Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Химические структуры двух синтетических полиэлектролитов в качестве примеров. Слева - поли (стиролсульфонат натрия) (PSS), а справа - полиакриловая кислота (PAA). Оба являются отрицательно заряженными полиэлектролитами при диссоциации. PSS - это «сильный» полиэлектролит (полностью заряженный в растворе), тогда как PAA - «слабый» (частично заряженный).

Полиэлектролиты - это полимеры , повторяющиеся звенья которых несут группу электролита . Поликатионы и полианионы - полиэлектролиты. Эти группы диссоциируют в водных растворах (воде), в результате чего полимеры заряжаются . Таким образом, полиэлектролитные свойства аналогичны как электролитам ( солям ), так и полимерам ( высокомолекулярным соединениям), и их иногда называют полисолями . Как и соли, их растворы электропроводны. Как и полимеры, их растворы часто вязкие.. Заряженные молекулярные цепи, обычно присутствующие в системах мягкой материи, играют фундаментальную роль в определении структуры, стабильности и взаимодействий различных молекулярных ансамблей. Теоретические подходы [1] к описанию их статистических свойств сильно отличаются от подходов их электрически нейтральных аналогов, в то время как технологические и промышленные области используют их уникальные свойства. Многие биологические молекулы являются полиэлектролитами. Например, полипептиды , гликозаминогликаны и ДНК являются полиэлектролитами. Как природные, так и синтетические полиэлектролиты используются в различных отраслях промышленности.

Определение ИЮПАК
Полиэлектролит: полимер, состоящий из макромолекул, в которых значительная часть структурных единиц содержит ионные или ионизируемые группы, или и то, и другое. [2]

Заметки:

  1. Термины полиэлектролит, полимерный электролит и полимерный электролит не следует путать с термином твердый полимерный электролит.
  2. Полиэлектролиты могут быть синтетическими или натуральными. Нуклеиновые кислоты, белки, тейхоевые кислоты, некоторые полипептиды и некоторые полисахариды являются примерами природных полиэлектролитов.

Плата [ править ]

Кислоты классифицируются как слабые или сильные (и основания также могут быть как слабыми, так и сильными ). Точно так же полиэлектролиты можно разделить на «слабые» и «сильные» типы. «Сильный» полиэлектролит - это полиэлектролит, который полностью диссоциирует в растворе при наиболее разумных значениях pH . «Слабый» полиэлектролит, напротив, имеет константу диссоциации (pKa или pKb) в диапазоне от ~ 2 до ~ 10, что означает, что он будет частично диссоциировать при промежуточном pH. Таким образом, слабые полиэлектролиты не полностью заряжены в растворе, и, более того, их фракционный заряд может быть изменен путем изменения pH раствора, концентрации противоионов или ионной силы.

Эта степень заряда обычно сильно влияет на физические свойства растворов полиэлектролитов. Поскольку при диссоциации полиэлектролита высвобождаются противоионы, это обязательно влияет на ионную силу раствора и, следовательно, на длину Дебая . Это, в свою очередь, влияет на другие свойства, такие как электропроводность .

При смешивании растворов двух противоположно заряженных полимеров (т.е. раствора поликатиона и одного полианиона ) обычно образуется объемный комплекс ( осадок ). Это происходит потому, что противоположно заряженные полимеры притягиваются друг к другу и связываются вместе.

Соответствие [ править ]

На конформацию любого полимера влияет ряд факторов: особенно архитектура полимера и сродство к растворителю. В случае полиэлектролитов заряд также имеет значение. В то время как незаряженная линейная полимерная цепь обычно находится в растворе в случайной конформации (близко аппроксимирующей само избегание трехмерного случайного блуждания ), заряды на линейной цепи полиэлектролита будут отталкиваться друг от друга за счет сил двойного слоя , что заставляет цепь сжиматься принимают более расширенную, жестко-стержневую форму. Если раствор содержит большое количество добавленной соли, заряды будут экранированы, и, следовательно, полиэлектролитная цепь схлопнется до более традиционной конформации (по существу идентичной нейтральной цепи в хорошем растворителе ).

Конформация полимера, конечно, влияет на многие объемные свойства (такие как вязкость , мутность и т. Д.). Хотя статистическая конформация полиэлектролитов может быть определена с использованием вариантов традиционной теории полимеров, в целом, правильное моделирование полиэлектролитных цепей требует значительных вычислительных затрат из-за дальнодействующей природы электростатического взаимодействия. Такие методы, как статическое рассеяние света, могут быть использованы для изучения конформации полиэлектролита и конформационных изменений.

Полиамфолиты [ править ]

Полиэлектролиты, содержащие как катионные, так и анионные повторяющиеся группы, называются полиамфолитами . Конкуренция между кислотно-основным равновесием этих групп приводит к дополнительным сложностям в их физическом поведении. Эти полимеры обычно растворяются только при добавлении достаточного количества соли, которая экранирует взаимодействия между противоположно заряженными сегментами. В случае амфотерных макропористых гидрогелей действие концентрированного раствора соли не приводит к растворению полиамфолитного материала из-за ковалентного сшивания макромолекул. Синтетические трехмерные макропористые гидрогели демонстрируют превосходную способность адсорбировать ионы тяжелых металлов в широком диапазоне pH из чрезвычайно разбавленных водных растворов, которые впоследствии могут быть использованы в качестве адсорбента для очистки соленой воды [3] [4]Все белки являются полиамфолитами, так как некоторые аминокислоты имеют тенденцию быть кислыми, а другие - основными.

Определение ИЮПАК
Амфолитический полимер : полиэлектролит, состоящий из макромолекул, содержащих как катионные, так и анионные группы или соответствующую ионизируемую группу.

Примечание:

  • Амфолитический полимер, в котором ионные группы противоположного знака включены в одни и те же боковые группы, называют, в зависимости от структуры боковых групп, цвиттерионным полимером, внутренней полимерной солью или полибетаином.

Приложения [ править ]

Полиэлектролиты имеют множество применений, в основном связанных с изменением свойств текучести и стабильности водных растворов и гелей . Например, их можно использовать для дестабилизации коллоидной суспензии и для инициирования флокуляции (осаждения). Их также можно использовать для придания поверхностного заряда нейтральным частицам, позволяя им диспергироваться в водном растворе. Таким образом, они часто используются в качестве загустителей , эмульгаторов , кондиционеров , осветлителей и даже уменьшителей сопротивления текучести. Они используются при очистке воды и при добыче нефти . Много мыла, шампуни и косметика содержат полиэлектролиты. Кроме того, их добавляют во многие продукты и бетонные смеси ( суперпластификатор ). Некоторые из полиэлектролитов, которые появляются на этикетках пищевых продуктов, - это пектин , каррагинан , альгинаты и карбоксиметилцеллюлоза . Все, кроме последнего, имеют естественное происхождение. Наконец, они используются в различных материалах, включая цемент .

Поскольку некоторые из них растворимы в воде, они также исследуются для биохимических и медицинских применений. В настоящее время проводится много исследований по использованию биосовместимых полиэлектролитов для покрытий имплантатов , для контролируемого высвобождения лекарств и других приложений. Так, недавно был описан биосовместимый и биоразлагаемый макропористый материал, состоящий из полиэлектролитного комплекса, в котором материал продемонстрировал отличную пролиферацию клеток млекопитающих [5] и мышечных мягких исполнительных механизмов.

Многослойные [ править ]

Полиэлектролиты были использованы для создания новых типов материалов, известных как многослойные полиэлектролиты ( PEM s). Эти тонкие пленки построены с использованием слоя за слоем ( LBL ) метод осаждения. Во время осаждения LbL подходящий субстрат для выращивания (обычно заряженный) погружают туда и обратно между разбавленными ваннами с положительно и отрицательно заряженными растворами полиэлектролитов. Во время каждого погружения небольшое количество полиэлектролита адсорбируется, и поверхностный заряд меняет местами, обеспечивая постепенное и контролируемое накопление электростатически сшитых материалов.пленки из поликатионно-полианионных слоев. Ученые продемонстрировали контроль толщины таких пленок вплоть до нанометрового масштаба. Пленки LbL также могут быть созданы путем замены заряженных частиц, таких как наночастицы или пластинки глины [6], вместо или в дополнение к одному из полиэлектролитов. Осаждение LbL также было выполнено с использованием водородных связей вместо электростатики . Для получения дополнительной информации о создании многослойных материалов см. Адсорбция полиэлектролита .

Формирование 20 слоев многослойного полиэлектролита PSS-PAH, измеренное с помощью многопараметрического поверхностного плазмонного резонанса

На фигуре видно образование LbL PEM (PSS-PAH (поли (аллиламин) гидрохлорид)) на золотой подложке. Формация измеряется с использованием многопараметрического поверхностного плазмонного резонанса для определения кинетики адсорбции, толщины слоя и оптической плотности. [7]

Основными преимуществами покрытий из ПЭМ являются возможность нанесения соответствующего покрытия на объекты (то есть технология не ограничивается покрытием плоских объектов), экологические преимущества использования процессов на водной основе, разумные затраты и использование определенных химических свойств пленку для дальнейшей модификации, такой как синтез металлических или полупроводниковых наночастиц или фазовые переходы пористости для создания антибликовых покрытий , оптических заслонок и супергидрофобных покрытий.

Соединение [ править ]

Если полиэлектролитные цепи добавить к системе заряженных макроионов (то есть к массиву молекул ДНК), может возникнуть интересное явление, называемое полиэлектролитным мостиком . [8] Термин «мостиковые взаимодействия» обычно применяется к ситуации, когда одна полиэлектролитная цепь может адсорбироваться на двух (или более) противоположно заряженных макроионах (например, молекуле ДНК), таким образом устанавливая молекулярные мостики и, через свою связность, опосредовать притягивающие взаимодействия между ними.

При небольшом разделении макроионов цепь оказывается зажатой между макроионами, и электростатические эффекты в системе полностью определяются стерическими эффектами - система эффективно разряжается. По мере увеличения разделения макроионов мы одновременно растягиваем адсорбированную на них полиэлектролитную цепь. Растяжение цепи вызывает вышеупомянутые взаимодействия притяжения из-за эластичности резины цепи .

Из-за связности поведение полиэлектролитной цепи почти не похоже на случай ограниченных несвязанных ионов.

Поликислота [ править ]

В терминологии полимеров поликислота - это полиэлектролит, состоящий из макромолекул, содержащих кислотные группы в значительной части структурных единиц . Чаще всего кислотными группами являются –COOH, –SO 3 H или –PO 3 H 2 .[9]

См. Также [ править ]

  • Ионообменная смола
  • Соли полипиридиния

Ссылки [ править ]

  1. ^ де Женн, Пьер-Жиль (1979). Масштабные концепции в физике полимеров . Издательство Корнельского университета. ISBN 0-8014-1203-X.
  2. ^ Hess, M .; Джонс, Р.Г.; Kahovec, J .; Chinaama, T .; Kratochvíl, P .; Кубиса, П .; Морманн, В .; Степто, RFT; Табак, Д .; Vohlídal, J .; Уилкс, ES (1 января 2006 г.). «Терминология полимеров, содержащих ионизируемые или ионные группы, и полимеров, содержащих ионы (Рекомендации IUPAC 2006 г.)». Чистая и прикладная химия . 78 (11): 2067–2074. DOI : 10,1351 / pac200678112067 . S2CID 98243251 . 
  3. ^ Кудайбергенов, С. (2012). «Новые макропористые амфотерные гели: получение и характеристика» . Экспресс-полимерные письма . 6 (5): 346–353. DOI : 10.3144 / expresspolymlett.2012.38 .
  4. ^ Татыханова, Г.С.; Садакбаева ЗК; Berillo, D .; Галаев, И .; Абдуллин К.А.; Адилов, З .; Кудайбергенов, С.Е. (2012). «Металлические комплексы амфотерных криогелей на основе аллиламина и метакриловой кислоты». Макромолекулярные симпозиумы . 317–318: 18–27. DOI : 10.1002 / masy.201100065 .
  5. ^ Берилло, Д .; Elowsson, L .; Кирсебом, Х. (2012). «Окисленный декстран в качестве сшивающего агента для каркасов криогеля хитозана и образования полиэлектролитных комплексов между хитозаном и желатином». Макромолекулярная бионаука . 12 (8): 1090–9. DOI : 10.1002 / mabi.201200023 . PMID 22674878 . 
  6. ^ Ли, Гу Су; Ли, Юн-Джо; Юн, Кён Бён (2001). «Послойная сборка кристаллов цеолита на стекле с использованием полиэлектролитов в качестве ионных красок». Журнал Американского химического общества . 123 (40): 9769–79. DOI : 10.1021 / ja010517q . PMID 11583538 . 
  7. ^ Гранквист, Нико; Лян, Хуамин; Лаурила, Тери; Садовски, Януш; Yliperttula, Marjo; Виитала, Тапани (2013). «Характеристика ультратонких и толстых органических слоев с помощью трехволнового поверхностного плазмонного резонанса и волноводного анализа». Ленгмюра . 29 (27): 8561–71. DOI : 10.1021 / la401084w . PMID 23758623 . 
  8. ^ Подгорник, Р .; Личер, М. (2006). «Мостиковые полиэлектролитные взаимодействия между заряженными макромолекулами». Текущее мнение в науке о коллоидах и интерфейсах . 11 (5): 273. DOI : 10.1016 / j.cocis.2006.08.001 .
  9. ^ Hess, M .; Джонс, Р.Г.; Kahovec, J .; Chinaama, T .; Kratochvíl, P .; Кубиса, П .; Морманн, В .; Степто, RFT; и другие. (2006). «Терминология полимеров, содержащих ионизируемые или ионные группы, и полимеров, содержащих ионы (Рекомендации IUPAC 2006 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 78 (11): 2067. DOI : 10,1351 / pac200678112067 . S2CID 98243251 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Институт исследования полимеров Макса Планка, Майнц, Германия
  • Полиэлектролиты: Институт физической и теоретической химии, Регенсбургский университет, Регенсбург, Германия