DẠY HÓA BẰNG TIẾNG ANH HÓA HỮU CƠ (p3)

Trong phần này, chúng ta sẽ xem polime tổng hợp được gọi tên như thế nào và học về hai loại phản ứng hóa học mà nối các polime liên kết đồng hóa trị thành một chuỗi.. Hai loại trình tự p

CHAPTER 15

ORGANIC COMPOUNDS AND THE ATOMIC

PROPERTIES OF CARBON 15.5 THE MONOMER-POLYMER THEME I: SYNTHETIC MACROMOLECULES

In its simplest form, a polymer (Greek, “many parts”) is an extremely large molecule,

or macromolecule, consisting of a covalently linked chain of smaller molecules, called monomers (Greek, “one part”) The monomer is the repeat unit of the polymer, and a typical polymer may have from hundreds to hundreds of thousands of repeat units There are many types of monomers, and their chemical structures allow for the complete repertoire of intermolecular forces Synthetic polymers are created by chemical reactions in the laboratory; natural polymers (or biopolymers) are created by chemical reactions within organisms, and we’ll discuss them in the next section In this section, we see how synthetic polymers are named and discuss the two types of reactions that link monomers covalently into the chain

To name a polymer, we just add the prefix poly- to the monomer name, as in

polyethylene or polystyrene When the monomer has a two-word name, parentheses

are used, as in poly (vinyl chloride).

The two major types of reaction processes that form synthetic polymers lend their names to the resulting polymer classes-addition and condensation

15.5 ĐẠI CƯƠNG VỀ POLIME-MONOME PHẦN 1: Cao phân tử tổng hợp

Ở dạng đơn giản nhất thì polime là một phân tử cực kì lớn, hay còn gọi là

macromolecule, bao gồm một liên kết đồng hóa trị được nối với chuỗi phân tử nhỏ

nhất, được gọi là monome Monome là một đoạn lặp lại của polime, và một polime

đặc trưng có thể có từ một trăm cho đến hàng trăm ngàn các đoạn lặp lại Có nhiều loại monome và cấu tạo hóa học của chúng cho phép thu nhận các đoạn hoàn thiện

của các phân tử Polime tổng hợp được tạo ra bởi các phản ứng hóa học trong phòng thí nghiệm; polime tự nhiên (hay còn gọi là polime sinh học) được tạo ra bởi phản ứng

hóa học trong sinh học, và chúng ta sẽ học về chúng ở phần tiếp theo Trong phần này, chúng ta sẽ xem polime tổng hợp được gọi tên như thế nào và học về hai loại phản ứng hóa học mà nối các polime liên kết đồng hóa trị thành một chuỗi

Để gọi tên một polime, chúng ta chỉ cần thêm tiền tố poli- vào tên monome, như là polyetylen hoặc polystyren Khi một monome có tên với hai từ, ta sử dụng dấu ngoặc đơn, ví dụ poly(vinyl chlorit)

Hai loại trình tự phản ứng chính hình thành nên polime tổng hợp vay mượn tên của chúng đối với các loại polime được tạo ra – đó là phản ứng trùng ngưng và phản ứng trùng hợp

Figure 15.18 Steps in the free-radical polymerization of ethylene.

Addition Polymers

Addition polymer form when monomers undergo an addition reaction with one

another These substance are also called chain-reaction (or chain-growth) polymers because as each monomer adds to the chain, it forms a new reactive site to continue

the process The monomers of most addition polymers have the

grouping

As you can see from table 15.6 the essential chemical differences between an acrylic sweater, a plastic grocery bag, and a bowling ball are due to the different groups that are attached to the double-bonded C atoms of the monomer

The free-radical polymerization of ethane (ethylene, CH2=CH2) to polyethylene

is a simple example of the addition process (Figure 15.18) the monomer reacts to form a free radical, a species that has an unpaired electron, which then forms a covalent bond with an electron of another monomer

• Step 1 The process begins when an initiator, usually a peroxide, generates a

free radical

• Step 2 The free radical attacks the π bond of an ethylene molecule, forming a σ

bond with one of the p electrons and leaving the other unpaired, creating a new free radical

• Step 3 This new free radical then attacks the π bond of another ethylene

molecule, joining it to the chain end, and the backbone of the polymer grows one unit longer

• Step 4 This process stops when two free radicals form a covalent bond or when

a very stable free radical is formed by addition of an inhibitor molecule

The most important polymerization reactions are stereoselective and create polymers whose repeat units have groups spatially oriented in particular ways Through the use of these reactions, polyethylene chains with molar masses of 104 to

105 g/mol are made by varying conditions and reagents

Similar methods are used to make polypropylenes,

CH2 CH

CH3 n

that have all the CH3 groups of the repeat units oriented either on one side of the chain or on alternating sides The different orientations lead to different packing efficiencies of the chains and, thus, different degrees of crystallinity, which lead to differences in such physical properties as density, rigidity, and elasticity

Polime có phản ứng trùng hợp

Polime có phản ứng trùng hợp hình thành khi các monome trải qua một phản ứng cộng với một monome khác Những chất này cũng được gọi là các polime chuỗi phản ứng (hoặc chuỗi tăng trưởng) bởi vì giống như mỗi monome thêm vào chuỗi, nó tạo một vị trí phản ứng mới để tiếp tục quá trình Monome của hầu hết các polime phản ứng trùng cộng đều có nhóm

Như các bạn có thể thấy từ bảng 15.6, sự khác biệt về hóa học cơ bản giữa một chiếc áo len acrylic, một túi hàng tạp hóa nhựa, và một quả bóng bowling là do các nhóm khác nhau được đính với các nguyên tử C liên kết đôi của monome

Phản ứng trùng hợp theo cơ chế gốc tự do của eten (etylen, CH2=CH2) với polyetylen là một ví dụ đơn giản của quá trình phản ứng trùng cộng (Hình 15.18) Các

monome phản ứng để tạo thành một gốc tự do có một electron chưa ghép cặp, sau đó

electron chưa ghép cặp này hình thành mối liên kết cộng hóa trị với một electron của một monome khác:

• Bước 1 Quá trình bắt đầu khi một chất khởi đầu, thường là một peroxide tạo ra một

gốc tự do

• Bước 2 Các gốc tự do tấn công liên kết của một phân tử etylen, hình thành một liên

kết với một trong các electron p và rời khỏi liên kết chưa ghép cặp kia, tạo ra các gốc

tự do mới

• Bước 3 Sau đó gốc tự do mới này rồi tấn công liên kết của một phân tử etylen khác,

ghép nó vào cuối chuỗi, và trục chính của các polyme dần dần phát triển thành một đoạn dài hơn

• Bước 4 Quá trình này dừng lại cho đến khi hai gốc tự do hình thành một liên kết hóa

trị hoặc khi gốc tự do ở trạng thái bền được hình thành bằng phản ứng trùng cộng của một phân tử chất ức chế

Các phản ứng trùng hợp điển hình nhất là phản ứng chọn lọc lập thể và tạo ra các

polime, những đoạn lặp lại của chúng có nhiều nhóm trong không gian định hướng theo những cách riêng Thông qua việc sử dụng các phản ứng này, các chuỗi polyetylen có khối lượng mol từ 104 đến 105 g/mol được tạo ra bởi các điều kiện khác nhau và thuốc thử

Polypropylen cũng được tạo ra bằng các phương pháp tương tự, công thức cấu tạo ,

có tất cả các nhóm CH3 của các đoạn lặp lại theo định hướng cả phía bên này của chuỗi và cả các phía xen kẽ Các định hướng khác nhau dẫn đến hiệu quả kèm theo khác nhau của các chuỗi và do đó, mức độ khác nhau của tinh thể dẫn đến sự khác biệt

về các tính chất vật lý như mật độ, độ cứng và độ đàn hồi

Condensation Polymers

The monomer of condensation polymers must have two functional groups; we can designate such a monomer as A-R-B (where A and B may or may not be the same, and

R is the rest of the molecule) Most commonly, the monomers link when a A group on one undergoes a dehydration-condensation reaction with a B group on another:

H A R B OH H A R B OH

n

-(n-1)HOH

Many condensation polymers are copolymers, those consisting of two or more different repeat units Two major types are polyamides and polyesters

Các monome của polime phản ứng trùng ngưng bắt buộc phải có hai nhóm chức;

chúng ta có thể kí hiệu monome là A-R-B (trong đó A và B có thể giống hoặc khác nhau, và R là phần còn lại của phân tử) Thông thường nhất thì các monome nối với

nhau khi một nhóm A trong một monome đó trải qua một phản ứng trùng ngưng –

khử nước với một nhóm B khác:

Nhiều polime ngưng tụ chính là copolime, những copolime này bao gồm hai

hoặc nhiều các đoạn lặp lại khác Có hai loại chính đó là polyamit và polyeste

Table 15.6 Some Major Addition Polymers

1. Polyamides Condensation of carboxylic acid and amine monomers forms polyamides

(nylons) One of the most common is nylon-66, manufactured by mixing equimolar amounts of a six-C diamine (1,6-diaminohexane) and a six-C diacid (1,6-hexanedioic acid) The basic amine reacts with the aicd to form a “nylon salt” Heating drives off water and forms the amide bonds:

HOOC(CH2)4COOH + n H2N(CH2)6NH2

2

(2n 1)H O

∆

− −

[-CO-(CH2)4 - CO-NH-(CH2)6 -NH-]n

Covalent bonds within the chains give nylons great strength, and H bonds between chains give them great flexibility About haft of all nylons are made to reinforce automobile tires; the others are used for rugs, clothing, fishing line, and so forth

2. Polyesters Condensation of carboxylic acid and alcohol monomers forms polyesters.

Dacron, a popular polyester fiber, is woven from polymer strands formed when equimolar amounts of 1,4-benzenedicarboxylic acid and 1,2-ethanediol react Blending these polyester fibers with various amounts of cotton gives fabrics that are durable, easily dyed, and crease resistant Extremely thin Mylar films, used for recording tape and food packaging, are also made form this polymer

1 Polyamit Phản ứng trùng ngưng của axit cacboxylic và monome amin tạo ra

polymit (nilon) Phổ biến nhất là nilon-66, được sản xuất bằng cách trộn tổng lượng

đẳng mol của một điamin 6-C (diaminohexan) và một diaxit 6-C (axit 1,6-hexandioic) Amin có tính bazo phản ứng với axit để hình thành một “nylon salt.” Nhiệt nóng lên truyền sang nước và hình thành các liên kết amit:

Liên kết cộng hóa trị trong các chuỗi khiến cho các nilon có độ bền lớn, và các liên kết H giữa các chuỗi giúp cho chúng có độ linh hoạt cao Khoảng một nữa trong số toàn bộ các nilon được tạo ra để gia cố lốp xe ô tô; còn một số khác được dùng để tạo

ra thảm, quần áo, dụng cụ đánh bắt cá

2 Polieste Phản ứng trùng ngưng của axit cacboxylic và monome alcohol tạo

ra polieste Dacron là một sợi polyeste phổ biến, được dệt từ các sợi polime hình thành

khi tổng số đẳng mol của axit 1,4-benzendicacboxylic và 1,2-etanediol phản ứng với nhau Pha trộn những sợi polyeste với số lượng cotton khác nhau cho ra vải có độ bền cao, dễ dàng nhuộm, và chống nhăn Những cuộn phim cực kì mỏng dùng cho việc ghi âm và gói thức ăn cũng được làm từ loại polime này

Summary of Section 15.5

• Polymers are extremely large molecules that are made of repeat units called monomers

• Addition polymers are formed from unsaturated monomers that commonly link through free-radical reactions

• Most condensation polymers are formed by linking monomers that each have two functional groups through a dehydration-condensation reaction

• Reaction conditions, catalysts, and monomers ca be varied to produce polymers with different properties

Tóm lược phần 15.5

• Polime là các phân tử cực kì lớn tạo ra các đoạn lặp lại được gọi là monome

• Các polime phản ứng trùng cộng hợp được hình thành từ các monome không bão hòa thường liên kết thông qua các phản ứng theo cơ chế gốc tự do

• Hầu hết các polime phản ứng trùng ngưng được hình thành bằng cách nối các monome với nhau thành hai nhóm chức thông qua phản một ứng trùng ngưng-khử nước

• Điều kiện phản ứng, chất xúc tác và monome có thể được thay đổi để sản xuất các polime có tính chất khác nhau

15.6 THE MONOMER-POLUMER THEME II:

BIOLOGICAL MACROMOLECULES

The monomer-polymer theme was being played out in nature eons before humans employed it to such great advantage Biological macromolecules are condensation polymers created by nature’s reaction chemistry and improved through evolution These remarkable molecules are the best demonstration of the versatility of carbon and its handful of atomic partners

Natural polymers, such as polysaccharides, proteins, and nucleic acids, are the

“stuff of life” Some have structures that make wood strong, fingernails hard, and wool flexible Others speed up the myriad reaction that occur in every cell or defend the body against infection Still others possess the genetic information organisms need

to forge other biomolecules Remarkable as these giant molecules are, the functional

groups of their monomers and the reactions that link them are identical to those of other, smaller organic molecules, and the same intermolecular forces that dissolve smaller molecules stabilize these giant molecules in the aqueous medium of the cell

15.6 ĐẠI CƯƠNG VỀ POLIME-MONOME PHẦN II: Cao phân tử sinh học

Đại cương về monomer-polymer được trình bày về các thời đại tự nhiên trước khi con người sử dụng nó như một lợi thế lớn Đại phân tử sinh học là các polime phản ứng trùng hợp được tạo ra bởi phản ứng hóa học tự nhiên và được hoàn thiện thông qua quá trình tiến hóa Những phân tử này đáng chú ý là sự minh chứng rõ ràng nhất về tính linh hoạt của cacbon và số lượng các cặp liên kết nguyên tử vừa đủ

Polime tự nhiên, chẳng hạn như polysaccharit, protein và axit nucleic chính là

"công cụ của sự sống" Một vài số có cấu trúc khiến cho gỗ bền, móng tay cứng, và len linh hoạt Một số khác đẩy nhanh vô số phản ứng xảy ra trong từng tế bào hoặc bảo vệ cơ thể chống lại nhiễm trùng Vẫn còn một số khác nữa xử lý các cơ quan tổ chức thông tin di truyền cần thiết để nén các phân tử sinh học khác Đáng chú ý như những phân tử cực lớn có các nhóm chức của monome và các phản ứng hóa học liên kết chúng với nhau giống hệt với những nhóm chức này của phân tử khác, các phân tử hữu cơ nhỏ hơn và có lực giữa các phân tử tương tự giúp hòa tan các phân tử nhỏ bền hơn của các phân tử cực đại này trong môi trường nước của tế bào

Figure 15.19 (A) The structure of glucose in aqueous solution

(B) The formation of a disaccharide

Sugars and Polysaccharides

In essence, the same chemical change occurs when you burn a piece of wood or eat a piece of bread Wood and bread are mixtures of carbohydrates, substances that provide energy through oxidation

Monomer Structure and Linkage Glucose and other simple sugars, from the three-C

trioses to the seven-C heptoses, are called monosaccharides and consist of carbon chains with attached hydroxyl and carboxyl groups In addition to their roles as individual molecules engaged in energy metabolism, they serve as the monomer units

of polysaccharides Most natural polysaccharides are formed from five- and six-C units In aqueous solution, an alcohol group and the aldehyde (or ketone) group of the same monosaccharide react with each other to form a cyclic molecule with either a five- or six-membered ring (Figure 15.19A)

When two monosaccharides undergo a dehydration-condensation reaction, a disaccharide forms For example, sucrose (table sugar) is a disaccharide of glucose and fructose (Figure 15.19B)

Đường và các polysaccharit

Về bản chất, sự thay đổi hóa học tương tự xảy ra khi bạn đốt cháy một mảnh gỗ hoặc

ăn một miếng bánh mì Gỗ và bánh mì là hỗn hợp của cacbohydrat, chất cung cấp

năng lượng thông qua quá trình oxy hóa

Liên kết hóa học và cấu tạo monome Đường và các loại đường đơn khác được tạo ra

từ các trios 3-C với các heptos 7-C, được gọi là monosaccharit và chứa các chuỗi

cacbon với các nhóm hydroxyl và cacbonyl được liên kết Ngoài vai trò của các phân

tử là tham gia vào quá trình chuyển hóa năng lượng, chúng còn đảm nhận vai trò như những đoạn monome của polysaccharit Hầu hết các polysaccharit tự nhiên được hình

thành từ những đoạn 5-C và 6-C Trong dung dịch nước, một nhóm alcohol và nhóm

andehit (hoặc xeton) của cùng một monosacarit phản ứng với nhau để tạo thành một phân tử vòng (cyclic) vừa có cả vòng năm chất tham gia liên kết hoặc sáu chất tham gia liên kết (Hình 15.19A).

Khi hai monosaccharides trải qua phản ứng ngưng tụ - khử nước thì một

disaccharit được hình thành Ví dụ, sucrose (đường ăn) là một disaccharit của glucose

và fructose (Hình 15.19B)

Types of Polysaccharides A polysaccharide consists of many monosaccharide units

linked together The three major natural polysaccharides consist entirely of glucose units, but they differ with respect to how these units are linked

• Cellulose is the most abundant organic chemical on Earth More than 50% of the carbon in plants occurs in the cellulose of stems and leaves; wood is largely

cellulose, and cotton is more than 90% cellulose Cellulose consists of long chains of glucose The great strength of wood is due largely to the countless H bonds between cellulose chains

• Starch is a mixture of polysaccharides of glucose and serves as the energy storage molecule in plants It occurs as a helical molecule of several thousand glucose units mixed with a highly branched, bushlike molecule of up to a million glucose units

• Glycogen functions as the energy storage molecule in animals It occurs in liver and muscle cells as large, insoluble granules consisting of glycogen molecules made from 1000 to more than 500,000 glucose units

The carbons involved in the bonds between glucose units in these polysaccharides differ in their chirality Humans lack the enzyme to break the particular link in cellulose, so we cannot digest it (unfortunately!), but we can break the link in starch and glycogen

Các loại polysaccharides Một polysaccharit bao gồm nhiều đoạn được nối với nhau.

Ba polysaccharit tự nhiên chính bao gồm toàn bộ các đoạn glucose, nhưng chúng khác nhau về cách các đoạn liên kết với nhau

• Cellulose là chất hữu cơ phong phú nhất trên trái đất Hơn 90% lượng cacbon trong

thực vật xuất hiện từ cellulose của thân cây và lá; gỗ chủ yếu là cellulose, và cotton chiếm hơn 90% cellulose Cellulose bao gồm những chuỗi glucose dài Độ cứng của gỗ là nhờ vào phần lớn vô số liên kết H giữa các chuỗi cellulose

• Tinh bột là một hỗn hợp các polysaccharit của glucose và đảm nhận vai trò như

phân tử lưu trữ trong các thực vật Nó xảy ra như một phân tử xoắn của hàng ngàn đoạn glucose trộn lẫn với một nhánh cao, phân tử bushlike của lên đến hàng triệu đoạn glucose

hiện ở gan và các tế bào cơ bắp lớn, hạt không hòa tan bao gồm các phân tử glycogen được làm từ 1000 đến hơn 500.000 đoạn glucose

Cacbon tham gia vào liên kết giữa các đoạn glucose trong những polysaccharide này khác với hình ảnh phản chiếu của nó Con người thiếu enzim để phá vỡ liên kết đặc biệt trong cellulose, vì vậy chúng ta không thể tiêu hóa nó, nhưng chúng ta có thể phá

vỡ liên kết trong tinh bột và glycogen

Amino Acids and Proteins

As you saw in Section 15.5, synthetic polyamides (such as nylon-66) are formed form two monomers, one with a carboxyl group at each end and the other with an amine group at each end Proteins, the polyamides of nature, are unbranched polymers formed form monomers called amino acids, each of which has both a carboxyl group and an amine group

Monomer Structure and Linkage An amino acid has both its carboxyl group and its

amine group attached to the ᾳ-carbon, the second C atom in the chain Proteins are made up of about 20 different types of amino acids, each with its own particular R group (gray-screened group in Figure 15.20)