимерам. С 1990 по 2010 г. мировое производство полимерных материалов увеличилось в два раза и превысило 580 млн т в год. 
Полимерные материалы — это каучуки, резины, пластики в форме волокон, пленок, мембран, покрытий, клеев и лаков, композитов, а также наночастицы, 
нано слои, нанокапсулы и нанокомпозиты. Они составляют основу материальной жизни (пищи, одежды, жилья, лекарственных препаратов) и деталей современных конструкций (ракет, самолетов, морских судов, автомобилей, компьютеров, мобильных телефонов, роботов).
Новизна издания состоит в том, что впервые классические законы и реакции 
иллюстрированы патентными разработками. Патенты содержат до 90 % технологической информации, вместе с тем только 10 % этих сведений публикуется в 
иной научной литературе. Запатентованные оригинальные решения основаны 
на известных принципах и реакциях и поэтому привлечены к изложению учебного материала как примеры использования важнейших научных закономерно

Предисловие

стей в современных технологиях. Выявление научных закономерностей, обеспечивших ключ к решению определенной задачи, позволит читателю оценить 
практическую значимость, действенность и актуальность преподаваемой дисциплины, ощутить живую связь фундаментальных дисциплин и современных 
разработок. Описания научно-технических решений включают соответствующие уравнения химических реакций, поясняющий текст и оригинальные авторские рисунки, что создает образные, запоминающиеся картины.
Учебное пособие подчеркивает генетическую взаимосвязь дисциплин: органической и неорганической, физической, коллоидной химии, радиационной химии, биохимии, кристаллохимии, физики, математики и химии высокомолекулярных соединений; акцентирует специфические свойства высокомолекулярных 
соединений, а также практическую значимость полимеров и сополимеров в материаловедении и промышленном производстве.
Сформулированы строгие определения основных терминов химии и физики 
высокомолекулярных соединений; указаны критерии классификации соединений и процессов, которые задают четкий план повествования. Каждый класс соединений иллюстрирован конкретными формулами и названиями полимеров по 
трем номенклатурам. Для наглядности, информативности и понимания весь материал конкретизирован большим количеством формул высокомолекулярных 
соединений, в том числе стереохимических, уравнений реакций, схемами спиралей, моделями полимерных цепей, фотографиями кристаллических образований. Принцип изложения материала, принятый в настоящем издании, заключается в последовательном переходе от общих понятий, классификации и номенклатуры к подробному рассмотрению строения, синтеза и модификации 
полимеров и полимерных материалов. Поэтому неизбежны некоторые повторения отдельных положений в разных главах.
Издание снабжено электронным диском, который включает материал о 
структурной модификации полимеров, армированных пластиках, «умных» высокомолекулярных соединениях, в том числе медицинского назначения. Кроме 
того, с целью систематизации приведенной в книге информации на диске размещены приложения: «Перечень определений», «Основные математические формулы», «Названия и формулы высокомолекулярных соединений» и др.
Выражаю благодарность специалисту в области информационных технологий Е. В. Макаренко за помощь в подготовке данного издания: набор и форматирование математических формул и химических структур; корректировку математического вывода функции распределения расстояний между концами свободносочлененных цепей; обработку иллюстраций; сведение всех материалов в макет 
книги и автоматизацию его форматирования; разработку концепции дизайна 
книги. Я признательна доценту кафедры органической химии Белорусского государственного университета В. И. Тыворскому, который прочитал некоторые 
разделы рукописи («Полимеризация», «Реакции высокомолекулярных соединений») и дал советы по их улучшению.

Автор

O

O2NO

ONO2

O

ONO2

n

Ð à ç ä å ë I.  ÎÁÙÈÅ ÏÐÅÄÑÒÀÂËÅÍÈß 
Î ÂÛÑÎÊÎÌÎËÅÊÓËßÐÍÛÕ ÑÎÅÄÈÍÅÍÈßÕ

 
i
Гл а в а 1.  Истоки химии высокомолекулярных 
соединений

 
i
Гл а в а 2.  Высокомолекулярные и олигомерные 
соединения

à ë à â à 1.  ÈÑÒÎÊÈ ÕÈÌÈÈ 
ÂÛÑÎÊÎÌÎËÅÊÓËßÐÍÛÕ ÑÎÅÄÈÍÅÍÈÉ

1.1. ИДЕЯ О МАКРОМОЛЕКУЛЕ

Высокомолекулярные соединения состоят из молекул сложного строения, 
называемых макромолекулами. Задолго до появления идеи о макромолекуле 
химия сложилась как наука о превращениях низкомолекулярных соединений, 
которые сравнительно легко исследовать. Для относительно «юной» химии высокомолекулярных соединений ниша в структуре уже сформировавшейся химической науки нашлась отнюдь не сразу. В результате даже в наше время 
школьники, а также студенты некоторых колледжей и вузов обладают разрозненной, несистематизированной информацией о полимерах, как упрощенно 
называют высокомолекулярные соединения. Парадоксально, но общепризнанная практическая значимость полимерных материалов — волокон, пленок, 
мембран, каучуков, резин, пластмасс, клеев и лаков — несколько скомпрометировала науку о высокомолекулярных соединениях. Дело в том, что еще до 
Аристотеля ученые выдвинули тезис: «Наука должна цениться тем выше, чем 
меньше пользы она приносит» [1]. Польза же высокомолекулярных соединений неоспорима. Они составляют основу материальной жизни. Например, 
пища (мясо, яйца, овощи, фрукты, злаки) содержит полипептиды (белки) и 
поли сахариды, в частности амилозу, целлюлозу; шерсть и кожа состоят из белков, а хлопок и лен — из целлюлозы:

N

H
O

n

R
H
O

H

H

HO

H

OH
H

H

OH

O
n

O

H

H

HO

H

H

OH
H

O

OH

n

Полипептид
Амилоза
Целлюлоза

Целлюлоза древесины составляет основу экологичного жилья. Генетическая информация записывается и хранится в полинуклеотиде — дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК):

Глава 1. Истоки химии высокомолекулярных соединений

N

N
N

N

NH2

O

H
O

H
H

H

CH2

H

P
O

O

N

NH2

O
N

O

H
O

H
H

H

CH2

H

P
O

O

O

N

N

N

O

NH2
N

O

H

H
H

H

CH2

H O

P
O

O

O

N

O

O
N

O

H
O

H
H

H

CH2

H

P
O

O

O

O

H

H

Дезоксирибонуклеиновая кислота

Австралийский ученый Вакрамасингхе обнаружил органический полимер — 
полиэтиленоксид — в облаках межзвездной пыли [2]; в межзвездном пространстве выявлен также полимер полиацетилен:

O

n
n

Полиэтиленоксид
Полиацетилен

Итак, высокомолекулярные соединения — одна из основных форм существования материи во Вселенной. При изучении химии и физики полимеров необходимо прежде всего понять, что составляет основу, т. е. структурную единицу, высокомолекулярных соединений. Что объединяет все эти различные вещества, из 
которых состоят мышцы, волосы, кожа и из которых производят пластики, клеи, 
пленки, в единый класс? Сходство заложено в структуре полимерных молекул. 
Научные представления о структуре молекул полимера ввел Штаудингер.

Раздел I. Общие представления о высокомолекулярных соединениях

 
Штаудингер Герман /Staudinger Hermann/ (1881 – 
1965) — немецкий химик. Родился в Вормсе. Химией занялся 
по совету отца, профессора философии. После окончания гимназии учился в университете в Галле (1898), Высшей технической школе в Дармштадте (1899) и Мюнхенском университете 
(1900) [3, 4]. В 1927 женился. Его избранница — Магда Войт, 
специалист по физиологии растений.
В 22 года Штаудингер получил докторскую степень по органической химии и занял должность ассистента Иоганнеса 
Тиле, ведущего ученого в области химии ненасыщенных органических соединений, в Страсбургском университете. Здесь, 
работая с 1903 по 1907, в 1905 Штаудингер открыл новый класс 
органических соединений — кетены, синтезировав дифенилкетен [3]. Научные исследования и открытие принесли ему известность, и именно за это уже в 26 лет он получил право преподавать. Затем Штаудингер стал экстраординарным профессором (в современном толковании — доцентом) Высшей технической школы в Карлсруэ, где работал (1908 – 1912) с 
известным химиком Карлом Энглером, специалистом в области химической технологии. 
Энглер являлся консультантом Баденской анилиновой и содовой фабрики (BASF) — крупной 
химической корпорации Германии. BASF интересовалась синтезом каучука, поскольку цены 
на природный (натуральный) каучук в то время постоянно повышались. Стимулируемый интересом со стороны BASF, Штаудингер открыл новый, более простой способ синтеза изопрена — соединения, из которого можно синтезировать аналог натурального каучука [5]. В то же 
время главным направлением его научной деятельности оставались кетены, которые он исследовал со своим студентом Леопольдом Ружичкой.
В 1912 Штаудингер стал профессором Швейцарского Федерального технологического 
института в Цюрихе, придя на смену известному химику-органику Рихарду Вильштеттеру [6], 
и работал там по 1926 [3]. В сотрудничестве с одним из лучших своих студентов Тадеушем 
Рейхштайном Штаудингер получил искусственную эссенцию кофе [6], которая использовалась в Германии во время Первой мировой войны, когда британская морская блокада отрезала страну от поставщиков натурального кофе. Рейхштайн синтезировал аскорбиновую кислоту (1933) и стал лауреатом Нобелевской премии (1950).
Исследования высокомолекулярных соединений начаты Штаудингером в 1920 [7]. 
Результаты опубликованы ученым в монографии [8]. В 1926 Штаудингер совмещал должности 
заведующего химической лабораторией и профессора Фрайбургского университета. На базе 
его кафедры в 1940 создан Государственный научно-исследовательский институт высокомолекулярных соединений, который он и возглавил. В 1947 Штаудингер основал журнал «Die 
makromolekulare Chemie».
В 1953, после нескольких десятилетий работы, Штаудингер награжден Нобелевской премией по химии за исследования в области химии высокомолекулярных соединений. В своей 
Нобелевской лекции «Macromolecular Chemistry» ученый отметил: «… чудо жизни… открывается в удивительном богатстве и совершенной макромолекулярной архитектуре живой материи». Причем Штаудингер еще не знал о событии, произошедшем восемью месяцами ранее 
и подтвердившем его слова: Крик и Уотсон опубликовали отчет о двойной спирали ДНК.
Человек высокого роста с тихим голосом, Штаудингер привлекал к себе студентов всего 
мира сочетанием редкой интуиции в химии и бойцовских качеств, когда речь шла о защите 
его макромолекулярной теории. В 1951 он оставил должность во Фрайбургском университете, но продолжал руководить Научно-исследовательским институтом высокомолекулярных 
соединений до 1956. Штаудингер удостоен медалью Эмиля Фишера Германского хи мического 

Глава 1. Истоки химии высокомолекулярных соединений

общества (1930) и медалью Леблана Французского химического общества (1931), а также 
премии Станислава Канниццаро Итальянской национальной академии наук (1933). Он был 
почетным доктором шести учебных заведений, членом многих научных обществ [5]. (Источник 
фотографии Г. Штаудингера: [9].)

В 1922 г. Штаудингер впервые высказал предположение, что молекула полимера представляет собой длинную цепь (лат. catena, англ. chain).

Цепь — последовательность составных звеньев.

Штаудингер назвал цепные молекулы макромолекулами (греч. μακρός — 
длинный). В макромолекулах атомы объединены ковалентными связями.
Определение термина по IUPAC (англ. International Union of Pure and Applied 
Chemistry — Международный союз по теоретической и прикладной химии) [10]:

Макромолекула — молекула с высокой относительной молекулярной массой, 
структура которой включает многократно повторяющиеся звенья, на самом деле 
или условно произошедшие от молекул с низкой относительной молекулярной 
массой.

Синонимы термина «макромолекула»:
 
•
цепь;
 
•
полимерная молекула;
 
•
мегамолекула.
Термин «мегамолекула» предложен одним из блестящих представителей германо-швейцарской школы химии полимеров Гансом-Георгом Элиасом. Автор 
термина приводит следующие обоснования правомерности названия «мегамолекула»: «… легкость произношения, простота написания, научная строгость». 
Часть слова «мега» (греч. μέγας — большой) входит в наименования кратных единиц, по размеру равных 106 исходных единиц. «Лучшие макромолекулы имеют 
молекулярные массы порядка 106» [1].
Цепное строение макромолекулы изображают общей формулой

A

n ,

где A — повторяющийся элемент цепи, «мер» (греч. μέρος — часть); n — целочисленный параметр, называемый степенью полимеризации.
Степень полимеризации принято также обозначать буквами P или X либо 
 аббревиатурой СП.
Определение термина по IUPAC [10]:

Степень полимеризации — число мономерных звеньев в макромолекуле.

Значения степени полимеризации охватывают широкий диапазон: от ста 
единиц до десятков миллиардов. Например, число мономерных звеньев в самых 
длинных макромолекулах — цепях ДНК — достигает 1 ÷ 10 млрд.

Мономер — низкомолекулярное соединение, из молекул которого посредством реакции полимеризации образуются макромолекулы.

Примеры формул и названий мономеров и соответствующих им высокомолекулярных соединений приведены в табл. 1.1.