欢迎来到合成聚合物的世界！你的化学生存指南

哈喽，未来的化学家们！准备好深入探索神奇的聚合物世界了吗？别担心这个名字听起来很复杂；其实你每天都在接触聚合物——我们说的就是塑料、包装材料、不粘涂层、纺织布料和瓶子。

这一章将我们学过的简单有机分子（例如烯烃、羧酸和醇）与构成现代社会的大型实用材料联系起来。理解这些巨大的分子是如何构建以及如何处理处置，是有机化学中关键的一部分。

你将学到：

• 单体 (monomer) 和聚合物 (polymer) 的定义。

• 加成聚合反应 (addition polymerisation) 的运作原理，以及聚乙烯 (poly(ethene))、聚丙烯 (poly(propene))、聚氯乙烯 (poly(chloroethene)) 和聚四氟乙烯 (poly(tetrafluoroethene)) 的重复单元。

• 如何从聚合物的重复单元推导出单体，反之亦然。

• 处置问题：化学惰性、不可生物降解性，以及燃烧时产生的有毒气体。

• （卷二内容） 形成聚酯的缩合聚合反应 (condensation polymerisation)，包括乙二酸与乙二醇的反应，以及可生物降解的生物聚酯。

1. 单体、聚合物与聚合反应：构建积木

核心定义

想象你有一盒一模一样的小乐高积木。现在，想象你把这些积木全部连在一起，形成一条非常长的链条。

1. 单体 (Monomer)：
单体（词头 mono- 意为“单一”）是指作为基本重复单元的小型、简单分子。
类比：单个乐高积木。

2. 聚合物 (Polymer)：
聚合物（词头 poly- 意为“许多”）是指当许多小型单体连接在一起时所形成的大分子 (macromolecule)。
类比：由许多乐高积木拼成的长链。

3. 聚合反应 (Polymerisation)：
许多单体连接在一起形成聚合物链的化学反应过程。

2. 加成聚合反应

在加成聚合反应中，成千上万个含有碳-碳双键 ( \(>\text{C}=\text{C}<\) ) 的不饱和单体连接在一起，形成单一长聚合物链。反应中不会生成其他副产物。

加成聚合反应的进行方式

1. 单体中碳原子之间的双键断开（打开）。

2. 每个碳原子与相邻单体上的碳原子形成一个新的单共价键。

3. 这将成千上万个单体单元连接成一条由 \(\text{C}-\text{C}\) 单键构成的连续长链。

表示加成聚合物：单体与重复单元

重复单元 (repeat unit) 是聚合物中反复出现的特定原子排列。绘制重复单元时：

• 将 \(\text{C}=\text{C}\) 双键替换为 \(\text{C}-\text{C}\) 单键。

• 保持连接在每个碳原子上的所有原子或原子团在主链上方和下方的完全相同位置。

• 在两侧穿过方括号水平画出延伸单键，以表示开放的延续键结。

• 在右括号外右下方添加下标 \(n\)，以表示大量重复单元。

课程指定的 4 种加成聚合物：

1. 聚乙烯 (Poly(ethene))：
单体：乙烯 (\(\text{CH}_2=\text{CH}_2\))
聚合物重复单元：\(-[\text{CH}_2-\text{CH}_2]_n-\)

2. 聚丙烯 (Poly(propene))：
单体：丙烯 (\(\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_3\))
聚合物重复单元：\(-[\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CH}_3)]_n-\)

3. 聚氯乙烯 (Poly(chloroethene) / PVC)：
单体：氯乙烯 (\(\text{CH}_2=\text{CHCl}\))
聚合物重复单元：\(-[\text{CH}_2-\text{CH(Cl)}]_n-\)

4. 聚四氟乙烯 (Poly(tetrafluoroethene) / PTFE / 特氟龙 Teflon)：
单体：四氟乙烯 (\(\text{CF}_2=\text{CF}_2\))
聚合物重复单元：\(-[\text{CF}_2-\text{CF}_2]_n-\)

从重复单元推导单体（及反向推导）

• 从单体到重复单元： 将 \(\text{C}=\text{C}\) 双键改为 \(\text{C}-\text{C}\) 单键，画出穿过括号向外延伸的键，并加上 \(n\)。

• 从重复单元到单体： 找出重复单元中由两个碳构成的骨架，移除延伸键，移除括号和 \(n\)，并将 \(\text{C}-\text{C}\) 单键替换为 \(\text{C}=\text{C}\) 双键。

3. 加成聚合物的处置问题

虽然合成加成聚合物的耐用性与化学惰性使它们非常实用，但它们在废弃处置时会引发严重的环境问题：

• 化学惰性与不可生物降解性： 合成加成聚合物含有牢固的碳-碳 (\(\text{C}-\text{C}\)) 单键，且在化学上具惰性（不易起反应）。微生物（细菌和真菌）无法轻易分解这些键，这意味着这些塑料不能生物降解。它们会在垃圾填埋场和海洋中完整存在数百年。

• 焚烧时产生有毒气体： 燃烧（焚烧）塑料废物可减少体积并释放能量，但会产生有害污染物。完全燃烧会产生二氧化碳（一种温室气体），不完全燃烧会产生有毒的一氧化碳，而含有其他元素的聚合物（例如聚氯乙烯中的氯）在燃烧时会释放出氯化氢 (\(\text{HCl}\)) 等有毒气体。

4. 缩合聚合反应（只限卷二）

在缩合聚合反应中，含有两个官能团的单体相互反应形成聚合物链，每形成一个键就会释放一个小分子（例如水，\(\text{H}_2\text{O}\)）作为副产物。

制造聚酯

聚酯 (polyester) 是由以下两者反应生成的：

• 二羧酸 (dicarboxylic acid)（含有两个 \(-\text{COOH}\) 羧基的分子，\(\text{HOOC}-\text{R}_1-\text{COOH}\)）。

• 二醇 (diol)（含有两个 \(-\text{OH}\) 醇羟基的分子，\(\text{HO}-\text{R}_2-\text{OH}\)）。

每个 \(-\text{COOH}\) 基团与一个 \(-\text{OH}\) 基团反应形成一个酯键 (ester link) (\(-\text{COO}-\))，同时消除一个 \(\text{H}_2\text{O}\) 分子。

文字方程式通式：
\(\text{dicarboxylic acid} + \text{diol} \rightarrow \text{polyester} + \text{water}\)

具体实例：乙二酸与乙二醇

• 二羧酸单体： 乙二酸 (Ethanedioic acid) (\(\text{HOOC}-\text{COOH}\))

• 二醇单体： 乙二醇 (Ethanediol) (\(\text{HO}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{OH}\))

该聚酯的重复单元为：
\(-[\text{O}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-\text{CO}]_n-\)
当每种单体各有 \(n\) 个单元结合时，会生成 \(2n\) 个水分子 (\(\text{H}_2\text{O}\))。

生物聚酯：可生物降解的解决方案

生物聚酯 (Biopolyesters) 是指源自可再生生物资源，或经人工设计带有酯键的合成聚合物，这些酯键随时间可被微生物自然分解。

• 由于它们是可生物降解的 (biodegradable)，它们在环境中的分解速度远快于加成聚合物，从而显著减少填埋场废物和塑料污染。

章节总结复习

重点回顾：

• 加成聚合反应： 不饱和单体（烯烃）打开双键形成单一聚合物产物。课程指定范例：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚四氟乙烯。

• 处置问题： 加成聚合物具化学惰性且不可生物降解；焚烧燃烧会释放有毒气体。

• 缩合聚合反应（卷二）： 二羧酸与二醇反应生成聚酯和水 (\(\text{H}_2\text{O}\))。

• 生物聚酯（卷二）： 经设计可生物降解的聚酯，为传统塑料提供了可持续的替代方案。