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“不太化学”的诺贝尔化学奖 今年将花落谁家?

来源:化学工程师 【在线投稿】 栏目:综合新闻 时间:2021-10-15
作者:网站采编
关键词:
摘要:诺贝尔化学奖向来“慷慨大方”,常常把奖发给跟生物或者物理沾边的成果,各国化学家苦“秦”久矣,然而诺奖委员会仍然是“我行我素”。 不过,这种趋势倒是很好地说明了化学家

  诺贝尔化学奖向来“慷慨大方”,常常把奖发给跟生物或者物理沾边的成果,各国化学家苦“秦”久矣,然而诺奖委员会仍然是“我行我素”。

  不过,这种趋势倒是很好地说明了化学家们都是万金油,在各行各业都能发光发热。

  今年诺贝尔化学奖会花落谁家?

  我们今天就来大胆做一波预测,看看下面这些研究能否在今年斩获桂冠,虽然其中仍然有个别成果,算不上那么的“化学”。

  

  图片来源:

  老树发新芽”的可控自由基聚合

  “可控自由基聚合”是真正意义上的化学研究,它解决了一个困扰化学界上百年的问题:如何让狂放不羁的自由基聚合反应成为温顺的“小绵羊”?

  自由基,是化合物分子在光热等外界条件下,内部的共价键发生均裂,从而形成具有不成对电子的原子或者基团,它具有极高的反应活性。所谓自由基聚合,是指利用自由基实现有机物聚合的化学反应,同时也是生产高分子聚合物材料最为常见的形式。人类合成的所有高分子聚合物中,利用自由基聚合方式生产的产品超过三分之一。

  为什么自由基聚合最常见?

  道理很简单,自由基聚合起来特别容易,在水中就能够进行,反应成本低,并且产率还高。

  我们以最常见的自由基聚合单体——乙烯为例来对自由基聚合反应的原理进行简要的说明。

  乙烯的分子结构非常简单,两个碳原子间形成双键,再各自拖着两个氢原子。正常情况下乙烯比较稳定,不会自行分解,碳碳双键更是不会自行断开。不过,一旦有自由基出现在整个体系中,碳碳双键就可能受到自由基的“进攻”,从而发生断裂。

  当然,断裂的结果并不是双键同时断开,而是其中一条保留成碳碳单键,另一条则断开,最后在两个碳原子上各自形成一条半键。而这两个半键,正好又形成了新的自由基。

  新的自由基又会跑去进攻其它双键,最后的结果就是大家的双键统统断裂,然后以单键的形式连接起来,形成很长的链式分子。

  不过,自由基在体系内最初是不存在的,因此我们需要“制造”一点自由基,以便让它作为“引线”,引爆之后的聚合反应。

  

  乙烯分子、聚乙烯单体和带有支链的聚乙烯分子图片来源:作者自制

  生产聚乙烯时,常见的引物是碘单质。碘单质有个特点,因为它自身是双原子分子,单个原子半径又很大,因此两个原子中间的共价键连接不是非常紧密。好比是两个大胖子面对面手拉手,结果肚子太大,做不到非常“紧密”。

  光照下的碘单质特别容易分解出自由基,而乙烯并不挑肥拣瘦,不论自由基是来自碘还是来自其它乙烯分子,它统统能收入囊中。

  聚合反应随即启动,乙烯分子们的双键不停断裂,又不停地和其它断裂后的自由基相连,最后大家就聚合成了一个大分子。乙烯的聚合反应发生速度非常快,只要一秒钟的时间,就能让成千上万个分子聚合在一起。

  最后,开始作为引物的碘单质虽然也连接进了聚乙烯分子,但是毕竟只是起到催化剂作用,相比乙烯分子数量很少,不会影响产物纯度。

  

  自由基聚合的典型反应示例图片来源:参考文献2

  看到这里,你可能会觉得,聚合反应这么简单,过程酣畅淋漓,简直就是完美反应。

  然而,自由基聚合反应的缺点就在于它进行得实在太快,而且中间的细微过程完全不受控制。

  首先,各种聚合物到最后并非形成一个大分子,而是很多个链状分子形成的网络。每个链中,包含的平均单体分子数目叫做平均聚合度。普通的聚合反应中,各链之间,聚合度变化很大,有些链特别长,有些链则没几个单体就断开了。

  其次,更让人挠头的是,由于瞬间产生的自由基太多,有些单体带着自由基瞎跑乱窜,结果可能会把本来连得好好的直链接的乱七八糟,纵横交错。

文章来源:《化学工程师》 网址: http://www.hxgcszz.cn/zonghexinwen/2021/1015/807.html



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