پلیمرها و شیمی آلی (شیمی ۲)

الیاف، مواد مولکولی و درشت‌مولکول‌ها

الیاف به دو دسته تقسیم می‌شوند: الیاف طبیعی (پنبه، پشم، ابریشم، کتان) از منشأ گیاهی یا جانوری، و الیاف ساختگی (پلی‌استر، نایلون، تفلون، اکریلیک) که از واکنش شیمیایی مواد پتروشیمیایی (مشتقات نفت)، نه مستقیماً از طبیعت، ساخته می‌شوند. مادهٔ مولکولی ماده‌ای است که ذرات سازنده‌اش مولکول‌اند (مثل $\text{H}_2\text{O}،\text{CH}_4،\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، در حالی‌که درشت‌مولکول شمار اتم بسیار زیاد و جرم مولی بسیار بالایی دارد (از هزاران تا میلیون‌ها گرم بر مول)؛ برای نمونه جرم مولی آب فقط ۱۸.۰۲ است اما انسولین ۵۸۳۱.۶۵ و نایلون یا پلی‌اتن بین $10^4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تا $10^6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی گرم بر مول. سلولز، درشت‌مولکول طبیعی الیاف پنبه، پلیمری از حدود ۳۰۰۰ واحد گلوکز با فرمول تقریبی $(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)_n$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و جرم مولی حدود ۴۸۷۰۰۰ است؛ نشاسته و سلولز هر دو پلیمر گلوکزند اما به دلیل تفاوت پیوند گلیکوزیدی ($\alpha$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در نشاسته در برابر $\beta$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در سلولز)، نشاسته قابل هضم توسط آنزیم‌های گوارشی انسان و سلولز فیبر غذایی غیرقابل‌هضم است — با این‌که هر دو از واحد گلوکز ساخته شده‌اند، همین تفاوت پیوند خواصشان را کاملاً متفاوت می‌کند.

پلیمری‌شدن و پلی‌اتن

مونومر مولکول کوچک سازندهٔ پلیمر است و پلیمری‌شدن واکنشی است که طی آن مونومرها به هم می‌پیوندند و پلیمر می‌سازند؛ چون تعداد دقیق مونومرهای شرکت‌کننده مشخص نیست، فرمول مولکولی دقیقی برای پلیمرها نمی‌توان نوشت. پلیمری‌شدن افزایشی نیازمند پیوند دوگانهٔ $\text{C=C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در مونومر است: پیوند دوگانه می‌شکند و کربن‌ها به مونومرهای مجاور متصل می‌شوند، مانند تبدیل اتن سیرنشده به پلی‌اتن سیرشده. دو نوع پلی‌اتن با شرایط تولید متفاوت وجود دارد: پلی‌اتن سبک (LDPE) با زنجیر شاخه‌دار، چگالی کمتر (۰.۹۲)، شفاف و انعطاف‌پذیر (کیسه و فیلم پلاستیکی)، و پلی‌اتن سنگین (HDPE) با زنجیر بدون شاخه، چگالی بیشتر (۰.۹۷)، کدر و سخت (لوله و بطری) — در HDPE زنجیرهای بدون شاخه فشرده‌تر کنار هم قرار می‌گیرند و نیروی واندروالس قوی‌تری ایجاد می‌کنند. تفلون، کشف تصادفی پلانکت در دههٔ ۱۹۳۰ از گاز تترافلوئورواتن، بی‌اثر شیمیایی، نچسب و مقاوم به گرماست چون پیوند $\text{C-F}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بسیار قوی غلافی محافظ دور زنجیر کربن می‌سازد. شش پلیمر اصلیِ قابل بازیافت (PET، HDPE، PVC، LDPE، PP، PS) نزدیک ۷۵٪ پلیمرهای ساختگی جهان را تشکیل می‌دهند و هرکدام روی بستهٔ خود با نشانهٔ عددی مثلثی (از ۱ تا ۶) مشخص می‌شوند: مثلاً بطری آب و نوشابه از PET، دبه و لولهٔ آب از HDPE، و کیسهٔ خون و سرنگ از PVC ساخته می‌شود. جدول پلیمرهای افزایشی مهم دیگر شامل پلی‌وینیل‌کلرید (PVC، از وینیل‌کلرید)، پلی‌وینیل‌استات (در پاستیل)، پلی‌پروپن (در پتو و ظروف یک‌بارمصرف) و پلی‌استیرن (در یونولیت) است — همگی از مونومرهای دارای پیوند دوگانهٔ $\text{C=C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ساخته می‌شوند.

شیمی آلی و گروه‌های عاملی

شیمی آلی مطالعهٔ ساختار، خواص و واکنش‌های ترکیبات کربن‌دار است و محدود به موجودات زنده نیست — پلاستیک‌ها نیز در این شاخه جای می‌گیرند. الکل‌ها ($\text{R-OH}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) گروه هیدروکسیل روی کربن سیرشده دارند؛ بخش $\text{R}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ناقطبی (چربی‌دوست، با نیروی واندروالس) و بخش $\text{-OH}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی قطبی (آب‌دوست، با پیوند هیدروژنی) است، و با افزایش طول زنجیر $\text{R}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، انحلال‌پذیری در آب کاهش و آب‌گریزی افزایش می‌یابد (کلسترول با زنجیر بلند و $\text{C=C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اضافی، الکلی سیرنشده و آب‌گریز است). ویتامین‌های محلول در آب ($\text{B}،\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) گروه‌های قطبی زیاد دارند و در ادرار دفع می‌شوند، اما ویتامین‌های محلول در چربی ($\text{A}،\text{D}،\text{E}،\text{K}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) با زنجیر هیدروکربنی بلند در بافت چربی ذخیره شده و مصرف بیش‌ازحدشان خطر مسمومیت دارد. همین قاعدهٔ طول‌زنجیر دربارهٔ کربوکسیلیک اسیدها ($\text{R-COOH}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یا $\text{R-C(=O)OH}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) نیز صدق می‌کند؛ نمونه‌های آشنا فورمیک اسید (متانوئیک اسید، جوهر مورچه، عامل سوزش گزش مورچهٔ سرخ) و استیک اسید (اتانوئیک اسید، جوهر سرکه، پرکاربردترین اسید آلی) هستند. کربوکسیلیک اسیدها در فاز مایع به‌صورت دایمر (جفت) با دو پیوند هیدروژنی به هم متصل می‌شوند، به همین دلیل نقطهٔ جوششان از الکل‌های هم‌جرم بالاتر است.

استرها و پلی‌استرها

استرها گروه عاملی $-\text{COO}-$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارند و عامل بوی خوش میوه و گل‌اند. واکنش استری‌شدن برگشت‌پذیر است و با کاتالیزگر اسیدی و حرارت پیش می‌رود: $\text{R-COOH}+\text{R'-OH}\rightleftharpoons\text{R-COO-R}'+\text{H}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ نام استر از نام گروه الکلی (پسوند «-یل») و نام اسید (پسوند «-وات») ساخته می‌شود. استرها عامل بوی خوش بسیاری از خوراکی‌ها و گیاهانند: اتیل‌بوتانوات بوی آناناس، ایزوپنتیل‌استات بوی موز و متیل‌سالیسیلات بوی خمیردندان می‌دهد؛ هر میوه در واقع مخلوطی از چند صد ترکیب شیمیایی مختلف است. آبکافت استر واکنش معکوس استری‌شدن است و مسئول پوسیدگی تدریجی پارچه‌های پلی‌استری در اثر رطوبت، اسید یا قلیای محیط است. پلی‌استرها از واکنش دی‌الکل (الکل دوعاملی) با دی‌اسید (اسید دوعاملی) ساخته می‌شوند و گروه عاملی استر در طول زنجیرشان تکرار می‌شود؛ پرمصرف‌ترین نمونهٔ صنعتی آن‌ها PET (پلی‌اتیلن‌ترفتالات، از اتیلن‌گلیکول و اسید ترفتالیک) است که در بطری آب و نوشابه، الیاف پارچه و نخ خیاطی به‌کار می‌رود — هرچه زنجیر پلی‌استر بلندتر باشد، نیروی بین‌مولکولی و استحکام نخ نیز بیشتر است.

پلی‌آمیدها و کولار

آمین‌ها ($\text{R-NH}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) با کربوکسیلیک اسید واکنش داده و آمید ($-\text{CO-NH}-$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) می‌سازند. مو، ناخن، پوست و پشم همگی پروتئین‌اند، یعنی پلی‌آمیدهای طبیعی؛ کولار، پلی‌آمید ساختگی از دی‌آمین و دی‌اسید، استحکام کششی نزدیک پنج برابر فولاد هم‌جرم دارد و در جلیقهٔ ضدگلوله و لباس آتش‌نشانی به‌کار می‌رود — این استحکام از حلقه‌های آروماتیک و پیوندهای هیدروژنی قوی بین زنجیرهای موازی می‌آید. در مقایسه با پلی‌استر، آبکافت پیوند آمیدی کندتر است، به همین دلیل لباس‌های نایلونی دوام بیشتری دارند.

پلیمرهای ماندگار در برابر زیست‌تخریب‌پذیر

پلیمرهای ماندگار مانند پلی‌اتن، به دلیل ساختار آلکانی و پیوند $\text{C-C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سیرشده، در طبیعت تجزیه نمی‌شوند یا بسیار کند تجزیه می‌شوند و آلودگی محیط‌زیست، آسیب به جانداران و گورستان زباله را در پی دارند. پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر (نشاسته، سلولز، پروتئین) توسط جانداران به $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، آب و مولکول‌های ساده تجزیه می‌شوند. پلیمر سبز نمونهٔ آن، پلی‌لاکتیک اسید (PLA)، از تخمیر نشاستهٔ ذرت یا سیب‌زمینی به لاکتیک اسید و سپس پلیمری‌شدن آن به دست می‌آید و در ظروف یک‌بارمصرف، سطل زباله، کیسه‌های زیست‌تخریب‌پذیر و نخ بخیهٔ پزشکی (که آنزیم‌های بدن پیوندهای استری آن را می‌شکنند و خودبه‌خود جذب می‌شود، بی‌نیاز از برداشتن) کاربرد دارد. در مقایسهٔ جامع دو نوع پلیمر، پلیمر ماندگار از نفت تهیه می‌شود و تجزیه‌اش یا اصلاً رخ نمی‌دهد یا بسیار کند است، در حالی‌که پلیمر سبز از منابع کشاورزی تهیه می‌شود و طی چند ماه به $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و آب تجزیه می‌شود — با صرفهٔ اقتصادی کمتر اما سازگاری بسیار بیشتر با محیط‌زیست.

آبکافت نشاسته و واکنش‌های محاسباتی

آنزیم آمیلاز در بزاق، نشاسته را به گلوکز شیرین می‌شکند؛ به همین دلیل نان پس از جویدن طولانی مزهٔ شیرین می‌دهد. در تحلیل سرعت آبکافت استر، هرچه غلظت واکنش‌دهنده بیشتر باشد برخوردهای مؤثر و سرعت واکنش بیشتر است، پس سرعت در بازه‌های اولیهٔ واکنش از بازه‌های پایانی بیشتر است. در واکنش اتن با کلر ($\Delta H=-178\ \text{kJ/mol}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، از ۴۲ گرم اتن (۱.۵ مول) ۲۶۷ کیلوژول گرما آزاد می‌شود. در پلیمری‌شدن با کاتالیزگر زیگلر–ناتا، نسبت مولی بهینهٔ Ti به Al حدود $1:3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بیشترین جرم مولی پلیمر را می‌دهد؛ دور شدن از این نسبت، چه با افزایش و چه کاهش کاتالیزگر Al، جرم مولی پلیمر را کاهش می‌دهد.