Что такое "мономер": базовое понятие химии полимеров

Мономеры - что это такое на самом деле? За этим простым термином скрываются удивительные вещества, из которых состоят полимеры, окружающие нас повсюду.

Определение мономера

Итак, что такое "мономер" в точном химическом смысле этого слова? Мономер - это низкомолекулярное вещество, которое в результате реакции полимеризации образует полимер. Также мономерами называют повторяющиеся структурные звенья (единицы) в составе макромолекул полимеров.

Существует несколько трактовок термина "мономер":

• в узком смысле - исходное низкомолекулярное вещество, вступающее в реакцию полимеризации;
• в широком смысле - структурная единица, многократно повторяющаяся в полимере.

Понятие "мономер" тесно связано с такими терминами как:

• полимер - высокомолекулярное соединение, состоящее из многих мономерных звеньев;
• олигомер - низкомолекулярный полимер из небольшого числа мономеров;
• функциональность - число реакционноспособных групп в мономере.

По функциональности мономеры делят на:

1. монофункциональные;
2. бифункциональные;
3. трифункциональные и т.д.

Например:

• этилен - бифункциональный мономер;
• дивинилбензол - трифункциональный мономер;
• глицерин - мономер с функциональностью от 2 до 3.

Роль мономеров в образовании полимеров

Мономер что такое - это "кирпичики", из которых в результате химических реакций полимеризации образуются полимеры различного строения и свойств.

Существует два основных механизма синтеза полимеров:

1. Реакции полимеризации с раскрытием кратных связей в мономерах.
2. Реакции поликонденсации с образованием побочных низкомолекулярных продуктов.

Например, полиэтилен образуется из этилена в реакции радикальной полимеризации, а полиамид - в реакции поликонденсации диамина и дикарбоновой кислоты.

Строение исходного мономера во многом определяет свойства конечного полимера. Благодаря подбору мономеров с нужными функциональными группами можно "настраивать" заданные характеристики целевого полимерного материала.

Важную роль играет функциональность мономеров. Так, из бифункциональных мономеров получаются линейные полимеры, а из трех- и многофункциональных - сшитые полимерные сетки.

Мономеры веществ, вступая в реакцию полимеризации, образуют полимерные материалы с самыми разными свойствами и областями применения.

Мономеры в промышленности

В промышленных масштабах производится лишь ограниченный круг мономеров - так называемые мономеры-гиганты. К ним относятся:

• этилен;
• пропилен;
• стирол;
• винилхлорид;
• акрилонитрил и др.

Их ежегодное мировое производство исчисляется миллионами тонн. Например, выпуск этилена в 2020 г. составил около 170 млн тонн.

Помимо традиционных мономеров для пластмасс, активно разрабатываются мономеры для высокотехнологичных применений, таких как оптоэлектроника, мембраны, композитные материалы и др.

Отдельно стоит выделить акриловые мономеры (акриловую кислоту, акриламид), которые используются для производства красок, клеев, флокулянтов в водоочистке и других важных продуктов.

Природные мономеры

В живой природе синтезируется огромное разнообразие биополимеров на основе природных мономеров.

Мономеры биополимеров, такие как аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, соединяясь вместе образуют белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и другие важнейшие вещества живых организмов.

Например, 20 аминокислот, выступая в роли мономеров, формируют разнообразие белков со сложными структурами и биологическими функциями.

Сегодня активно ведутся работы по созданию искусственных биополимеров на основе натуральных или модифицированных мономеров. Особый интерес представляют биоразлагаемые полимеры, которые со временем разрушаются в окружающей среде без образования токсичных продуктов.

Синтетические мономеры

Помимо природных веществ, в качестве мономеров используются соединения, получаемые искусственным путем - так называемые синтетические мономеры.

Например, для производства синтетических каучуков применяют мономеры бутадиена, изопрена, хлоропрена и др. За счет сочетания разных мономеров можно широко варьировать свойства получаемых эластомеров.

Сополимеризация - это реакция образования полимера из смеси нескольких мономеров. Такой подход позволяет конструировать полимеры с заданными характеристиками.

Безопасность мономеров

Некоторые синтетические мономеры, например, винилхлорид или акриламид, обладают токсическими свойствами. Это создает угрозу как при их производстве и переработке, так и в процессе эксплуатации изделий.

Для обеспечения безопасности применяют различные меры: герметизацию оборудования, автоматизацию технологических процессов, использование ингибиторов полимеризации, улавливание газовых выбросов и др.

Перспективны мономеры для медицинских и фармацевтических полимеров. Они должны быть биосовместимыми, то есть не вызывать отторжения и воспаления в живых тканях организма.

Нерешенные проблемы

Что является мономером для получения полимеров с наперед заданной молекулярной архитектурой и комплексом свойств - до сих пор остается непростой научной задачей. Здесь есть еще много нерешенных вопросов.

Персонализированные полимеры

В будущем появится возможность синтезировать "умные полимеры" с заданным набором свойств, отвечающих индивидуальным потребностям конкретного человека.

Это потребует разработки широчайшей библиотеки мономерных блоков и высокоточных методов их сборки в сложные макромолекулы. При помощи искусственного интеллекта будут подбираться оптимальные наборы мономеров для каждого отдельного случая.

Зеленая химия мономеров

"Зеленая химия" стремится минимизировать негативное воздействие химических производств на окружающую среду и здоровье человека.

В отношении мономеров это означает:

• поиск более экологичных путей их синтеза;
• использование возобновляемого природного или вторичного сырья;
• создание биоразлагаемых полимеров на их основе.

Мономеры в медицине будущего

Активно ведутся разработки биосовместимых и биоразлагаемых мономеров для медицинских применений.

В частности, они будут использоваться:

• в регенеративной медицине для выращивания органов и тканей;
• для доставки лекарств в "умных" капсулах, распадающихся в организме по заданной программе;
• в имплантируемых медицинских устройствах, работающих в течение определенного времени в организме пациента.

Перспективы и прогнозы

В обозримом будущем прогнозируется расширение ассортимента мономеров за счет создания принципиально новых классов соединений с уникальными функциональными группами.

Ожидаются новые коммерчески успешные продукты на их основе – "умные" полимеры для электроники, фотоники, мембран, катализа и др. Мономеры станут одним из ключевых направлений развития химических технологий.