náhled|Molekulární model polyvinylchloridu Makromolekulární chemie je obor chemie, který se zabývá přípravou, strukturou a vlastnostmi polymerů (makromolekulárních látek) a soustavami, ve kterých se tyto polymery nachází (roztoky, směsi…). Polymerní strukturu má mnoho materiálů od zcela anorganických kovů a keramiky až po DNA a další biologické molekuly. Makromolekulární chemie se obvykle vztahuje k syntetickým a organickým sloučeninám. Syntetické polymery jsou všudypřítomné v materiálech a výrobcích každodenní potřeby, jako jsou plasty a pryže, a jsou hlavními složkami kompozitních materiálů.

Historie Makromolekulární chemie vznikla jako samostatný vědní obor v třicátých letech 20. století. Její základy však byly budovány již od počátku 19. století. Nejprve se jednalo o studie na objasňování struktury přírodních polymerů, jako škrob nebo celulosa. Práce Henriho Braconnota z roku 1777 a práce Christiana Schönbeina z roku 1846 vedly k objevu nitrocelulózy, z níž se po reakci s kafrem získával celuloid. Po rozpuštění v éteru nebo acetonu vzniká kolodion, který se od dob americké občanské války používá jako obvaz na rány. V roce 1865 byl poprvé vyroben acetát celulózy. V letech 1834–1844 se zjistilo, že vlastnosti přírodního kaučuku (polyisoprenu) se výrazně zlepšují zahřátím se sírou a tím byl položen základ vulkanizace. V roce 1884 založil Hilaire de Chardonnet první závod na výrobu umělých vláken na bázi regenerované celulózy, neboli viskózového rayonu. Materiál sloužil jako náhrada za hedvábí, ale byl velmi hořlavý.

Na počátku 20. století se začínaly vyrábět první polymery průmyslově. V roce 1907 vynalezl Leo Baekeland první polymer vyrobený nezávisle na produktech organismů, fenol-formaldehydovou pryskyřici zvanou Bakelit. Přibližně ve stejné době popsal Hermann Leuchs syntézu N-karboxyanhydridů aminokyselin a jejich produktů s vysokou molekulovou hmotností vznikajících při reakci s nukleofily. Tyto látky však neoznačil za polymery, pravděpodobně kvůli svému přímému nadřízeného Emilu Fischerovi, který popíral možnost existence jakékoli kovalentní molekuly s hmotností přesahující 6 000 daltonů. V roce 1908 vynalezl Jocques Brandenberger celofán, když nechal působit na listy viskózového rayonu kyselinu.

V roce 1914 byl vyroben první syntetický kaučuk, v té době ne zrovna příliš kvalitní. Německý chemik Hermann Staudinger jako první navrhl, že polymery se skládají z dlouhých řetězců atomů spojených kovalentními vazbami, které nazval makromolekulami, a jeho práce vedla k rozvoji oboru makromolekulární chemie. Předtím se vědci domnívali, že polymery jsou shluky malých molekul (koloidy) bez přesně stanovené molekulové hmotnosti, držené pohromadě neznámou silou. V roce 1953 obdržel Staudinger Nobelovu cenu za chemii.V průběhu dvacátých a třicátých let 20. století se postupně začaly zavádět výroby nových syntetických kaučuků (butadieny, polysulfidy), polyvinylchloridů (PVC), polyamidů, polyesterů a dalších. V roce 1931 vynalezl Wallace Carothers syntetický kaučuk zvaný neopren, první polyester a v roce 1935 nylon, skutečnou náhradu za hedvábí.

Ve 40. letech byly zavedeny výukové a výzkumné programy v oblasti makromolekulární chemie. V roce 1940 byl ve Freiburgu pod vedením Staudingera založen Ústav makromolekulární chemie. V následujícím roce založil Herman Mark v Americe Ústav pro výzkum polymerů při Polytechnickém institutu v Brooklynu (dnes Polytechnický institut NYU).

V roce 1974 obdržel Paul Flory Nobelovu cenu za chemii za svou práci z 50. let na konfiguracích polymerních náhodných spirál v roztoku. Karl Ziegler a Giulio Natta se roku 1963 podělili o Nobelovu cenu za objev katalyzátorů pro polymerizaci alkenů. Stephanie Kwolek vyvinula aramid s názvem Kevlar, který byl patentován v roce 1966. V roce 2000 získali Nobelovu cenu za chemii za vývoj polyacetylenu a souvisejících vodivých polymerů Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid a Hideki Širakawa. Samotný polyacetylen sice nenašel praktické uplatnění, ale jako jedna z aplikací vodivých polymerů vznikly organické světelné diody (OLED).

Makromolekulární chemie vyvíjela podle potřeb spotřebitelů, kteří požadovali stále nové konstrukční řešení a nové textilní materiály. Dodnes se v makromolekulární chemii studují převážně látky, které se uplatní jako technické nebo konstrukční materiály (kaučuk, celulosa, pryskyřice…)

Členění makromolekulární chemie Podobně jako ostatní vědní obory, se i makromolekulární chemie dělí na několik podoborů s různými zaměřeními. Syntéza polymerů (polymerizace) – vyhledávání a zdokonalování metod syntéz polymerů Analýza polymerů a plastů – vývoj a zdokonalování analýzy složení a chemické struktury polymerů Fyzikální chemie makromolekul – studuje vztahy mezi strukturou a fyzikálně chemickými vlastnostmi polymerů Chemické reakce polymerů – reakce funkčních skupin polymerů, síťovací reakce, rozklad, koroze a jejich stabilizace

Vlastnosti polymerů Polymery jsou sloučeniny s vysokou molekulovou hmotností, které vznikají polymerizací monomerů. Monomer je jednoduchá reaktivní molekula, z níž vycházejí opakující se strukturní jednotky polymeru. Při polymeraci lze polymery modifikovat přidáním dalších monomerů. Tím se mění mechanické vlastnosti polymerů, jejich zpracovatelnost, trvanlivost a podobně. Polymer lze popsat mnoha způsoby: podle stupně polymerace, distribuce molární hmotnosti, distribuce kopolymerů, stupně rozvětvení, podle koncových skupin, křížových vazeb, křehkosti a tepelných vlastností jako např. teplota tání. Polymery v roztoku mají specifické vlastnosti, pokud jde o rozpustnost, viskozitu a gelaci.

Studium termodynamiky polymerů pomáhá zlepšovat vlastnosti různých materiálů na bázi polymerů, jako je polystyren (pěnový polystyren) a polykarbonát. Mezi běžná vylepšení patří zvýšení pevnosti, zlepšení odolnosti proti nárazu, zlepšení biologické rozložitelnosti a změna rozpustnosti materiálu.

Viskozita S prodlužováním řetězců polymerů a zvyšováním jejich molekulové hmotnosti se zvyšuje jejich viskozita. Naměřená viskozita polymerů tak může poskytnout cenné informace o průměrné délce polymeru, průběhu reakcí a o tom, jakým způsobem se polymer rozvětvuje.

Základní typy polymerů náhled|Část molekuly DNAPolymery lze klasifikovat mnoha způsoby. Polymery, v užším slova smyslu, tvoří většinu pevné hmoty: minerály (tj. většina zemské kůry) jsou z velké části polymery, kovy jsou trojrozměrné polymery, živé i mrtvé organismy se skládají převážně z polymerů a vody. Polymery se často klasifikují podle jejich původu na:

biopolymery syntetické polymery anorganické polymery

Přírodní polymery (biopolymery) Biopolymery jsou strukturální a funkční materiály, které tvoří většinu organické hmoty v organismech. Polysacharidy, jako je celulóza, chitin a škrob, jsou biopolymery odvozené od cukrů. Polynukleové kyseliny DNA a RNA vznikají z fosforylovaných cukrů s navěšenými nukleotidy, které nesou genetickou informaci. Jednou z hlavních tříd biopolymerů jsou bílkoviny, které vznikají z aminokyselin. přírodní kaučuk – lineární polymerní řetězec, tvořen isoprenovými jednotkami polysacharidy-polymerní látky, v nichž strukturní jednotkou (merem) jsou sacharidy nukleové kyseliny – DNA, RNA proteiny – sloučeniny spojené peptidickou vazbou

Syntetické polymery Syntetické polymery jsou strukturální materiály, které se vyskytují v plastech, syntetických vláknech, barvách, stavebních materiálech, nábytku, mechanických součástech a lepidlech. Syntetické polymery lze rozdělit na termoplastické polymery a termosetové plasty. Mezi termoplastické polymery patří polyethylen, teflon, polystyren, polypropylen, polyester, polyuretan, polymethylmetakrylát, polyvinylchlorid, nylony a viskóza. Mezi termosetové plasty patří vulkanizovaná guma, bakelit, kevlar a polyepoxid. Téměř všechny syntetické polymery se vyrábějí z petrochemických produktů. polyethylen (PE) polypropylen (PP) teflon (PTFE) polystyren (PS) polyestery: polyethylentereftalát (PET) polyamidy: nylon (PA66), silon (PA6) polyisobutylen (PIB)

Reference

Externí odkazy