Макромолекула

Макромолекула – молекула полимера, имеющая цепное строение. Химическая структура макромолекулы может быть описана как многократное повторение составных звеньев (атомных групп), соединенных между собой ковалентными связями в линейные последовательности (скелетная или основная цепь). Макромолекулы могут иметь линейное или разветвленное строение. В последнем случае различают основную и боковые цепи.

Основные характеристики макромолекулы – это ее химическое строение, длина (степень полимеризации, т.е. количество составных мономерных звеньев, входящих в состав макромолекулы) и молекулярная масса, равная произведению степени полимеризации и молекулярной массы мономерного звена.

Химическое строение мономерных звеньев и способ их соединения характеризуют первичную структуру макромолекулы, для описания которой используют понятие «конфигурация» (взаимное расположение мономерных звеньев, которое задается в процессе синтеза и не может быть изменено без разрыва связей основной цепи). Конфигурация звена макромолекулы определяется пространственным  расположением боковых заместителей вокруг центров стереоизомерии, например, тетраэдрического атома С (изо- и синдиотактические изомеры) или двойной связи (цис- и транс-изомеры). Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из различных стереоизомеров мономерного звена. Полимеры, макромолекулы которых состоят из одинаковых стереоизомеров, называются стереорегулярными. В нестереорегулярных полимерах мономерные звенья различной конфигурации соединены в макромолекуле статистически.

В зависимости от конфигурационной изомерии свойства полимеров с одной и той же химической структурой могут быть совершенно различны. Так, например, 1,4-цис-полиизопрен (натуральный каучук) мягок и эластичен, тогда как другой конфигурационный изомер 1,4-транс-полиизопрен (гуттаперча) представляет собой твердый кристаллический материал. Температура стеклования (размягчения) изотактического полиметилметакрилата составляет 40°С, а синдиотактического - 160°С. Конфигурационная изомерия также предопределяет способность полимера кристаллизоваться, проявлять тот или иной комплекс конструкционных и функциональных свойств, а , значит, и области применения данного материала.       

В рамках данной конфигурации макромолекула способны в широких пределах изменять свою конформацию (взаимное расположение атомных групп) без разрыва связей основной цепи. Это достигается за счет ограниченного вращения звеньев вокруг ковалентных связей в результате теплового движения. Степень свободы этого вращения зависит от химической природы данной связи и определяет гибкость макромолекулы. В зависимости от этого фактора полимеры делят на гибко- и жесткоцепные.   

Обычно гибкоцепные полимеров приобретают наиболее вероятную конформацию макромолекулярного клубка, форма и размеры которого могут быть описаны эффективной сферой. Макромолекулярный клубок представляет собой весьма «разреженное» образование – собственно объем полимера по отношению к объему эффективной сферы не превышает 1 ¸ 3 %. Наряду с этим, макромолекулы гибкоцепных полимеров могут принимать упорядоченные глобулярные, спиральные и складчатые конформации, которые стабилизированы межмолекулярными взаимодействиями, например, водородными связями.    

Для жесткоцепных полимеров наиболее предпочтительна стержнеобразная конформация. Отметим, что для гибкоцепных полимеров такая конформация возникает в результате одноосной вытяжки (ориентации).