A-Level 化學溫習筆記：聚合作用 (主題 35)
歡迎來到奇妙的聚合物世界！這一章將你所學過的有機官能基（醇、羧酸、烯烴）連結起來，並展示化學家如何構建巨大的分子。理解聚合物至關重要，因為它們是所有塑膠、合成纖維，甚至是構成你身體的蛋白質的基礎！
如果反應名稱聽起來很嚇人，不用擔心；其核心本質其實很簡單——聚合作用只是將小單元（單體）連結成長長的重複鏈。
1. 聚合物與單體簡介
聚合物 (Polymer) 是一種非常大的分子（高分子），由許多稱為 單體 (monomers) 的相同或相似小單元以鏈狀連結而成。
比喻：將聚合物想像成一列長長的樂高火車，而單體就是一個個單獨的樂高積木。
關鍵術語複習
- 單體 (Monomer)： 能夠與其他單體鍵結的小型反應性分子。
- 聚合物 (Polymer)： 由許多單體連接而成的大型分子。
- 聚合作用 (Polymerisation)： 形成聚合物的化學反應過程。
- 重複單元 (Repeat Unit)： 聚合物鏈中重複出現的最小結構部分，重複此部分即可形成整個聚合物結構。
重點總結： 聚合物是鏈，單體是積木。我們主要關注兩種連結這些積木的方式：加成聚合與縮合聚合。
2. 加成聚合 (結合反應)
當單體簡單地 加在一起 形成聚合物鏈時，就會發生加成聚合。關鍵在於，過程中 沒有原子流失。
2.1 對單體的要求
要發生加成聚合，單體必須含有 碳碳雙鍵 (\(C=C\))，即它必須是 烯烴 或取代烯烴。雙鍵斷裂，讓單體可以在兩端進行連結。
記憶小撇步： 想像成拉鍊。雙鍵「拉開」，新的連結便能依次加入。
2.2 例子與重複單元推導 (課程大綱 20.1, 20.2)
這裡最重要的技巧是識別並畫出 重複單元。
例子 1：聚乙烯 (Poly(ethene))
單體：乙烯 (\(CH_2=CH_2\))。
1. 斷開 \(C=C\) 中的 \(\pi\) 鍵。 2. 原本雙鍵的兩個碳原子現在與相鄰的分子連結。 3. 重複單元就是來自原單體的兩個碳原子，用括號括起來，並在兩側畫出延伸鍵。
$$n \left( \begin{array}{c} H \\ | \\ C=C \\ | \\ H \end{array} \begin{array}{c} H \\ | \\ H \end{array} \right) \longrightarrow \left[ \begin{array}{c} H \quad H \\ | \quad | \\ -C-C- \\ | \quad | \\ H \quad H \end{array} \right]_n$$ （單體是乙烯，聚合物是聚乙烯。）
例子 2：聚氯乙烯 (PVC)
單體：氯乙烯 (\(CH_2=CHCl\))。
如果單體是不對稱的，確保側基（如 Cl）在鏈中正確地連接在對應的碳原子上。
$$n \left( \begin{array}{c} H \\ | \\ C=C \\ | \\ H \end{array} \begin{array}{c} Cl \\ | \\ H \end{array} \right) \longrightarrow \left[ \begin{array}{c} H \quad Cl \\ | \quad | \\ -C-C- \\ | \quad | \\ H \quad H \end{array} \right]_n$$
從聚合物推導單體： 若要反向推導，只需識別重複單元（主鏈中重複的最短部分），然後在該單元內的兩個碳原子之間插入一個雙鍵即可。
快速複習：加成聚合
條件： 單體必須含有 \(C=C\) 鍵。
過程： 雙鍵斷裂，形成單鍵以串成長鏈。
產物： 聚合物是 唯一 的產物（沒有原子流失）。
3. 縮合聚合 (連結反應)
當單體通過除去一個小分子（通常是 水 (\(H_2O\)) 或 氯化氫 (\(HCl\))）而連結在一起時，會發生縮合聚合。
要發生此反應，單體需要有 兩個官能基 互相反應（每個分子兩端各一個，或同一個分子上有兩個不同的官能基）。
3.1 聚酯的形成 (課程大綱 35.1)
聚酯是通過產生 酯鍵 (\(-COO-\)) 的縮合反應形成的。
聚酯的試劑
製造聚酯主要有三種方法：
-
二元醇 + 二元羧酸：
- 二元醇 (Diol) 有兩個醇基 (\(-OH\))。
- 二元羧酸 (Dicarboxylic acid) 有兩個羧基 (\(-COOH\))。
- 醇的 \(-OH\) 與酸的 \(-COOH\) 反應，脫去 \(H_2O\)。
-
二元醇 + 二醯氯：
- 使用 二醯氯 (Dioyl chloride)（含有兩個 \(-COCl\) 基團）代替二元羧酸，使反應更快更容易，通常脫去 \(HCl\)。
-
羥基羧酸：
- 單一單體同時含有 \(-OH\) 基團和 \(-COOH\) 基團（例如乳酸）。分子頭尾相接連結。
重複單元推導： 尋找酯鍵：\(-O-C(=O)-\)
3.2 聚醯胺的形成 (課程大綱 35.1)
聚醯胺是通過產生 醯胺鍵 (\(-CONH-\)) 的縮合反應形成的。（處理胺基酸時，這也稱為 肽鍵）。
聚醯胺的試劑
製造聚醯胺主要有三種方法：
-
二胺 + 二元羧酸：
- 二胺 (Diamine) 有兩個胺基 (\(-NH_2\))。
- 二元羧酸 有兩個羧基 (\(-COOH\))。
- 胺基與羧基反應，脫去 \(H_2O\)。(例如：形成尼龍 6,6)。
-
二胺 + 二醯氯：
- 使用 二醯氯 會加速反應，脫去 \(HCl\)。
-
胺基羧酸（或胺基酸）：
- 單一單體同時含有 \(-NH_2\) 基團和 \(-COOH\) 基團。這些單體頭尾相接形成蛋白質或合成聚醯胺（例如：尼龍 6）。
重複單元推導： 尋找醯胺鍵：\(-N(H)-C(=O)-\)
常見錯誤提示！
在繪製縮合聚合物時，請確保清楚標示哪些原子被移除以形成小分子（\(H_2O\) 或 \(HCl\)）。
對於 聚酯：是醇的 \(-OH\) 中的 \(H\) 和酸的 \(-COOH\) 中的 \(OH\)。
對於 聚醯胺：是胺的 \(-NH_2\) 中的 \(H\) 和酸的 \(-COOH\) 中的 \(OH\)。
4. 預測聚合反應的類型 (課程大綱 35.2)
要預測單體將進行加成還是縮合聚合，請仔細檢查其 官能基：
4.1 預測表
| 如果單體含有... | 聚合類型 | 關鍵特徵 |
| 僅有 \(C=C\) 雙鍵。 | 加成 | 單體只是「打開」並連接。 |
| 兩端有兩個反應性基團（如 \(-OH\), \(-COOH\), \(-NH_2\)）。 | 縮合 | 脫去小分子 (\(H_2O\) 或 \(HCl\))。 |
從聚合物結構推導：
- 如果主鏈 只含有碳原子，則為 加成聚合物。（例如：聚乙烯）。
- 如果主鏈在功能性鍵結（酯或醯胺）中 包含碳原子以外的雜原子（N 或 O），則為 縮合聚合物。
你知道嗎？
著名的尼龍 6,6 之所以這樣命名，是因為它的兩個單體（二胺和二元羧酸）各自剛好有 6 個碳原子！
5. 環境問題與可降解性 (課程大綱 20.4, 35.3)
聚合物極其有用，但它們的耐用性導致了嚴重的棄置環境問題。
5.1 聚烯烴的棄置困難
由加成聚合形成的聚合物，如聚乙烯和聚氯乙烯 (PVC)，被歸類為 聚烯烴 (poly(alkenes))。
- 化學惰性： 聚烯烴的主鏈完全由強大的非極性 C-C 單鍵 組成。這些鍵非常穩定，能抵抗化學侵蝕（如水解）和微生物的生物分解。
- 不可生物降解： 由於它們具有化學惰性，聚烯烴需要數百年才能自然分解，導致嚴重的垃圾掩埋問題。
- 有害的燃燒產物： 當聚烯烴被燃燒（焚化）時，會釋放有害物質。例如，燃燒 PVC (聚氯乙烯) 會釋放有毒的 氯化氫氣體 (\(HCl\))。
5.2 聚合物的降解
化學家正致力於開發更容易降解的聚合物。降解是將聚合物鏈打回較小分子的過程。
1. 光降解
有些聚合物被設計成含有對紫外線 (UV) 敏感的基團。暴露在陽光下時，這些聚合物會斷裂成碎片。然而，這通常只能解決 可見 的垃圾問題，因為碎片依然是惰性的微塑膠污染物。
2. 縮合聚合物的生物降解
聚醯胺和聚酯通常被認為比聚烯烴更容易降解。為什麼呢？
- 它們的主鏈中含有反應性的 酯鍵 (\(-COO-\)) 或 醯胺鍵 (\(-CONH-\))。
- 這些鍵可以通過 水解（與水反應）斷裂。
- 酸性和鹼性水解： 聚酯和聚醯胺可以通過與稀酸或鹼加熱而輕易分解。在考慮回收或分解時，這是一個關鍵概念。
聚酯水解例子（使用酸催化劑）： $$Polymer + nH_2O \rightleftharpoons n(Diol + Dicarboxylic\ Acid)$$
重點總結： 加成聚合物（聚烯烴）由於其強大的 C-C 主鏈而難以棄置。縮合聚合物通常更容易水解（分解），因為存在酯鍵或醯胺鍵。
溫習清單
你現在應該能夠：
- 識別加成聚合物的單體（必須有 \(C=C\)）。
- 推導並畫出聚乙烯和 PVC 等聚合物的重複單元。
- 識別聚酯（二元醇 + 二元羧酸/二醯氯）和聚醯胺（二胺 + 二元羧酸/二醯氯）所需的試劑。
- 識別縮合作用涉及失去一個小分子 (\(H_2O\) 或 \(HCl\))。
- 解釋為什麼聚烯烴會造成環境問題（惰性的 C-C 鍵、有毒燃燒產物如 \(HCl\)）。
- 解釋為什麼聚酯和聚醯胺能通過水解進行生物降解。
繼續練習那些重複單元的繪圖！你一定做得到！