Лекция 3. Номенклатура полимеров и сополимеров
1.Тривиальная, рациональная и систематическая номенклатура органических полимеров
Номенклатура (принципы и правила образования названий полимеров) должна выполнять две задачи:
- исходя из названия, воспроизвести химическое строение полимера; сделать наиболее распространенные полимеры легко узнаваемыми.
Тривиальная номенклатура
Это номенклатура, включающая торговые названия полимеров, делает полимер узнаваемым для широкого круга специалистов и потребителей. Например, политетрафторэтилен широко известен как тефлон. Иногда торговые названия дают достаточно полную информацию о полимере. Например, такие названия, как нейлон 6, нейлон 66 говорят о том, что оба полимера представляют собой ациклические полиамиды линейной структуры. В первом случае полимер получен из одного мономера -ε-капролактама, Цифра 6 означает, что амидные группы в цепи разделены шестью метиленовыми СН2- группами. Второй полимер получен из двух мономеров: гексаметилендиамина и адипиновой кислоты. Первая цифра в названии полимера показывает число атомов в диамине, вторая – в дикарбоновой кислоте.
Рациональная номенклатура
Рациональная номенклатура широко применяется в настоящее время по отношению к полимерам, получаемым методом цепной полимеризации. По этой номенклатуре перед названием мономера ставят приставку «поли-». Если название мономера включает несколько слов, то его заключают в скобки. Иногда эти скобки не ставят. Например:
n CH2 = CH → [- CH2 - CH -]n
⎜ ⎜
C6H5 C6H5
стирол полистирол
n CH2 = CHCl → [- CH2 - CHCl -]n
винилхлорид поли(винилхлорид)
Название полимера может быть образовано, исходя из гипотетического мономера. Так, поливиниловый спирт называют по виниловому спирту, который неустойчив, и как мономер не может существовать в свободном виде. Получают его гидролизом поли(винилацетата.:
[-CH2 - CH -]n + nН2О → [- CH2 - CH -]n + nСН3СООН
⎜ ⎜
OCOCH3 OH
поливинилацетат поливиниловый спирт
Более общей является номенклатура, основанная на строении мономерного звена. Она может применяться к полимерам, полученным из двух мономеров. Обычно это поликонденсационные полимеры. В этом случае после приставки «поли-» в скобках приводится название мономерного звена. Та часть названия, которая определяет принадлежность данного полимера к какому-либо классу, приводится последней. Например, указывает на принадлежность полимера к классу полиамидов, полиэфиров, полиуретанов. Первые слова характеризуют второй мономер.
[- CH2 – CH2 – О – С – С6Н4 – С -]n
⎜⎜ ⎜⎜
O O
поли(этилентерефталат)
[- NH – (CH2)6 – NH – C – (CH2)4 – C -]n
⎜⎜ ⎜⎜
O O
поли(гексаметиленадипоамид)
[-О - CH2 – CH2 - CH2 – O – C - NH - CH2 - CH2 – NH – C -]n
⎜⎜ ⎜⎜
O O
поли(триметиленэтиленуретан)
1.3 Систематическая номенклатура, рекомендованная ИЮПАК (JUPAC)
Название полимера начинается с приставки «поли-», за которой в скобках следует название составного повторяющегося звена полимерной цепи (СПЗ). Следовательно, для того, чтобы дать название полимеру, необходимо:
- идентифицировать СПЗ; ориентировать СПЗ; дать название СПЗ
СПЗ может быть простым или состоять из нескольких подзвеньев. В качестве подзвена выбирают наибольшую группу атомов или циклов основной цепи, которая может быть названа в соответствии с правилами номенклатуры ИЮПАК для низкомолекулярных органических соединений. Атомы и подзвенья располагаются в СПЗ в порядке убывания старшинства слева направо. Путь между подзвеньями должен быть наиболее коротким. Правила старшинства состоят в следующем:
Все гетероатомы являются старшими по отношению к углероду. Среди них старшинство определяется положением в периодической системе. Старшинство убывает при движении от верхнего правого угла периодической таблицы к левому нижнему по группам. Ряд старшинства начинается со фтора. Оно убывает в последовательности: F, Cl, Br, …, O, S, Se, …, N, P, As, Sb, …, Fr. Старшинство подзвеньев определяется рядом: гетероциклы > гетероатомы или линейные подзвенья, включающие гетероатомы > карбоциклы > ациклические подзвенья. Наличие любых заместителей не изменяет порядок старшинства подзвеньев. При прочих равных условиях преимуществом обладают те из них, у которых число, показывающее положение заместителя, является наименьшим. Гетероциклы по старшинству расположены в ряд: азотсодержащие > гетероциклы, содержащие наряду с азотом другие гетероатомы, старшинство которых определяется в соответствии с пунктом 1 > системы с наибольшим количеством колец > системы с наибольшим циклом > цикл с наибольшим количеством гетероатомов > системы с наибольшим количеством гетероатомов > системы с наибольшим ассортиментом гетероатомов. При иных равных условиях ненасыщенные циклы имеют преимущество. Среди карбоциклических группировок главенствуют те, которые имеют наибольшее количество циклов. Далее идут системы: с наибольшим индивидуальным циклом > с наибольшим количеством общих атомов у всех циклов > с наименьшим числом, характеризующим места соединения циклов > системы с наибольшей ненасыщенностью.Пример1.
Для полимера формулы:
~~~СH – CH2 – O – CH – CH2 – O - CH – CH2 – O ~~~
⎜ ⎜ ⎜
F F F
возможны следующие варианты СПЗ:
- СH – CH2 – O – – CH2 – O – CH – –O - CH – CH2 –
⎜ ⎜ ⎜
F F F
1 2 3
- O – CH2 – CH – – CH – O – CH2 – - CH2 – CH – O -
⎜ ⎜ ⎜
F F F
4 5 6
Поскольку, согласно правилу 1, в основной цепи полимера старшим является кислород О, то все структуры, кроме 3 и 4, исключаются из дальнейшего рассмотрения. По правилу 2 предпочтение отдается структуре с наименьшим числом, показывающим положение заместителя, в данном случае, атома фтора F. Поэтому в качестве СПЗ рассматриваемого полимера выбирают структуру 3. Тогда полимер можно обозначить и назвать следующим образом:
[–O - CH – CH2 –]n поли[окси(1-фторэтилен)]
⎜
F
Пример 2. Полимер формулы [- О – С – СН2 – С – (СН2)3 -]n называют
⎜⎜ ⎜⎜
О О
поли-1,3-диоксигексаметилен, т. к. это название включает наибольшую цепь атомов углерода.
Пример 3. Полимер формулы [- СН = СН -]n называют поливинилен, не полиэтандиилиден.
2. Номенклатура неорганических и элементоорганических полимеров
Название полимеров в данном случае может быть дано по рациональной и систематической номенклатуре. В обычных случаях старшинство элементов в цепях прямо противоположно старшинству элементов, принятых для органических соединений. Так, для неорганических и элементоорганических полимеров старшим из приведенного ранее фрагмента периодической системы будет Fr, младшим – F (чем ниже электроотрицательность, тем выше старшинство).
В случае рациональной номенклатуры название полимеров с неорганической главной цепью складывается из:
- приставки «поли-» ; числа и названия боковых радикалов, присоединенных к каждому из атомов основной цепи; корневых названий элементов, образующих основную цепь; суффикса, указывающего на характер связи между элементами основной цепи («-ан» - одинарная связь, «-ен» - двойная связь, «-ин» - тройная связь); в случае разных радикалов у одного атома их названия дают в алфавитном порядке латинского алфавита.
В соответствии с Номенклатурными правилами ИЮПАК систематическая номенклатура неорганических, элементоорганических и координационных полимеров базируется на тех же принципах, что и номенклатура органических полимеров. Т. е. название складывается из приставки «поли-» и помещенного в квадратные скобки названия составного повторяющего звена, которое складывается из названий составных фрагментов. Если число повторяющихся звеньев известно, то вместо слова «поли-» можно использовать численный префикс, например, дека-СПЗ. Линейный полимер обозначается перед названием префиксом «катена» (от латинского слова catena – цепь).
Название СПЗ, состоящего из центрального атома с несколькими заместителями, начинается с перечисления заместителей, затем идет название центрального атома и далее, после префикса μ, название заместителя (лиганда). Если последний состоит из нескольких атомов, входящих в основную цепь, то тот из них, который связан с центральным атомом СПЗ, отделяется от других двоеточием.
Классификация и номенклатура сополимеров
Номенклатура сополимеров ИЮПАК основывается на их происхождении, классификация сополимеров – на расположении мономерных звеньев в молекулах. Если мономеры условно обозначить через А, В,С, то названия сополимеров по систематической номенклатуре в зависимости от типа сополимера будут выглядеть следующим образом.
Таблица 3
Тип сополимера | Пример названия |
неустановленный (т. е. неизвестный) | поли(А-со-В) |
статистический | поли(А-стат-В) |
случайный | поли(А-сл-В) |
чередующийся | поли(А-чер-В) |
периодический | поли(А-период-В-период-С) |
блочный | поли А-блок-поли В |
привитой | поли А-прив-поли В |
Статистические сополимеры – сополимеры, в которых последовательность расположения мономерных звеньев в цепях подчиняется законам статистики.
-А – А – В – А – В - В – А –
Случайные сополимеры – особый случай статических сополимеров. Присоединение того или другого мономера к цепи сополимера определяется лишь законом случая и не зависит от каких-либо параметров их реакционной способности.
Чередующиеся сополимеры имеют регулярное строение, т. к. в цепи за А всегда следует В и наоборот.
В периодических сополимерах звенья цепи также располагаются регулярным образом:
-АВСАВСАВС- или (АВС)n,
-ABBABBABB- или (ABB)n,
-AABAAABAAABA- или (AABA)n,
-ABACABACABAC- или (ABAC)n
Для блок - и привитых сополимеров характерно блочное расположение мономерных звеньев в макромолекуле. Блок это участок макромолекулы, содержащий один тип мономерных звеньев.
- АААААААА – ВВВВВВ- блок-сополимер
- АААААААА АААААААААААААА привитой сополимер
В В В
В В В
В В
В
Когда блоки соединены фрагментом (атомом) Х, не являющимся частью блоков, название соединительного звена помещается в соответствующем месте, а соединительное слово блок - может быть опущено, например, поли А-блок-Х-блок-поли С или поли А-Х-поли С.
При названии привитых сополимеров первое название (А) соответствует звеньям, образующим основную цепь, второе (В) – звеньям, образующим боковые цепи: поли А-прив-поли В. Если привитые цепи содержат разные мономерные звенья, то они разделяются в названии точкой с запятой: поли А-прив-(поли В; поли С).
Наряду с указанной выше используется альтернативная номенклатура. Её основные положения:
Сополимер обозначают приставкой «сополи-», за которой следуют названия мономеров (номенклатура, базирующаяся на происхождении). Пример: сополи(стирол/бутадиен). Уточнение типа сополимера (сокращения «блок», «чер» и т. д.) производят с помощью префикса, предшествующего приставке «сополи-», выделенного курсивом. Пример: блок-сополи(стирол/бутадиен). В основную часть названия сополимера включают только названия мономеров; концевые звенья уточняются до основного названия (с помощью префиксов α или ω), а звенья, соединяющие блоки, упоминают после основного названия, используя символ μ. Например: блок-сополи(стирол/бутадиен)-μ-диметилсилилен; α-бутил-ω-карбокси-блок-сополи(стирол/бутадиен). Массовую долю, мольную долю, молекулярную массу или степень полимеризации мономерных звеньев в сополимерах обозначают отдельно: в скобках после названия
