Амидтік байланыс полимерлері: қасиеттері мен қолданылуы

Кіріспе

Полиамид – амидтік байланыстармен байланысқан қайталанатын бірліктері бар макромолекула. Полиамидтер табиғи және жасанды түрде кездеседі. Табиғи полиамидтердің мысалдары – жүн және жібек сияқты ақуыздар. Жасанды полиамидтер кезеңдік полимерлену немесе қатты фазалық синтез арқылы жасалады, нәтижесінде нейлон, арамидтер және натрий полиаспартаты сияқты материалдар алынады. Синтетикалық полиамидтер жоғары төзімділігі мен беріктігіне байланысты тоқыма өнеркәсібінде, автомобиль саласында, кілемдерде, ас үй құралдарында және спорттық киімдерде кеңінен қолданылады. Көлік құралдарын өндіруші сала полиамидтің (ПА) тұтынылуының 35% құрайтын ең ірі тұтынушы болып табылады.

Полимерлеу химиясы

Полимерлерді өндіру үшін екі топтың қайталап қосылуы қажет, ол амидтік байланысты құрайды. Бұл жағдайда бұл әмидтік байланыстарды қамтиды, ал екі топ – амин тобы және функционалдық топтың терминалды карбонил компоненті. Бұл реакция көміртек-азот байланысын пайда етіп, бір ғана амидтік байланысын жасайды. Бұл процесс бұрын функционалдық топтардың құрамына кіретін басқа атомдарды жоюды қамтиды. Карбонил компоненті карбоксил қышқылының немесе реактивті ацил галоидты туындының бөлігі болуы мүмкін. Амин тобы мен карбоксил қышқылы тобы бір мономерде болуы мүмкін немесе полимер екі түрлі бифункционалдық мономерден құралуы мүмкін, біреуі екі амин тобымен, екіншісі екі карбоксил қышқылы немесе қышқыл хлориді тобымен. Конденсация реакциясы өнеркәсіпте нейлон полимерлерін синтетикалық жолмен өндіру үшін қолданылады. Найлонның құрамында тікелей тізбекті (алифатикалық) мономер болуы тиіс. Амидтік байланыс амин тобынан (амин тобы деп те аталады) және карбоксил қышқылынан жасалады. Карбоксил қышқылының гидроксилі аминнен алынған сутегімен қосылып, суды, реакцияның аты берілген қосалқы өнімді береді. Конденсация реакцияларының мысалы ретінде тірі организмдерде аминокислоталар бір-бірімен фермент арқылы конденсацияланып, амидтік байланыстар (пептидтер деп аталады) түзеді. Одан пайда болған полиамидтер ақуыздар немесе полипептидтер деп аталады. Төмендегі диаграммада амин қышқылдарын тек амин және қышқыл топтарына ғана назар аудара отырып, полиамидті қалыптастыру үшін бірдей молекулалармен әрекеттесетін бір ғана алифалық мономерлер ретінде қарастырыңыз. Р топтарының арасындағы айырмашылық елеусіз деп есептегенде, R топтарын елемеу керек: толық ароматты полиамидтер немесе арамидтер үшін, мысалы, Кевлар, мономер ретінде реактивті ацил хлориді қолданылады. Амин тобымен полимерлеу реакциясы хлорсутекті жояды. Қышқыл хлориді тәсілін ыстықтан аулақ болу және бірден реакция алу үшін зертханалық синтез ретінде қолдануға болады. Ароматты бөліктің өзі жою реакциясына қатыспайды, бірақ ол Кевлардың танымал беріктігіне әкелетін материалдың қаттылығын және беріктігін арттырады. Төмендегі диаграммада арамид полимер тізбегін құру үшін үздіксіз кезектесетін екі түрлі мономерден жасалады. Арамидтер – ароматты полиамидтер: Полиамидтер де Риттер реакциясын қолдану арқылы қышқыл катализін қолдана отырып, динитрилдерден синтезделуі мүмкін. Бұл әдіс адипонитрилден, формальдегидтен және судан нейлон 1,6 дайындау үшін қолданылады. Сонымен қатар, полиамидтерді осы әдісті қолдана отырып, гликолдар мен динитрилдерден синтездеуге болады.

Production of polymers requires the repeated joining of two groups to form an amide linkage. In this case this specifically involves amide bonds, and the two groups involved are an amine group, and a terminal carbonyl component of a functional group. These react to produce a carbon nitrogen bond, creating a singular amide linkage. This process involves the elimination of other atoms previously part of the functional groups. The carbonyl component may be part of either a carboxylic acid group or the more reactive acyl halide derivative. The amine group and the carboxylic acid group can be on the same monomer, or the polymer can be constituted of two different bifunctional monomers, one with two amine groups, the other with two carboxylic acid or acid chloride groups. The condensation reaction is used to synthetically produce nylon polymers in industry. Nylons must specifically include a straight chain (aliphatic) monomer. The amide link is produced from an amine group (alternatively known as an amino group), and a carboxylic acid group. The hydroxyl from the carboxylic acid combines with a hydrogen from the amine, and gives rise to water, the elimination byproduct that is the namesake of the reaction. As an example of condensation reactions, consider that in living organisms, Amino acids are condensed with one another by an enzyme to form amide linkages (known as peptides). The resulting polyamides are known as proteins or polypeptides. In the diagram below, consider the amino acids as single aliphatic monomers reacting with identical molecules to form a polyamide, focusing on solely the amine and acid groups. Ignore the substituent R groups – under the assumption the difference between the R groups are negligible:

For fully aromatic polyamides or aramids e. g. Kevlar, the more reactive acyl chloride is used as a monomer. The polymerization reaction with the amine group eliminates hydrogen chloride. The acid chloride route can be used as a laboratory synthesis to avoid heating and obtain an almost instantaneous reaction. The aromatic moiety itself does not participate in elimination reaction, but it does increase the rigidity and strength of the resulting material which leads to Kevlar's renowned strength. In the diagram below, an aramid is made from two different monomers which continuously alternate to form the polymer chain. Aramids are aromatic polyamides:

Polyamides can also be synthesized from dinitriles using acid catalysis via an application of the Ritter reaction. This method is applicable for preparation of nylon 1,6 from adiponitrile, formaldehyde and water. Additionally, polyamides can be synthesized from glycols and dinitriles using this method as well.