כימיה אורגנית ופולימרים

1

כימיה אורגנית ופולימרים

פולימרים–' חלק א

1הרצאה

2

?מהי כימיה אורגנית

כימיה של תרכובות הפחמן.

ובנוסף הן , תרכובות אורגניות מכילות תמיד פחמןחנקן , חמצן, יכולות להכיל יסודות אחרים כמו מימן

.כמו כן הן יכולות להכיל הלוגנים. וגפרית

3

?מהי כימיה אורגנית

כימיה של תרכובות הפחמן. תרכובות אורגניות מכילות תמיד

ובנוסף הן יכולות להכיל , פחמן, חמצן, יסודות אחרים כמו מימן

כמו כן הן יכולות . חנקן וגפרית.להכיל הלוגנים

4

המקורות של תרכובות אורגניות

(מהחי והצומח)מהטבע •מסינתזה כימית•

20–כיום קיימות כ .מליון תרכובות אורגניות

5

דוגמאות לתרכובות אורגניות טבעיות

פחמימנים

חלבונים

DNA

שומנים

סוכרים

ויטמינים

מורפיום

פניציליןV

6

דוגמאות לתרכובות אורגניות סינתטיות

פוליאתילן

ניילון

פרספקס

אספירין

פאראצטמול

TNT

פריאון

טטרזין

7

ייחודו של אטום הפחמן

הפחמן יוצר קשריC-C ו- C-H חזקים ויציבים.

תוך מילוי כלל , קשרים קוולנטיים 4אטום הפחמן יוצר.האוקטט

ולכן הוא יוצר בקלות קשרים , אטום הפחמן הינו אטום קטן(.בניגוד לאטום הצורן)כפולים ומשולשים

והוא יוצר , 2.5ערך האלקטרושליליות של אטום הפחמן הוא, חנקן, חמצן)קשרים הן עם יסודות אלקטרושליליים יותר

והן עם יסודות בעלי אלקטרושליליות נמוכה יותר , (הלוגנים(.מימן)

8

ייחודו של אטום הפחמן

ל מסבירות את המספר והמגוון הרב של תרכובות "התכונות הנ.שיוצר הפחמן

".כלובים"טבעות ו, הפחמן יוצר שרשרות ישרות ומסועפות

9

דוגמאות לתרכובות שיוצר הפחמן עם עצמו

גרפיט כל אטום פחמן קשור לשלושה

. אטומי פחמן בלבדנוצרים משטחים של משושים שווי

כשאטום פחמן נמצא בכל , צלעות. קודקוד של משושה

האלקטרון הרביעי של הרמה השניה של כל אטום פחמן נמצא בים של

. אלקטרונים חופשיים בין המשטחים

הגרפיט נחשבת חומר רך משום שהקשרים בין השכבות הם חלשים

.יחסית

יהלום וגרפיט: צורות אלוטרופיות שתילפחמן

10

יהלום

כל אטום פחמן מוקף בארבעה אטומי .פחמן שכנים בצורת טטרהדרון

אטום פחמן אחד ממוקם במרכז ואטום פחמן נוסף בכל אחד

הקשרים הכימיים בין . מהקודקודיםאטום זה לבין ארבעת שכניו שווים

באורכם ובחוזקם והזווית בין מתקבל מבנה . 109°הקשרים היא כ

.מרחבי תלת מימדי

.היהלום הוא החומר החזק ביותר

דוגמאות לתרכובות שיוצר הפחמן עם עצמו

11

דוגמאות לתרכובות של פחמן

:מולקולות בעלות קשר יחיד

CH4מתאן

:גיאומטרית אטום הפחמן

טטראהדר

109.50: זווית הקשר

12

דוגמאות לתרכובות של פחמן

:מולקולות בעלות קשר כפול

C2H4אתילן

:גיאומטרית אטום הפחמן

משולש מישורי

1200: זווית הקשר

13

דוגמאות לתרכובות של פחמן

:מולקולות בעלות קשר משולש

C2H2אצטילן

:גיאומטרית אטום הפחמן

קווית

1800: זווית הקשר

14

דוגמאות לתרכובות של פחמן

:מולקולות טבעתיות

ציקלופרופאןC3H6

ציקלוהקסאןC6H12

15

דוגמאות לתרכובות של פחמן

":כלוב"מולקולות

קובאןC8H8

מולקולת –פולרןהכדורגל

16

סיווג תרכובות אורגניות

לפי , התרכובות האורגניות מחולקות למספר קבוצות.המבנה הכימי שלהן

החומרים המשתייכים לכל קבוצה מורכבים משני:חלקים

שהוא שרשרת ישרה או מסועפת של , שלד המולקולה"רדיקל"הנקרא , פחמנים והמימנים הקשורים אליהם

.Rוהמסומן באות

שהיא אטום או קבוצת אטומים , קבוצה פונקציונלית. הקשורה לשלד המולקולה

17

סיווג תרכובות אורגניות

שלד המולקולהR הוא בעל פעילות כימית נמוכה ,ומשפיע במידה מועטה על התכונות הכימיות

.והפיזיקליות של המולקולה

את , למעשה, הקבוצה הפונקציונלית היא הקובעת.התכונות הכימיות והפיזיקליות של התרכובת

18

פחמימנים

.תרכובות המכילות אטומי פחמן ומימן בלבד

:משפחות פחממנים עיקריות

אלקאנים (Alkanes) :CnH2n+2 - פחמימנים רוויים(.פחמימנים עם קשרים בודדים בלבד)

אלקנים(Alkenes) :CnH2n - פחמימנים עם קשר כפול.

אלקינים(Alkynes) :CnH2n-2 פחמימנים עם קשר משולש.

ציקלואלקנים(cycloalkanes) :CnH2n פחמימנים.טבעתיים

19

קבוצות פונקציונליות עיקריות

קשר כפול

אלקנים :שם משפחת התרכובות(Alkenes)

קשר משולש

אלקינים :שם משפחת התרכובות(Alkynes)

C C

C C

20

קבוצות פונקציונליות עיקריות

הידרוכסילOH-

כהלים: שם משפחת התרכובות (Alcohols)

מבנה כללי :R-OH

(R =שרשרת של פחמנים))

-O-

אתרים: שם משפחת התרכובות (Ethers):

מבנה כללי :R-O-R’O

R R'

O

R H

21

קבוצות פונקציונליות עיקריות

הלידיםX- (X = F , Cl , Br , I)

אלקיל הלידים : שם משפחת התרכובותAlkyl halides

מבנה כללי :R-X

אמינים (Amines):

נגזרות של אמוניה , מכילים חנקןNH3. אמין ראשוני :R-NH2

אמין שניוני :R-NH-R’

אמין שלישוני:R N R'

R''

22

קבוצות פונקציונליות עיקריות

הקבוצה הקרבונילית-CO-

הקבוצה הקרבונילית מורכבת מאטום פחמן שאליו קשור בקשר.כפול אטום חמצן

קושרים-לאטום החמצן שני זוגות אלקטרונים לא.

הקבוצה הקרבונילית נמצאת במספר משפחות של תרכובות .אורגניות

C O

23

קבוצות פונקציונליות עיקריות

אלדהידים (Aldehydes) -CHO:

מבנה כלליRCHO

קטונים (Ketones) –CO-:

מבנה כללי

C

O

HR

C

O

R'R

24

קבוצות פונקציונליות עיקריות

חומצות קרבוקסיליות (Carboxylic acids) -COOH:

מבנה כללי

אסטרים (Esters) –COO-:

מבנה כללי

C

O

OHR

C

O

OR'R

25

קבוצות פונקציונליות עיקריות

אמידים (Amides) –CONH-:

מבנה כללי

R C NH

O

R'

כימיה אורגנית ופולימרים

2הרצאה

פחמימנים

.תרכובות המכילות אטומי פחמן ומימן בלבד

:משפחות פחממנים עיקריות

אלקאנים (Alkanes) :CnH2n+2 - פחמימנים רוויים(.פחמימנים עם קשרים בודדים בלבד)

אלקנים(Alkenes) :CnH2n - פחמימנים עם קשר כפול.

אלקינים(Alkynes) :CnH2n-2 פחמימנים עם קשר משולש.

ציקלואלקנים(cycloalkanes) :CnH2n פחמימנים.טבעתיים

Molecular models

Alkanesאלקאנים

פחמימנים רוויים.

נוסחה כללית:CnH2n+2

סיומת : לפי אורך השרשרת: מינוחane

הראשון במשפחת האלקאנים:

Methane - CH4

מתאן

פראונים ,דו כלורו פלואורו מתאן

דו כלורו דו פלואורו מתאן

קירורייצור פולימרים

מוקצפים

מתאנול

כלורופורם( מרדים, ממס )

ממס)טטרה כלורומתאן )

מימן

פלואורו אתן-טטרה

טפלון

אמוניה אוריאה

פוליאורטאן(חומר פלסטי)

דשן

CH4 תרכובות שניתן להכין ממתאן

Alkanesאלקאנים

פחמימנים רוויים.

נוסחה כללית:CnH2n+2

סיומת : לפי אורך השרשרת: מינוחane

Methane - CH4

Ethane - CH3CH3

– C1)בני המשפחה)אלקאנים C10

Methane - CH4

Ethane - CH3CH3

Propane - CH3CH2CH3

Butane - CH3CH2CH2CH3

Pentane - CH3CH2CH2CH2CH3

Hexane - CH3CH2CH2CH2CH2CH3

Heptane - CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3

Octane - CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3

Nonane - CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3

Decane - CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3

אלקאנים

C4H10 מולקולת הבוטאן

CH3CH2CH2CH3

? C4H10–האם אפשר לכתוב נוסחת מבנה נוספת ל

Isobutane n-butane

(normal)

.אלה איזומרים של מבנה

CH3 C

H

CH3

CH3

CH3 CH

2CH

2CH

3

איזומרית מבנה

מספר תרכובות בעלות אותה : איזומרים של מבנה אך בעלות מבנה , נוסחה מולקולרית ומסה מולקולרית

.שונה ולפיכך תכונות שונותC4H10 האיזומרים של בוטאן :לדוגמא

Isobutane n-butane

(normal)

CH3 C

H

CH3

CH3

CH3 CH

2CH

2CH

3

האיזומר המסועף( הנורמלי)האיזומר הלינארי

איזומרית מבנה

נוסחהמספר איזומרים

1CH4

1C2H6

1C3H8

2C4H10

3C5H12

5C6H14

9C7H16

75C10H22

C20H42

איזומרית מבנה

נוסחהמספר איזומרים

1CH4

1C2H6

1C3H8

2C4H10

3C5H12

5C6H14

9C7H16

75C10H22

366,319C20H42

איזומרית מבנה

תרגיל:

C5H12לצייר את כל האיזומרים המתאימים לנוסחה 1.

C6H14לצייר את כל האיזומרים המתאימים לנוסחה 2.

אלקאניםCnH2n+2שנוסחתם הכימית היא , פחממנים רוויים

2.1: מימן 2.5: פחמן: אלקטרושליליות

. הם קוולנטיים C-Hוקשרי C-Cקשרי

.אלקאנים הם תרכובות בעלות פולריות נמוכה

מכיוון שמולקולות האלקאנים האינטראקציות , הן אפולריות

הבינמולקולריות הן בעיקרן ..וולס-דר-אינטראקציות ון

d(g/ml)mp (°C)bp (°C)MW

0.466-182.5-161.716CH4

0.601-138.5-0.558C4H10

0.684-90.698.4100C7H16

1.00010018H2O

תכונות פיזיקליות של אלקאנים

תכונות פיזיקליות של אלקאנים

CnH2n+2אלקאנים

n=1 עדn=4 - גזים בתנאים סטנדרטיים.

n=5 עדn=18 - נוזלים בתנאים סטנדרטיים

n>18 - מוצקים בתנאים סטנדרטיים

נקודת רתיחה של האלקאנים

-200

-100

0

100

200

300

400

0 100 200 300

מסה מולרית

) סיולז

צ

( ה ח

תיר

' פמ

ט

שם האלקאן

נוסחה מולקולרית

נקודת רתיחה

CH4מתאן162-

C2H6אתאן42-

C4H10בוטאן0.5-

C5H12פנטאן36

C6H14הקסאן69

C7H16הפטאן98

תכונות פיזיקליות של אלקאנים

תכונות פיזיקליות של אלקאנים

:עבור אלקאנים לינאריים

גדלים הכוחות , ככל שמספר הפחמנים גדל. הבינמולקולריים

:כתוצאה מכך

עולה נקודת הרתיחה.

עולה נקודת ההיתוך.

השפעת המבנה על תכונות פיסיקליות

d

(g/ml)

mp

(°C)

bp

(°C)

האיזומר של בוטאן

C4H10

0.601-138.3-0.5

0.557-159.4-11.7

השפעת המבנה על תכונות פיסיקליות

ולכן , ההסתעפות מגדילה את המרחק הבינמולקולרי.מקטינה את יכולת השרשרות להתקרב זו לזו

כתוצאה מכך קטנים הכוחות הבינמולקולריים בהשוואה :לכן. לאיזומר הליניארי

יורדת נקודת הרתיחה.

יורדת נקודת ההיתוך.

השפעת המבנה על תכונות פיסיקליות

d

(g/ml)

mp

(°C)

bp

(°C)

פנטאןאיזומר של

C5H12

0.626-129.836.1

0.620-159.927.9

0.590-16.89.4

השפעת המבנה על תכונות פיסיקליות

מתאפשרת , בתרכובות שלהן מבנה מסועף סימטריצפופה יותר של המולקולות בהשוואה לאיזומר " אריזה"

. הליניארי

, מכיוון שצורת האריזה משפיעה בעיקר על המבנה המוצק.נקודת ההיתוך של תרכובות כאלה גבוהה יותר

טמפרטורות הרתיחה של האיזומרים של הקסאן

IUPACנומנקלטורה לפי ( מינוח)

International Union of Pure and Applied Chemistry

שם התרכובת נקבע לפי השרשרת הארוכה ביותר.

השרשרות הצדדיות נחשבות למתמירים על השרשרת. הראשית

את הפחמנים בשרשרת הארוכה ממספרים מאחד.מקצותיה

את המתמירים ממספרים לפי מרחקם מקצה השרשרת .כיוון המספור הוא כזה שמספרי המתמירים יהיו קטנים

.ככל האפשר

CH3

CH3

CH2

CH3

CH2

CH2

CH3

CH2

CH2

CH2

Methyl

Ethyl

Propyl

Butyl

Isopropyl

Isobutyl

(1-Methylethyl)

(2-Methylpropyl)

sec-Butyl

(1-Methylpropyl)

tert-Butyl

(1,1-Dimethylethyl)

CH3

CH

CH3

CH3

CH CH2

CH3

CH3

CH2

CH

CH3

CH3

C

CH3

CH3

קבוצות אלקיליות

IUPACמינוח לפי

. פרופאן -פחמנים בשרשרת הראשית 3

.מתיל - CH3: המתמיר

methylpropane-2 מתילפרופאן-2: שם

CH3CHCH3

CH3

?מהו שם הפחמימן

.נמצא את השרשרת הארוכה ביותר. 1

ים לשרשרת הראשית/ים הקשור/נזהה את המתמיר. 2

. נמספר את המתמירים לפי מיקומם על השרשרת הראשית. 3

2המתמיר קשור לפחמן מספר

1 2 3

IUPACנומנקלטורה לפי ( מינוח)

אם ישנם מספר מתמירים שונים על השרשרת הארוכה ,.מקובל לסדר אותם בסדר אלפבתי

2

3

1

46

578

אוקטאן: פחמנים בשרשרת הארוכה ביותר 8

4-ethyl-3-methyloctane

IUPACמינוח לפי

?מהו שם הפחמימן

אתיל ומתיל: המתמירים

.במקרה זה מימין לשמאל, לפי המסומן: מספור

CH3CH2CH2CH2CH(CH2CH3)CH(CH3)CH2CH3

IUPACנומנקלטורה לפי ( מינוח)

כשיש שני מתמירים זהים על אותו פחמן נותנים מספר.לכל אחד מהם

אם אותו מתמיר מופיע יותר מפעם אחת לאורך, -טרי, -מציינים זאת על ידי הוספת די, השרשרת

כדי להראות כמה פעמים , לפני שם המתמיר' וכו, -טטרא.הוא מופיע

2,3-dimethylpentane

IUPACמינוח לפי

?מהו שם הפחמימנים

CH3CH2CH2C(CH3)2CH(CH3)CH2CH3

3,4,4-trimethylheptane

.מתמיר מסועף מחובר לשרשרת הראשית

1

2

4

4-tert-butyloctane

או

4-(1,1-dimethylethyl)octane

IUPACמינוח לפי

אלקאנים המותמרים בהלוגנים

הקסאכלורופרופאן-3,3,3,1,1,1

1,1,1,3,3,3-hexachloropropane

BrH2C

12

3

4

5

6

7

8

1

2

5-(2-bromoethyl)-2-methyloctane

מתילאוקטאן-2-(ברומואתיל-2)-5

Cl3C-CH2-CCl3

כימיה אורגנית ופולימרים

3הרצאה

הפקת אלקאנים

.הנפט :המקור העיקרי לאלקאנים

:תהליכי העיבוד של הנפט הגולמי בבתי הזיקוק

(.ואקום)זיקוק למקוטעין בלחץ אטמוספרי ובלחץ מופחת

פיצוח תרמי של פחמימנים כבדים לקלים יותר.

פיצוח ופירום קטליטיים של פחמימנים לינאריים וכבדיםשאיכותם כחומרי דלק , לפחממנים מסועפים וארומטיים

. וכן לאלקנים קלים, טובה יותר

ארומטיים

נפט גולמי

ז י ק ו ק

אלקאנים

(Paraffines)

ציקלואלקאנים

((Naphtenes

ארומטיים

(Aromatics)

אלקנים איזואלקאניםציקלואלקאנים

:מקטעי נפט שמכילים

זיקוקזיקוק מנתי וזיקוק רציף

(מ"גפ)גז נפט

בנזין

נפטא

ןפראפי, קרוסין

סולר

מזוט,שמני סיכה

זפת

1 - 4

5 - 11

7 - 13

10 - 16

15 - 25

20 - 70

70מעל

30 -קטן מ

30 - 120

100 - 200

150 - 250

250 - 350

350 - 500

500מעל

הפחמנים מספר Tb (oC)שם המקטע

לפי נקודות רתיחה–זיקוק הנפט הגלמי

תגובות של אלקאנים

.מאופיינים בפעילות כימית נמוכה( פאראפינים)האלקאנים

.לכימיקלים שונים" אפיניות נמוכה: "בלטינית" פאראפינים"

:תגובות האלקאנים

פיצוח

(שריפה)חימצון

הלוגנציה

Crackingפיצוח

תהליך הפיצוח נקרא גם פירוליזה.

בתהליך הפיצוח שוברים שרשרות ארוכות של אלקאנים.לשרשרות קצרות יותר

תוצרי הפיצוח הם אלקנים ואלקאנים קצרים יותר.

:שיטות פיצוח

פיצוח תרמי .

פיצוח קטליטי.

פיצוח תרמי

ללא , 9000C–תהליך הפיצוח מתרחש בטמפרטורה של כ .נוכחות חמצן

:לדוגמא

CH )3 CH2)10CH3 CH3(CH2)8CH3 + CH2=CH2

, כמו זפת, בתהליך זה הופכים פחמימנים כבדים.לפחמימנים קלים בעלי חשיבות תעשייתית רבה

:תוצרי הפיצוח

.בעיקר אתילן ופרופילן

פיצוח ופירום קטליטיים

-סיליקה( קטליזטור)תהליך הפיצוח מתרחש מעל זרז .C5500–ל 4500Cבטמפרטורות שבין , אלומינה

:לדוגמא

CH )3 CH2)12CH3 CH3(CH2)4CH=CH2 + C7H16

:לתוצרי הפיצוח

יכולים לשמש כדלקים–נקודות רתיחה נמוכות יותר.

"גבוה יותר בהשוואה לאלקאנים נורמליים" מספר אוקטן ,.בשל מבנה מסועף

התהליך משמש גם לייצור פחמימנים ארומטיים.

יצירת פחממנים ארומטיים בתהליך הפירום הקטליטי

מנגנון הפיצוח של אלקאנים

:ישנן שתי אפשרויות לשבירת קשר כימי

כל אחד משני אטומי הקשר נשאר עם –שבירה הומוליטית(:רדיקל חפשי)אלקטרון אחד בלתי מזווג

שני אלקטרוני הקשר עוברים לאטום –שבירה הטרוליטית :בעוד שהאטום השני הופך לקטיון, שהופך לאניון, אחד

X-Y X• + Y•

X-Y X+ + Y:-

מנגנון רדיקלי–פיצוח של אלקאנים

:אפשרויות ליצירת רדיקלים בשבירה הומוליטית

שבירת הקשרC-C

שבירת הקשרH-C (עקירת מימן)

C-Cשבירת הקשר

CH3CH2CH2CH3

D2 CH3CH2

•

CH3CH2CH2• + CH3

•CH3CH2CH2CH3

D

:דוגמא.במולקולת הבוטאן C-Cשבירת קשר

1אפשרות

2אפשרות

CH3CH2CH2CH3

DCH3CH2

• + CH3CH2CH2• + CH3

•

CH3CH2CH2CH2CH2CH3

CH3CH2CH2CH2CH3

CH3CH2CH3

CH3CH3

I II III

II +II

I +II

I +III

III +III

:תוצרים אפשריים מהתחברות רדיקלים

R• + CH3CH2CH2CH3 RH + CH3CH2CH2CH2 •

CH3CH2CHCH3

•

(עקירת מימן) -C Hשבירת הקשר

.וכן הלאה, רדיקל קיים יוצר רדיקל חדש–זוהי תגובת שרשרת

:דוגמא.במולקולת הבוטאן H-Cשבירת קשר

•Rעקירת המימן נעשית על ידי רדיקל חפשי

R• + CH3CH2CH2CH3 RH +

1אפשרות

2אפשרות

.הרדיקלים יכולים להתחבר וליצור תרכובות שונות

R• + CH3CH2CH2• RH + CH3CHCH2

••[ ]

CH3CH=CH2

תגובת הפיצוח מייצרת תערובת תוצרים מסובכת .ושימושית בעיקר בתעשיית הנפט

ישנה אפשרות לעקירת מימן נוסף מפחמן סמוך (.תרכובת בלתי רוויה)והיווצרות קשר כפול

אלקאנים ( שריפת)חימצון

.תגובה עם חמצן - (Combustion)שריפה

ונפלט , חמצני ומים-בשריפה של אלקאנים נוצרים פחמן דו(.תהליך אכזותרמי)חום רב

:דוגמא

.תהליך השריפה המלאה של בוטאן

2C4H10 (g) + 13O2 (g) 8CO2 (g) + 10H2O (g)

ΔH = -2879kJ/mol

אלקאנים( שריפת)חימצון

מתרחשת , אם שיעור החמצן נמוך מהדרוש לשריפה מושלמת.שריפה חלקית

(.פיח)פחמן חד חמצני או פחמן בלבד : תוצרי השריפה החלקית

:דוגמא

.מלאה של מתאן-שריפה לא

2CH4 (g) + 3O2 (g) 2CO (g) + 4H2O (g)

CH4 (g) + O2 (g) C (s) + 2H2O (g)

שריפה של מתאן

כימיה אורגנית ופולימרים

4הרצאה

תגובות של אלקאנים

פיצוח

(שריפה)חימצון

הלוגנציה

הלוגנציה

Substitution Reactionתגובת התמרה

תגובה המתרחשת כאשר שני מגיבים מחליפים בינהם:חלקים מהמולקולה ליצירת שני תוצרים חדשים

A-B + C-D A-C + B-D

הלוגנציה

.שבה מימנים מוחלפים בהלוגנים, תגובת התמרה–הלוגנציה

:לדוגמא

C

HH H

H

Methane

+ Cl-ClLight

H

ClH

C

H

+ H-Cl

Chloromethane

הלוגנציה

CnH2n+2 + X2 CnH2n+1X + HX X=Cl, Br, Ihn

H3C-CH3 + Cl2 H3C-CH2Cl + HClhn

.התגובה חייבת אור כדי להתרחש( 1)

.פוטון אחד מספיק לכמה אלפי תגובות( 2)

. מתקבלת תערובת תוצרים, כתלות בתנאים( 3)

:לדוגמה

CH4 CH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4

Cl2

hn

הלוגנציה

:מנגנון התגובה

אנרגית האור גורמת לשבירה הומוליטית של –רדיקלי.ההלוגן לרדיקלים חפשיים

הרדיקלים הנוצרים ממשיכים את –תגובת שרשרת.התגובה

שלבי התגובה: (הפעלה)איניציאציה

(גידול, המשך)פרופגציה

(סיום)טרמינציה

מנגנון תגובת ההלוגנציה

איניציאציה (הפעלה)

X2 2 Xhn

פרופגציה

(המשך)

CnH2n+2 + X HX + CnH2n+1

CnH2n+1 + X2 CnH2n+1X + X

(סיום)טרמינציה

:שני מנגנונים אפשריים

התחברות רדיקלים. 1

R• + R• R-R

R• + RH + R-CH=CH-RR-CH2-CH-R•

.עקירת מימן מפחמן הסמוך לפחמן הרדיקלי–דיספרופורציונציה . 2

:מתקבלים שני סוגי תוצרים(.מכילה קשר כפול)רוויה -מולקולה רוויה ומולקולה בלתי

הכוונה בתגובת הלוגנציה

יכולים להתקבל מספר תוצרים, בתגובת הלוגנציה של אלקאנים.

כלורינציה של בוטאן: דוגמא.

מהו היחס הסטטיסטי בין התוצרים?

בין התוצרים נקבע לפי מספר ( התאורטי)היחס הסטטיסטי.אטומי המימן מכל סוג במולקולה

60%

40%

CH3CH2CH2CH3 Cl2 Light

CH3CH2CH2CH2 Cl

and

CH3CHCH2CH3

Cl

היחס הסטטיסטי

הכוונה בתגובת הלוגנציה

היחסים הכמותיים נקבעים גם לפי יציבות הרדיקלים ,למעשה.הנוצרים במהלך התגובה

התוצר המותמר יותר יתקבל באחוז הגבוה יותר.

45%

55%

CH3CH2CH2CH3 Cl2 Light

CH3CH2CH2CH2 Cl

and

CH3CHCH2CH3

Cl

היחס בפועל

רדיקל מתילי רדיקל ראשונירדיקל שניוני רדיקל שלישוני

30 20 10

H3C• < H3C-CH2-CH2• < H3C-CH-CH3 < (H3C)3C••

יציבות רדיקלים

סדר יציבות הרדיקלים

,יותר הוא נוצר בקלות רבה, ככל שהרדיקל יציב יותר.ובקצב מהיר יותר

פעילות ההלוגנים בתגובת הלוגנציה

:סדר פעילות ההלוגנים בתגובת ההלוגנציה הוא

Cl2 > Br2

.הרדיקל של הכלור פעיל יותר מהרדיקל של הברום

I2 (הרדיקל אינו מספיק פעיל)אינו מגיב בתגובת הלוגנציה.

(.הרדיקל פעיל מדי)מגיב תוך פיצוץ F2

.הסלקטיביות נמוכה יותר, ככל שהפעילות גבוהה יותר

כלורינציה לעומת ברומינציה

CH3CHCH3

Cl

and

ClCH3CH2CH2Light

Cl2CH3CH2CH3 40%

60%

CH3CH2CH3 Light

CH3CH2CH2 Br

and

CH3CHCH3

Br

Br2 3%

97%

היחס בפועל

:דוגמאיחס התוצרים

בכלורינציה ובברומינציה

.של פרופאן

?מהם היחסים הסטטיסטיים

כלורינציה לעומת ברומינציה

=>

תרגיל

:לרשום את תוצרי המונוכלורינציה של החומרים הבאים( א( 1פנטאן2- (איזובוטאן)מתילפרופאן2,4-דימתילפנטאן 2,2,3-טרימתילבוטאן

?מהם היחסים הסטטיסטיים בין התוצרים(ב ?ומי באחוז הנמוך ביותר, מי צפוי להתקבל באחוז הגבוה ביותר( ג

.לרשום את כל תוצרי הדיברומינציה של פרופאן(2

CnH2nציקלואלקאנים

cyclopropane

cyclobutane

cyclopentanecyclohexane

cycloheptane cyclooctane

יקלואלקאניםצ

ציקלופרופאן

60°

ציקלואלקאנים

ציקלובוטאן

90°

ציקלואלקאנים

ציקלופנטאן

108°

ציקלואלקאנים

ציקלוהקסאן

הזוית

:הטטראהדרלית

109°

2 4 6 8 10 12 14 16 18

0

5

10

15

20

25

30

Str

ain

en

erg

y (

kcal m

ol-1

)

n

3 4

5

6

7

9

1216

אנרגית המתח כתלות בגודל הטבעת

14

נומנקלטורה של ציקלואלקאנים

שמות הציקלואלקנים מורכבים משם האלקאן הנורמליאליו מוסיפים את , בעל אותו מספר אטומי פחמן

.(cyclo)" ציקלו"הקידומת

מתחילים את מספור , אם יש מתמירים על הטבעתכך שיתקבל המספור הנמוך , הפחמנים מאחד מהם

.ביותר האפשרי

דוגמא

CH3

CH3

1,3-Dimethylcyclohexane

תגובות של ציקלואלקאנים

:ציקלואלקנים מגיבים באופן דומה לאלקאנים

פיצוח

(שריפה)חימצון

הלוגנציה

ישנן טבעות שנפתחות בקלות ליצירת שרשרת של , בנוסף.פחמנים

: לדוגמא

.ציקלופרופאן נפתח בקלות לפרופאן

כימיה אורגנית ופולימרים

5הרצאה

רוויים-פחממנים בלתי

מספר זוגות המימנים החסרים –הריוויון -דרגת אי.בתרכובת ביחס לפחמימן הרווי

:או משולשים/פחממנים שבהם קיימים קשרים כפולים ו

(1ריוויון -דרגת אי)מכילים קשר כפול –אלקנים

(2ריוויון -דרגת אי)מכילים קשר משולש–אלקינים

Alkenesאלקנים אלקניםCnH2n

מכילים קשר כפול אחד

(σקשר )הקשר הכפול מורכב מקשר אחד חזק יותר (.πקשר )וקשר אחד חלש יותר

נקראים גם אולפינים(Olefines)–יוצרי שמן.

C C

Alkenesאלקנים

C2H4 ethene (ethylene)

C3H6 propene (propylene)

C4H8 butene (butylene)

C5H10 pentene

C6H12 hexene

מינוח

שמות האלקנים מורכבים לפי אותה שיטה כמו זו של.eneעם הסיומת , האלקאנים

הכוללת את הקשר , השם מבוסס על השרשרת הארוכה ביותר.הכפול

מספור הפחמנים מתחיל בקצה הקרוב יותר לקשר הכפול.

מציינים את מספר האטום הראשון הקשור בקשר הכפול.

CH2=CH2 אתן

CH3CH=CH2 פרופן

C

H

H

C

H

H

C

CH3

HC

H

H

?מהו המבנה של בוטן

בוטן

CH2=CHCH2CH3 1-butene

CH3CH=CHCH3 2-butene

אלקנים

איזומריה של מבנה באלקנים

:עבור אלקנים בעלי אותה נוסחה מולקולרית

תרכובות בעלות מבנה שונה של שרשרת.

אולם הקשר , תרכובות בעלות מבנה שרשרת דומה.הכפול ממוקם בעמדות שונות לאורך השרשרת

: תרגיל

?C4H8–כמה איזומרים המכילים קשר כפול יש ל

?C5H10–כמה איזומרים המכילים קשר כפול יש ל

? butene-2מהו המבנה של

C

CH3

H

C

CH3

H

cis-2-butene

C

HC

CH3

HCH3

trans-2-butene

m.p. -1050C

b.p. 10C

m.p. -1390C

b.p. 3.70C

איזומריה גיאומטרית באלקנים

איזומרים גיאומטריים שונים זה מזה בסידור המרחבי של .הקבוצות ביחס לקשר הכפול

שתי הקבוצות הגדולות פונות לאותו כיוון–ציס איזומר.

שתי הקבוצות הגדולות פונות לכיוונים –טרנס איזומר.מנוגדים

, אפשרי בתנאים רגילים אינוהמעבר מהאיזומר האחד לשני .מאחר ולא קיים סיבוב חפשי סביב הקשר הכפול

heptene-3: 1דוגמא

CH3CH2CH=CHCH2CH2CH3

C C

H CH2CH2CH3

HCH3CH2

C C

H H

CH2CH2CH3CH3CH2

trans-3-heptene cis-3-heptene

ethyl-3-heptene-4: 2דוגמא

C C

CH3CH2 CH2CH3

H CH2CH2CH3

CH2CH2CH3

H CH2CH3

CH3CH2

C C

trans-4-ethyl-3-heptene cis-4-ethyl-3-heptene

CH3CH2CH=CCH2CH2CH3

CH2CH3

ethyl-3-hexene-3: 3דוגמא

C C

CH3CH2

CH2CH3H

CH2CH3

.3שתי קבוצות זהות על פחמן – איזומר אחד בלבד

CH3CH2CH=CCH2CH3

CH2CH3

איזומריה גיאומטרית מתקיימת כאשר יש שתי קבוצות .שונות על כל אחד מהפחמנים הקשורים בקשר הכפול

:לדוגמא

RCH=CHR

RCH=CHR’

RR’C=CRR’’

תכונות פיזיקליות של אלקניםדומות באופן כללי לאלה של אלקאנים.

מסיסות נמוכה מאד במים.

צפיפות נמוכה משל מים.

נקודות הרתיחה וההיתוך עולות עם העליה במספר.אטומי הפחמן במולקולה

גזים בטמפרטורת החדר–פחמנים 4עד.

נוזלים בטמפרטורת החדר–פחמנים 18ועד 5 -מ.

מוצקים בטמפרטורת החדר–פחמנים ומעלה 19 -מ.

באופן כללי סיעוף מוריד את נקודות ההיתוך והרתיחה.

תגובות של אלקנים

(addition)תגובת סיפוח : התגובה העיקרית

CC + X-Y C C

X Y

, החלש יותר בקשר הכפול, π–בתגובה זו נפתח קשר ה .עם שני אטומים נוספים σונוצרים שני קשרי

סיפוח הלוגנים

Br2 או ברום Cl2סיפוח כלור

C C

Cl Cl

+ Cl-ClC C

דוגמא

2,3-dichlorobutane2-butene

CH CH

Cl Cl

CH3CHCH3CH3CH + Cl2 CH3

רוויות -סיפוח ברום לחומצות שומן בלתיבבשר

סיפוח מימן

(hydrogenation)תגובת הידרוגנציה

(.קטליזטור)מתרחשת בנוכחות זרז

.ניקל, פלטינה, פלדיום: החומרים המשמשים כזרזים בתגובה

.אלקאנים רווייים: תוצרי התגובה

CC C C

H H

H-H+

השלבים בסיפוח קטליטי של מימן לקשר הכפול

מולקולת המימן נספחת לפני 1..השטח של המתכת

הקשר בין שני אטומי המימן 2..נפתח

מולקולת האלקן מתקרבת 3.לאטומי המימן הספוחים

.למתכת

, באלקן נפתח π–קשר ה 4.בין σונוצרים שני קשרי

אטומי הפחמן ואטומי .המימן

דוגמא

CH2=CHCH2CH2CH3 + H2 CH3CH2CH2CH2CH3

Pt

n-Pentane1-Pentene

רווי-הידרוגנציה של שומן בלתי

השמן מכיל חומצות שומן

. בלתי רוויות

.RT–נוזלי ב

המרגרינה מתקבלת

בהידרוגנציה חלקית של

חומצות השומן

. הבלתי רוויות

.RT–מוצקה ב

( HCl–ו HBr) HXסיפוח חומצה

C C C C

H Br

+ H-Br

אלקיל הליד: תוצר התגובה

לאלקן HCl–ו HBr מנגנון תגובת הסיפוח של

לאלקן HCl–ו HBr מנגנון תגובת הסיפוח של

:שלבי התגובה

לאחד מאטומי הפחמן הקשורים בקשר +Hסיפוח של 1.נוצר יון חיובי הנקרא . π –תוך פתיחת קשר ה , הכפול

.(carbocation) קרבוקטיון

נקשר לפחמן הנושא את ( ברומיד או כלוריד)יון ההליד 2..המטען החיובי

סדר יציבות קרבוקטיונים

(1869)כלל מרקובניקוב

:כאשר המתמירים על הקשר הכפול אינם זהים

אטום המימן יסתפח בעדיפות לאטום הפחמן שאליו קשור. המספר הגדול יותר של אטומי מימן

אטום ההלוגן יסתפח לאטום הפחמן השני.

י את מבנה הקרבוקטיונים /רשום: תרגיל.שיכולים להיווצר בתגובה הבאה

?מדוע התוצר הרשום ייתקבל בעדיפות בתגובה זו

י מדוע התוצר הרשום ייתקבל /הסבר: תרגיל.בעדיפות בתגובה הבאה

סיפוח מים

.סיפוח המים מתרחש בנוכחות חומצה הפועלת כזרז

כהל: תוצר התגובה

.הסיפוח מתרחש לפי כלל מרקובניקוב

C C

H OH

H2OH+

C C +

דוגמא

CH2=CHCH2CH2CH3 + H2O

CH3CHCH2CH2CH3 + CH2CH2CH2CH2CH3

H+

2-Pentanol

1-Pentene

OH OH

1-Pentanol

?איזה מהתוצרים ייתקבל בעדיפות

Alkynesאלקינים

הנוסחה הכללית :CnH2n-2

מכילים קשר משולש.

(σקשר )הקשר המשולש מורכב מקשר אחד חזק יותר

(.πקשרי )ושני קשרים חלשים יותר

1.21Å: אורך הקשר המשולש

1.34Å: אורך הקשר הכפול

1.54Å: אורך הקשר היחיד

C C

רוויים-פחממנים לא

אלקינים

C2H2 ethyne (acetylene)

C3H4 propyne (methylacetylene)

C4H6 butyne

C5H8 pentyne

C6H10 hexyne

מינוח

שמות האלקינים מורכבים לפי אותה שיטה כמו זו של.yneעם הסיומת , האלקנים

הכוללת את , השם מבוסס על השרשרת הארוכה ביותר.הקשר המשולש

מספור הפחמנים מתחיל בקצה הקרוב יותר לקשר.המשולש

מציינים את מספר האטום הראשון הקשור בקשר.המשולש

propyne (methylacetylene)

1-butyne (ethylacetylene)

2-butyne (dimethylacetylene)

HCH C

CH3CH C

H C C CH2CH3

C C CH3CH3

.באלקינים לא קיימת איזומריה גיאומטרית

ethyne (acetylene)

תגובות של אלקינים

(addition)תגובת סיפוח : התגובה העיקרית

בשלב ראשון נפתח אחד הקשרים ומתקבל אלקן .transבמצב

.מתקבל אלקאן, אם מתרחש שלב נוסף של סיפוח

C C + X-Y C

X

C

Y

דוגמא

:סיפוח ברום לאתין

C

Br

H

C

H

HCH C

Br

Br2 +

ethyne

trans-1,2-dibromoethene

Br

C

H

C

Br

H

+ Br2 HC C

Br

BrBr

H

Br

1,1,2,2-tetrabromoethane

כימיה אורגנית ופולימרים

6הרצאה

Alcoholsכהלים

R-OH: נוסחה כללית

אך בכהלים מימן אחד ,HOHמבנה הכהלים דומה למים .Rמוחלף בקבוצת אלקיל

HO -: הקבוצה הפונקצליונלית של הכהלים

.(hydroxyl)קבוצה זו נקראת הידרוכסיל

O

R H

דוגמאות לכהלים

methanolמתאנול

CH3OH

ethanolאתאנול

CH3CH2OH

.קיימים איזומרים, פחמנים ויותר 3בכהלים המכילים

propanol CH3CH2CH2OH-1פרופאנול -1

propanolCH3CHCH3-2פרופאנול -2

OH

קבוצת ה –כהל ראשוני–OH קשורה לפחמן ראשוני.

קבוצת ה –כהל שניוני–OH קשורה לפחמן שניוני.

קבוצת ה –כהל שלישוני–OH קשורה לפחמן שלישוני.

מינוח

אול"הסיומת "(ol) מציינת נוכחות של קבוצת.הידרוכסיל

מיקום הקבוצה מצויין לפי מספר הפחמן אליו היא.קשורה

דוגמאות נוספות לכהלים

(.מכילים יותר מקבוצת הידרוכסיל אחת)כהלים -סוכרים הם רבגלוקוז:

משמש כ)אתילן גליקול–:(antifreeze HOCH2CH2OH

תכונות פיזיקליות של כהלים

ובעיקר , נקודות ההתוךשל כהלים , הרתיחה

גבוהות במידה ניכרת מאלה של פחמימנים בעלי

. מסה מולרית דומה

.m.pהתרכובת

(0C)

b.p.

(0C)

183.5-164-מתאן

9865-מתאנול

183-88.6-אתאן

11778.5-אתאנול

תכונות פיזיקליות של כהלים

מסיסות התרכובתבמים

נמוכה מאדמתאן

בלתי מתאנולמוגבלת

נמוכה מאדאתאן

בלתי אתאנולמוגבלת

המסיסות במים של כהלים

היא בלתי ( n=3עד )נמוכים

.מוגבלת

עם העליה במסה המולרית ,

, השרשרת הפחמנית גדלה

.ולכן המסיסות במים יורדת

תכונות פיזיקליות של כהלים

.b.pנוסחהתרכובת

(0C)

מסיסות במים

g/100g (200C)

methanolCH3OH65∞

ethanolCH3CH2OH78.5∞

1-propanolCH3(CH2)2OH97∞

1-butanolCH3(CH2)3OH117.77.9

1-pentanolCH3(CH2)4OH137.92.7

1-hexanolCH3(CH2)5OH155.80.59

:הסיבה.קשרי מימן הנוצרים בין מולקולות הכהל

קשרי מימן הם סוג שלמשיכה אלקטרוסטטית בין אטום מימן ובין אטום בעל

כמו , אלקטרושליליות גבוהה.חנקן או פלואור, חמצן

קשרים אלה הם החזקיםמבין הקשרים

.הבינמולקולריים

קשרי מימן במים

קשרי המימן

נוצרים בין אטום

המימן לאטום

החמצן של

מולקולת מים

סמוכה

קשרי המימן בכהלים

קשרי המימן נוצרים ביןהמימן ההידרוכסילי של

מולקולה אחת לחמצן ההידרוכסילי של

.מולקולה שניה

CH3OHמתאנול

מתאנול מיוצר במיליוני טונות לשנה בעולם.

למתאנול שימוש נרחב בתעשיה הכימית:

כממס חשוב

כחומר מוצא לייצור חומרים אחרים

כתוסף לדלק

המתאנול הוא חומר רעיל מאד שבכמויות קטנות.עלול לגרום לעיוורון ולמוות

יוצר המתאנול על ידי פירוק תרמי של עץ , בעבר.וזיקוק התוצרים המתקבלים

ייצור מתאנול

מתאנול מיוצר בתגובה בין .חמצני ומימן-פחמן חד

CO + 2H2 CH3OH

:תנאי התגובה

300-4000C: טמפרטורה

atm 200: לחץ

ZnOאו Cr2O3: זרזים

CH3CH2OHאתאנול

הכהל הנמצא במשקאות האלכוהוליים.

אתאנול נוצר בתסיסה של הסוכר הנמצא בפירות וירקות.

C6H12O6 2 CH3CH2OH + 2 CO2

התסיסה מתרחשת באמצעות אנזימים הנמצאים בשמרים.

כתוצאה מהתסיסה מתקבלת תמיסה מימית המכילה עד.אתאנול 15%

לפי ) 95%בזיקוק התמיסה ניתן לקבל אתאנול בריכוז של(.נפח

ייצור אתאנול

אתאנול מיוצר בתגובה בין אתילן למים, בתעשייה

CH2=CH2 + H2O CH3CH2OH

:תנאי התגובה

3000: טמפרטורהC

68: לחץ atm

חומצה זרחתית : זרזH3PO4

הכנת כהלים

(.הידראטציה)סיפוח מים לאלקנים

התמרה של אלקיל הלידים.

חיזור של אלדהידים או קטונים.

(הידראטציה)סיפוח מים לאלקנים

, תוך פתיחת הקשר הכפול, סיפוח מולקולת מים לאלקן.בקטליזה של חומצה

.הסיפוח לפי כלל מרקובניקוב

התמרה של אלקיל הלידים

, החלפה של ההלוגן באלקיל הלידים בקבוצת ההידרוכסיל :בנוכחות בסיס

CH3CH2CH2-Cl + NaOH CH3CH2CH2-OH + NaCl

תגובות של כהלים

ליצירת אלקן( דהידרטציה)הוצאת מולקולת מים.

CH3CH2OH CH2=CH2 + H2O

הפיכה לאלקיל הלידים.

CH3CH2OH + HCl CH3CH2Cl + H2O

יצירת אתרים.

חימצון לאלדהידים או קטונים.

H+

כימיה אורגנית ופולימרים

7הרצאה

Ethersאתרים

R-O-R: נוסחה כללית

אך באתרים שני , HOHמבנה האתרים דומה למים .Rאטומי המימן מוחלפים בקבוצות אלקיל

.הקבוצות יכולות להיות זהות או שונות אחת מהשניה

.האתרים הם תרכובות בעלות קטביות בינונית

O

R R'

דוגמאות לאתרים

דימתיל אתרCH3-O-CH3

דיאתיל אתרCH3CH2-O-CH2CH3

מתיל אתיל אתרCH3-O-CH2CH3

האתרים הם חומרים נדיפים המשמשים לעתים קרובות .כממסים בתגובות אורגניות

תכונות פיזיקליות של אתרים

Mהתרכובת

(g/mol)

m.p.

(0C)

b.p.

(0C)

מסיסות במים

דימתיל אתר

גבוהה46-140-24

∞32-9865מתאנול

דיאתיל אתר

גבוהה74-11634.6

∞46-11778.5אתאנול

של אתרים נמוכות , ובעיקר הרתיחה, נקודות ההיתוך. מאלה של כהלים בעלי מסה מולרית דומה

:הסיבה

בכהלים נוצרים קשרי מימן.

לא נוצרים קשרי מימן, לעומת זאת, באתרים.

הכנת אתרים

:תגובה בין שתי מולקולות כהל

2 CH3CH2OH CH3CH2-O-CH2CH3 + H2O

, כזרז H2SO4התגובה מתרחשת בנוכחות חומצה גפרתית .0C140–ובחימום ל

אלדהידים וקטונים

אלדהידים וקטונים

:הנוסחה הכללית של הקטונים

:הנוסחה הכללית של אלדהידים

הקבוצה הפונקציונלית של האלדהידים והקטונים

.קבוצה זו נקראת קבוצה קרבונילית

O

R

H

C

C O

הקבוצה הקרבונילית

הקבוצה הקרבונילית מורכבת מאטום פחמן שאליו קשור.בקשר כפול אטום חמצן

קושרים-לאטום החמצן שני זוגות אלקטרונים לא.

הקשר , מכיוון שהחמצן אלקטרושלילי יותר מהפחמן:הקרבונילי הינו קטבי

דוגמאות לאלדהידים

HCOH( פורמאלדהיד)מתאנאל

CH3CHO( אצטאלדהיד)אתאנאל

דוגמאות לקטונים

CH3COCH3 (אצטון)פרופאנון

CH3CH2COCH3( אתיל מתיל קטון)בוטאנון

CH3CH2 C

O

CH3

.האלדהידים והקטונים הם תרכובות בעלות קטביות בינונית

אך מסוגלים , הם אינם יוצרים קשרי מימן בינם לבין עצמם.ליצור קשרי מימן עם מים

תכונות פיזיקליות של אלדהידים וקטונים

הכנת אלדהידים וקטונים

.חיזור-בתגובות חמצוןחיזור הן תגובות שבהן עוברים אלקטרונים -תגובות חמצון

.מהחומר המחזר לחומר המחמצןתגובה שבה גדל מספר –הפחמן (Oxidation)חמצון

או קטן מספר אטומי /אטומי החמצן הקשורים לפחמן ו.המימן הקשורים אליו

תגובה שבה קטן מספר -הפחמן (Reduction)חיזור או גדל מספר אטומי /אטומי החמצן הקשורים לפחמן ו

.המימן הקשורים אליותגובות אלה מתרחשות בעזרת חומרים מיוחדים הנקראים

.ריאגנטי חמצון או חיזור

הכנת אלדהידים וקטונים

.ניתן להכין אלדהידים וקטונים בתגובת חמצון של כהלים

שיכול להמשיך ולהתחמצן , כהל ראשוני מתחמצן לאלדהידבקלות לחומצה הקרבוקסילית

כהל שניוני מתחמצן לקטון

כהל שלישוני אינו יכול להתחמצן

דוגמאות

(אצטאלדהיד)חמצון אתנול לאתאנאל

(אצטון)פרופאנון -2-פרופאנול ל-2חמצון

תגובות של אלדהידים וקטונים

חמצון לחומצה קרבוקסילית

תגובות של אלדהידים וקטונים

חיזור לכהלים

אלדהיד מתחזר לכהל ראשוני

קטון מתחזר לכהל שניוני

C

H

R

O RCH2OH

C OR'

R

RCHR'

OH

חומצות קרבוקסיליות

Carboxylic acids

נוסחה כללית:

הקבוצה הפונקציונלית:

.קבוצה זו נקראת קבוצה קרבוקסילית

CO2H-או COOH- -היא מוצגת כ , בצורת קיצור

R C OH

O

C

O

OH

הקבוצה הקרבוקסילית

הקבוצה הקרבוקסילית היא הקבוצה החומצית ביותר :מבין הקבוצות הפונקציונליות האורגניות

:היא חומצה חלשה בהשוואה לחומצות אנאורגניות כמו

HCl, H2SO4, HNO3

C

O

OHRC

O

O-

R

+ H+

דוגמאות לחומצות קרבוקסיליות

HCOOH (פורמית)חומצה מתאנואית

CH3COOH (אצטית)חומצה אתאנואית

CH3CH2COOH (פרופיונית)חומצה פרופאנואית

CH3(CH2)2COOH (בוטירית)חומצה בוטאנואית

CH3(CH2)3COOH (ואלרית)חומצה פנטאנואית

CH3(CH2)4COOH (קאפרואית)חומצה הקסאנואית

קשרי מימן בחומצות קרבוקסיליות

קשרי המימן הנוצרים בין מולקולות החומצות הקרבוקסיליות :חזקים יותר מאשר קשרי המימן הקיימים בכהלים

הקשרO-H מקוטב יותר

קשרי המימן נוצרים גם

עם החמצן הקרבונילי

מולקולות החומצה יוצרות דימרים

בתמיסה מימית נוצרים קשרי מימן עם המים

תכונות פיזיקליות של חומצות קרבוקסיליות בהשוואה לכהלים

נקודות ההתוך והרתיחהשל חומצות קרבוקסיליות

גבוהות יותר מאלה של כהלים בעלי אותו מספר

.פחמנים

.m.pהתרכובת

(0C)

b.p.

(0C)

חומצה מתאנואית

8.4101

9865-מתאנול

חומצה אתאנואית

16.6118

11778.5-אתאנול

תכונות פיזיקליות של חומצות קרבוקסיליות

.b.pנוסחהחומצה

(0C)

מסיסות במים

g/100g (200C)

∞HCOOH101מתאנואית

∞CH3COOH118אתאנואית

∞CH3CH2COOH141פרופאנואית

∞CH3(CH2)2COOH164בוטאנואית

CH3(CH2)3COOH1864.97פנטאנואית

CH3(CH2)4COOH2050.97הקסאנואית

המסיסות במים של חומצות קרבוקסיליות נמוכות

.היא בלתי מוגבלת( n=4עד )

השרשרת הפחמנית גדלה, עם העליה במסה המולרית ,.ולכן המסיסות במים יורדת

תגובות של חומצות קרבוקסיליות

תגובת חיזור לאלדהיד וכהל

תגובת סתירה עם בסיס ליצירת מלח ומים

C

O

OHR

[R]C

O

HR

[R]C

OHH

R H

C

O

OHR

+ C

O

O-

R

+ H2ONaOHNa

+

מלחים של חומצות קרבוקסיליות

המלחים של חומצות קרבוקסיליות בעלות שרשרות אלקיליות .ארוכות יכולות לשמש כסבון

:לדוגמא

CH3(CH2)16COOHהמלח הנתרני של חומצה סטארית

:פעולת הסבון מודגמת באנימציה הבאה

SC_SOAP.gif

תגובות של חומצות קרבוקסיליות

תגובות ליצירת נגזרות של חומצות קרבוקסיליות

תגובה עם כהל ליצירת אסטר

תגובה עם אמין ליצירת אמיד

תגובה ליצירת כלוריד חומצה

נגזרות של חומצות קרבוקסיליות

נוסחה כללית :

מתקבלות בתגובות של החומצה הקרבוקסילית עם.חומרים שונים

R C X

O

הנגזרת X

אסטר -OR

אמיד -NR’R’’

כלוריד חומצה -Cl

כימיה אורגנית ופולימרים

8הרצאה

נגזרות של חומצות קרבוקסיליות

נוסחה כללית :

מתקבלות בתגובות של החומצה הקרבוקסילית עם.חומרים שונים

R C X

O

הנגזרת X

אסטר -OR

אמיד -NR’R’’

כלוריד חומצה -Cl

אסטרים

:נוסחה כללית

:מתקבלים בתגובה של חומצות קרבוקסיליות עם כהלים

R C OR'

O

R C OR'

O

R C OH

O

+ R'OH + H2O

(.יצירת אסטר)אסטריפיקציה : התגובה נקראת

תגובת האסטריפיקציה

התגובה יוצאת לפועל בנוכחות חומצה חזקה כזרז:

היא יכולה להתרחש גם בכיוון –זוהי תגובה הפיכה. ההפוך

התגובה ההפוכה נקראת הידרוליזה.

יש להרחיק את המים , בכדי לקבל את האסטר.הנוצרים במהלך התגובה

H+

+ H2OR C OH

O

R C OR'

O

+ H-O-R'

דוגמא לתגובת אסטריפיקציה

+ H-O-CH3

CH3CH2CH2 C OCH3

O

CH3CH2CH2 C OH

O

+ H2O

H+

תגובה בין חומצה בוטאנואית למתנול

מתיל בוטיראט

תכונות האסטרים

ריחות

לחומצות קרבוקסיליות יש ריחות חריפים ולא נעימים.

.חומצת חומץ–חומצה אתאנואית : לדוגמא

יש ריחות נעימים, לעומת זאת, לאסטרים.

הריחות של רוב הפירות הם הודות לאסטרים הנמצאים.בהם

שאותם , אסטרים שונים משמשים כחומרי טעם וריח.מוסיפים למזון מעובד

דוגמאות לאסטרים

הריח הנוסחה שם האסטר

תפוח CH3(CH2)2-CO-O-CH3 מתיל בוטיראט

אננס CH3(CH2)2-CO-O-CH2CH3 אתיל בוטיראט

אפרסק CH3(CH2)2-CO-O-(CH2)4CH3 פנטיל בוטיראט

בננה CH3-CO-O-(CH2)4CH3 פנטיל אצטט

תפוז CH3-CO-O-(CH2)7CH3 אוקטיל אצטט

אמידים

נוסחה כללית:

נוצרים בתגובה בין חומצות קרבוקסיליות.אמיניםו

R C NR'R"

O

אמינים

נוסחה כללית:

האמינים מתנהגים כבסיסים בזכות זוג האלקטרונים.קושר שנמצא על החנקן-הלא

N

R''

R R'

N

R''

R R' + H+ R''R N

R''

H

הכנת אמינים

אמינים מתקבלים בתגובה בין אלקיל הלידים ואמוניה:

R-Cl + NH3 R-NH2 + HCl

:לדוגמא

CH3CH2CH2-Cl + NH3 CH3CH2CH2-NH2 + HCl

יצירת אמידים

R C NR'R"

O

R'H N

R''

R C

O

OH + + H2O

בין חומצה קרבוקסילית ואמין, אמידים נוצרים בתגובת אמידציה

. היא יכולה להתרחש גם בכיוון ההפוך–זוהי תגובה הפיכה .התגובה ההפוכה נקראת הידרוליזה

Δ

דוגמא לתגובת אמידציה

+ H-NH-CH3

CH3CH2CH2 C NHCH3

O

CH3CH2CH2 C OH

O

+ H2O

תגובה בין חומצה בוטאנואית למתיל אמין

N-בוטאנאמיד-מתיל

Δ

חומצות אמיניות

החומצות האמיניות הן אבני הבניין של החלבונים.

חומצות אמיניות טבעיות 22קיימות.

החומצות האמיניות הן תרכובות דיפונקציונליות.

מכילות:

חומצה קרבוקסילית

קבוצה אמינית

נוסחה כללית:

H2N-CHR-COOH

דוגמאות לחומצות אמיניות

גליציןglycine H2NCH2COOH

אלניןalanine

(פפטידי)החומצות האמיניות מתחברות בקשר אמידי

H2NCHCOOH

CH3

H2NCHCOOH

CH3

H2NCH2COOH + H2NCH2CNHCHCOOH

CH3

O

+ H2O

תרכובות ארומטיות

Aromaticityמושג הארומטיות

חומרים טבעיים בעלי ריח נעים :בעבר.

ללא קשר לריחם, חומרים בעלי מבנה מיוחד :כיום.

.החומרים הארומטיים מכילים טבעת בנזנית

Benzene בנזן

נוסחה מולקולרית :C6H6

מספר זוגות המימנים החסרים ביחס )ריוויון -דרגת אי(:לאלקאן הרווי

: מכיל

טבעת משושה

3 קשרים כפולים( קשריπ)

פחמן בבנזן הם בעלי אותו אורך-כל קשרי הפחמן.

אנגסטרום 1.39 בבנזן פחמן –אורך הקשר פחמן

אנגסטרום 1.54פחמן יחיד רגיל –אורך קשר פחמן

אנגסטרום 1.34פחמן כפול רגיל –אורך הקשר פחמן

4

מבנה הטבעת הבנזנית

מולקולת הבנזן היא סימטרית וכל ששת הפחמנים שווים בינהם.

1200הטבעת הבנזנית היא מישורית וכל זוויות הקשר הן בנות.

מבנה הבנזן הוא צרוף של שני מבנים:

מאחר ואלקטרוני ה–π מפוזרים באופן שווה על כלנהוג לצייר את הטבעת הארומטית , ששת הפחמנים

:כמשושה עם עגול באמצע

לכל אחד מאטומי הפחמן

.קשור אטום מימן אחד

H

H H

H

H

H

נגזרות של בנזן

מופיעה בסוגים רבים של (הארומטית)הטבעת הבנזנית:תרכובות אורגניות

CH3 OH NH2

Toluene טולואן Phenol פנול Aniline אנילין

NO2CH3

NO2

NO2 NO2

Nitrobenzene ניטרובנזן

טריניטרוטולואן-2,4,6

2,4,6-trinitrotoluene (TNT)

C

O OH

C

OCCH3

O

O OH

Benzoic acid חומצה אצטיל סליצילית חומצה בנזואית

Acetylsalicylic acid (Aspirin)

Biphenyl ביפניל Naphthalene נפתלן

πקשרי 6 πקשרי 5

תכונות של הטבעת הבנזנית

הטבעת הארומטית היא בעלת יציבות גבוהה במיוחד.

מגיבה בתגובות אינההיא , למרות שהיא בלתי רוויהושבהן נפתח הקשר , המאפיינות אלקנים, סיפוח.הכפול

המאפיינות אלקאנים, היא מגיבה בתגובות התמרה.

נשמר המבנה של הטבעת הארומטית, בתגובות אלה.

דוגמא לתגובת התמרה ארומטית

+ Br2

Br

+ HBr

החלפת מימן בברום–תגובת ברומינציה

תרגיל

:בתרכובות הארומטיות הבאות π–מהו מספר קשרי ה 1.

C10H8. ב C18H32. א: מהי דרגת אי הריוויון בתרכובות2.

?מהם סוגי אי הריוויון האפשריים

.ב.א

i) CH2=CH2 + Br2

ii) CH3CH2CH3 + Cl2

iii) + Cl2

iv) CH3CH2CH2OH + CH3COOH

v) + H2O

CH3

OCCH3

O

י את התוצרים ותנאי /ורשום, י את סוגי התגובות הבאות/הגדר3.:התגובה

vi) (CH3)2CHNH2 + CH3CH2CH2COOH

vii) + H2O

viii) CH3CH2OH + CH3CHCH3

ix) CH3CH2CH2OH

H2NCH2C

O

NHCHCOOH

CH3

OH

[O]

:הראה את שלבי הסינתזה של אספירין מכהל סליצילי4.

אספירין כהל סליצילי

C

OCCH3

O

O OHCH2OH

OH

:A-Eי את החומרים /זהה5.

C (C4H11N)

A (C4H8) B (C4H9Br)

D (C4H10O)

C + E CH3CH2C-NH-C-CH3 D + E CH3CH2C-O-C-CH3

NH3

OH-

Δ

HBr

איזומר אחד

בלבד

O

CH3

O

CH3

כימיה אורגנית ופולימרים

פולימרים -' חלק ב

9הרצאה

(Polymers)פולימרים

הרבה יחידות, מיוונית - פולימר.

יחידה אחת -מונומר.

פולימר הוא מולקולה בעלת שרשרת ארוכה המורכבתממספר גדול של יחידות חוזרות בעלות מבנה דומה או

.זהה

משי וכו, צלולוז, חלבונים: פולימרים טבעיים'

ניילון וכו, פוליאתילן, פוליסטירן: פולימרים סינתטיים'.

ישנם פולימרים טבעיים שניתן להכינם באופן סינתטי ,.כמו גומי טבעי הנקרא פוליאיזופרן בצורתו הסינתטית

חומרים פלסטיים

חומרים מסחריים שהפולימרים - חומרים פלסטיים. מהווים עבורם חומרי גלם

חומר פלסטי יכול להכיל שניים או יותר סוגים של.פולימרים

תוספים ומלאניםהחומר הפלסטי יכול להכיל , בנוסף ., את אלה מוסיפים לשיפור תכונות כמו נוחות עיבוד

יציבות תרמית או סביבתית וכן תכונות מכניות של .המוצר הסופי

פולימרים שניתן להכין מהם סיבים ארוכים -סיבים.המתאימים לתעשיית הטקסטיל

ניילון

פוליאסטר

שניתן למתוח אותם לאורכים פולימרים -אלסטומרים.הגדולים בהרבה מאורכם המקורי

גומי טבעי

גומי ניטרילי

גומי בוטילי

חומרים המורכבים ממטריצה –חומרים מרוכבים, פולימרית שלתוכה מוכנסים חומרים משריינים

.היוצרים ביחד מבנה בעל חוזק גבוה במיוחד

פוליאסטר המשוריין בסיבי זכוכית–פיברגלס.

רקע היסטורי

.19 -של המאה ה 30 -תחילת מדע הפולימרים בשנות ה

Charles Goodyear פתח את תהליך הוולקניזציה שהפך.את הגומי הטבעי לאלסטומר שניתן להשתמש בו לצמיגים

פותחה התגובה של צלולוז עם 19 -באמצע המאה השהוא הפולימר , חומצה חנקתית הנותנת צלולוז ניטראט

.celluloid -ה, התרמופלסטי הראשון שנוצר בידי האדם

1907 - הבקליט -פורמאלדהיד -הוכן השרף פנול.

1912 - נרל אלקטריק ה'פותח בג- glyptal , שהוא שרף.ששימש כציפוי מגן, רווי-פוליאסטר בלתי

1930 - חוקרים ב- Du-Pont פתחו והכינו מגוון שלהניילון , כולל הגומי הסינתטי, פולימרים חדשים

.והטפלון

1938 - ב- Dow הכינו מספר טונות של פוליסטירן.

1939 - ב- ICI (אנגליה ) הכינו לראשונה פוליאתילן בעל.צפיפות נמוכה

1950 - Ziegler ו- Natta תלוי -פיתחו באופן בלתישפתחו את הפתח להכנה של , משפחה של קטליזטורים

שהוא מחומרי הפלסטיק הנפוצים , פוליפרופילן מסחרי.ביותר

1960-1970 - פותחו פולימרים מבנייםhigh performance המסוגלים להתחרות במתכות מבחינת

.תכונות החוזק שלהם

כיום החומרים הפולימריים משמשים בכל תחומיכ הייצור "החיים והייצור שלהם תופס אחוז נכבד מסה

.התעשייתי

( המונומרים)מהו המקור העיקרי לחומרי הגלם?לתעשיית הפולימרים

התעשייה הפטרוכימית

בעבר הפיקו בעזרת פירוק פחם בטמפרטורות גבוהות:ללא אוויר את חומרי הגלם

מתנול ופנול, אצטילן.

כיום חומרים אלה מופקים מנפט גלמי ומגזים טבעיים ,.הן בזיקוק ישיר והן בתהליכי פיצוח

מופקים בתהליכים אלה גזים פחממניים בלתי , בנוסףוחומרים , רוויים המשמשים כמונומרים בסיסיים

.ארומטיים

מחומרים אלה ניתן להכין את רוב המונומרים האחרים.

דוגמאות למונומרים

דוגמאות למונומרים המבוססיםC:על אתילן

H

H

C

H

H

CH2 CHCl

vinyl chloride

CH2 CH

styrene

CH2 CH

OCCH3

O

vinyl acetate

דוגמאות למונומרים

דוגמאות למונומרים המבוססיםC:על פרופילן

H

H

C

H

CH3

CH2 CH

C N

acrylonitrile

CH2 C

COCH3

CH3

O

methyl methacrylate

H2C CH CH2Cl

O

epichlorohydrine

(repeating unit)היחידה החוזרת

החלק ממולקולת הפולימר שחוזר על -יחידה חוזרת. עצמו לאורך שרשרת הפולימר

מבנה היחידה החוזרת נגזר ממבנה המונומר .

מספר היחידות החוזרות בשרשרת הפולימרית מצוין על. nידי האינדקס

:דוגמא

(מונומר)סטירן (פולימר)פוליסטירן

יכול להיות nבפוליסטירן מסחרי הערך הממוצע של . או יותר 1000

CH2=CH CH2 CHn

סיווג פולימרים

:ניתן לסווג את הפולימרים השונים בצורות שונות

לפי המבנה הכימי של שלד הפולימר

לפי מבנה הפולימר

לפי תכונות פיזיקליות

סיווג לפי המבנה הכימי של שלד הפולימר

פולימרים שהשלד שלהם מכיל אטומי פחמן בלבד.

פולימרים שהשלד שלהם מכיל יותר מסוג אטום אחד.

פולימרים שהשלד שלהם מכיל אטומי .פחמן בלבד

פולימרים ויניליים

:נוסחה כללית

:דוגמאות

C

R1

R2

C

R3

R4

n

CH2 CH2n

Polyethylene

nCH2 CH

CH3

Polypropylene

CH2 CHn

Polystyrene

CH2 CH

Clnn

Poly(vinyl chloride)

(PVC)

CF2 CF2n

Polytetrafluoroethylene (Teflone)

C

CH3

COCH3

O

CH2 n

Poly(methyl methacrylate) (Perspex)

שלד הפולימר מכיל קשרים כפולים–פולימרים דיאנים.

:לדוגמא CH2 CH CH CH2

n

Polybutadiene

nCH2 C CH CH2

CH3

cis-Polyisoprene

(Natural Rubber)

פולימרים אלה הם בדרך כלל

.אלסטומרים

פולימרים שהשלד שלהם מכיל יותר מסוג אטום אחד

נקראים על שם הקבוצה

הפונקציונלית הכלולה בשלד

.הפולימר

:דוגמאות

הקבוצה הפונקציונליתסוג הפולימר

פוליאסטרים

פוליאמידים

פוליאתרים

פוליאורתנים

פוליקרבונטים

CO

O

CNH

O

O

C ONH

O

C OO

O

סווג לפי מבנה הפולימר

מסועף או מצולב, מבנה לינארי.

סינדיוטקטי או אטקטי, מבנה איזוטקטי

איזומרים ציס וטרנס

קופולימרים

.מסועף או מצולב, מבנה לינארי

מבנה לינארי linear

-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

מבנה מסועףbranched– לשרשרת הראשית קשורותשרשרות צדדיות קצרות

A-A-A

-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

A-A-A-A A-A-A

High and Low Density Polyethylene

השרשרות הארוכות מוחזקות ביחד באמצעות:

ואלס-קשרים בינמולקולריים מסוג וואן דר

משיכה בין דיפולים

קשרי מימן

יכולת התנועה של השרשרת יורדת ככל שהיא ארוכה. והחוזק והעמידות התרמית עולים, יותר

מבנה מצולבcrosslinked - הקשרים בין השרשרות הםאו רשת , היוצרים צילוב בין השרשרות, קוולנטייםקשרים

.3D networkמימדית -תלת

A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A- A-A-A-A-A-A-A-A-A-

A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A- A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

סווג לפי מבנה הפולימר

מסועף או מצולב, מבנה לינארי.

סינדיוטקטי או אטקטי, מבנה איזוטקטי

איזומרים ציס וטרנס

קופולימרים

(tacticity)טקטיות

ישנם פולימרים שבהם הסידור המרחבי של קבוצות . המתמירים לאורך השרשרת חשוב להגדרת תכונותיהם

.טקטיותסידור זה נקרא ישנן שלוש אפשרויות לסידור המרחבי של המתמירים

:לאורך השרשרת הפולימרית איזוטקטי(Isotactic)- כל קבוצות ה- R פונות לאותו

צד של המישור שנוצר על ידי השלד של השרשרת כשהיא .מתוחה

סינדיוטקטי(syndiotactic)- קבוצות ה- R פונות. לסרוגין פעם לצד אחד ופעם לצד השני של שלד השרשרת

אטקטי(atactic) - קבוצות ה- R פונות באופן אקראי.לצד זה או אחר של שלד השרשרת

:דוגמאות

פוליפרופילן מסחרי הוא פולימר איזוטקטי.

, פוליפרופילן בעל מבנה סינדיוטקטי או אטקטי הוא רך מדי.ואינו בר שימוש

פוליויניל כלורידPVC מכיל חלקים לאורך השרשרת PVC -אולם המבנה הכללי של ה, שהם סינדיוטקטיים

. המסחרי הוא אטקטי

איזומריה גאומטרית

כאשר ישנם קשרים בלתי רוויים לאורך השרשרת :הפולימרית יכולות להיות מספר צורות איזומריות

קשרים כפולים מופיעים לעתים קרובות בפולימרים.שהם אלסטומרים

Copolymersקופולימרים

פולימרים שהשרשרות שלהם מכילות שני -קופולימרים.סוגים של יחידות חוזרות

סוגי מונומריםקופולימרים נוצרים על ידי פלמור של שני.

סוגי מונומריםטרפולימרים נוצרים על ידי פלמור של שלושה.

מכינים אותם כאשר נדרשות תכונות חדשות ושונות מאלה של.הפולימרים של כל אחד מהם בנפרד

הקופולימרים החשובים ביותר מסחרית הם: בוטאדיאן -גומי סטירן(SBR),

פרופילן -גומי אתילן

אקרילוניטריל –סטירן(SAN)

סטירן -בוטדיאן -הטרפולימר אקרילוניטריל(ABS)

הרצף של יחידות המונומרים לאורך השרשרת יכול להיות :מהסוגים הבאים

אקראיRandom

A-A-B-A-B-B-B-A-A-B-A-B-A-

לסרוגיןAlternating

-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B

קופולימר בלוקblock copolymer

A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-B-B-B-B-

קופולימר Graft–"של פולימר אחד על גבי " הרכבה.פולימר אחר

B-B-B-B-B-B-B-B

A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

B-B-B-B-B-B-B-B

כימיה אורגנית ופולימרים

10הרצאה

סיווג פולימרים

:ניתן לסווג את הפולימרים השונים בצורות שונות

לפי המבנה הכימי של שלד הפולימר

לפי מבנה הפולימר

לפי תכונות פיזיקליות

סווג לפי תכונות פיזיקליות

פולימרים תרמופלסטיים(thermoplast)

. פולימרים שניתן להתיכם בחימום ולעצבם לצורה הרצויהפולימרים כאלה ניתן להתיך מחדש לאחר השמוש ולעצב

.למוצר חדש

בעלי מבנה לינארי או מסועף.

פוליויניל , פוליפרופילן, פוליאתילן, פוליסטירן : לדוגמאPVCכלוריד

סווג לפי תכונות פיזיקליות

פולימרים תרמוסטיים(thermoset)

פולימרים שאינם ניתנים להיתוך ואינם ניתנים להמסה על . ידי ממיסים

.אינם ניתנים לעיצוב בחום, לאחר שנוצרו, פולימרים אלה

בעלי מבנה מצולב.

פולימרים אלה מתאימים לשמש כחומרים מרוכבים ,.ציפויים ודבקים

(בקליט)פורמאלדהיד -שרף פנול, שרף אפוקסי: לדוגמא ,.רוויים מצולבים-פוליאסטרים בלתי

מצבי החומר

אחידות וסימטריות )מוצק במבנה מסודר - מוצק במבנה גבישי)של סידור המולקולות

מתקבל כאשר . מוצק במבנה לא מסודר - מוצק במבנה אמורפיההתמצקות מהירה או כאשר החלקיקים אינם סימטרים לכן

.זכוכית: דוגמא (. אינם ניתנים לאריזה מסודרת

חלקיקי המוצק אינם מסודרים . מוצק במצב אמורפי - מצב זגוגי.נוזל מוצק -. ”קפואים“אבל

החומר רך וגמיש. ”לא קפוא“מוצק במצב אמורפי - מצב אלסטי

נוזל בעל יכולת זרימה–(התך)מצב נוזלי.

גבישיות בפולימרים

היוצרים גבישים , בניגוד לחומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך, פולימרים אינם יכולים להתגבש לחלוטין, במצב המוצק

.אלא להגיע למצב של גבישיות חלקית בלבד

:דרגת הגבישיות בפולימרים יכולה להיות בתחום

(amorphous glasses) 0%-מ

(highly crystalline) 90%-עד כ

גבישיות

גבישיות גבוהה

- (HDPE)פוליאתילן בעל צפיפות גבוהה : לדוגמא.'צינורות וכו, משמש למיכלים

.אמורפיפולימר שאינו גבישי כלל נקרא

משמש . פוליסטירן אטקטי הוא פולימר אמורפי:לדוגמא, חלקי פלסטיק בתוך מכוניות, למארזים של מכשירים

. 'וכו, כלי אוכל

וכוללים אזורים , פולימרים רבים הם בעלי גבישיות בינונית. גבישיים ואזורים אמורפיים

?איך משפיעה דרגת הגבישיות על תכונות הפולימר

לגבישיות הפולימר יש השפעה גדולה על תכונותיוהפולימר קשיח , ככל שהגבישיות גבוהה יותר. המכניות

, נקודת ההתוך שלו עולה, עם זאת. יותר ושביר יותר.והוא עמיד יותר לחום

?איך משפיע מבנה השרשרת הפולימרית על דרגת הגבישיות

הקשר בין מבנה הפולימר לגבישיות

ככל שישנן הפרעות משמעותיות יותר למבנה , ככלל.הוא יהיה פחות גבישי, הרגולרי של שרשרות הפולימר

הוא יכול להגיע לאחוז גבישיות , כאשר הפולימר לינארי.יחסית גבוה

פוליאתילן לינארי יכול להגיע לגבישיות של: לדוגמא

.HDPE))כתוצאה מכך הצפיפות שלו גבוהה . %95-80

כאשר הפולימר הלינארי הוא וינילי עם קבוצות צדדיותמידת הגבישיות שהוא יכול , (למשל כלוריד או פניל)

:להגיע אליה תלויה בסדר הקבוצות

הפולימר לא יתגבש כלל ויצור מבנה אמורפי -פולימר אטקטי.

פולימר איזוטקטי או סינדיוטקטי ייצור מבנה בעל גבישיות.גבוהה גם אם הקבוצה הצדדית היא נפחית

כאשר הפולימר הוא מסועף מידת הגבישיות שלו קטנה ,. בשל הפרעה סטרית של השרשרות הצדדיות

המכיל שרשרות צדדיות , פוליאתילן מסועף: לדוגמאהוא גבישי במידה חלקית , קצרות של אתיל או בוטיל

(.semicrystalline 50-70%)בלבד

. (LDPE)צפיפותו נמוכה יותר

והם , פולימרים מצולבים אינם יכולים להתגבש כלל.אמורפיים

קופולימרים הם בדרך כלל פחות גבישיים.מההומופולימרים המקבילים להם

אלסטומרים הם פולימרים בעלי יכולת מתיחה גבוהה .הם חוזרים למימדיהם ההתחלתיים כשהעומס מוסר

השרשרות שלהם . האלסטומרים אינם גבישיים. מהם. והן נמתחות כאשר מפעילים עומס, מפותלות

: לדוגמא

פוליאיזופרן מתכופפות באזור הקשר -השרשרות של ציסהכפול בשל נוכחות המתיל המפריע למימן הסמוך

. ביחידה החוזרת

והוא , פוליאיזופרן הוא פולימר גבישי-טרנס, לעומת זאת(.gutta-perchaנקרא )קשיח מאד ואינו אלסטומר

Tg ו - Tm

טמפרטורת מעבר זכוכיתיTg

)glass transition temperature)

הטמפרטורה המסמנת את המעבר של הפולימר ממצב של.מוצק אמורפי דמוי זכוכית למצב דמוי גומי

טמפרטורת היתוךTm melting point))

.הופך הפולימר למצב של התך הטמפרטורה שבה

זגוגימוצק

מוצק דמוי גומי

נוזל

Tm

Tg

החומר רך

יש אפשרות פיתול לשרשרות

באזורים האמורפים בלבד

.החומר קשה ושביר

הקונפורמציות קפואות

Tg

או פולימר אמורפיטמפרטורת מעבר שבה ומעליה יש לשרשרות אנרגיה תרמית מספיקה כדי להתגבר על לאזורים אמורפים

.הגורמים המגבילים את חופש הפיתול

Tm

טמפרטורת היתוך היא טמפרטורה שבה ומעליה יש לשרשרות אנרגיה תרמית לאזורים גבישייםאו פולימר גבישישל

. מספיקה כדי להתגבר על אנרגיית הסריג

. מעליה החומר במצב של נוזל

אנרגיה

טמפרטורה

Tg

Tm

-TmלTgהשוואה בין

Tm מתייחסת לפולימר גבישי או.לאזורים גבישיים

בTmפולימר , חל שינוי במצב צבירה.מוצק הופך לנוזל

Tmבחוזק הקשרים הבין . א: תלויהבשינוי באנטרופיית . ב. שרשרתים

.DSmההיתוך

במעבר ממוצק לנוזל נקלטת אנרגיה אך.הטמפרטורה נשארת קבועה

מעלTm בתכונות חדחל שינוי, הנפח הסגולי עולה: המקרוסקופיות

.הצפיפות יורדת, הקשיחות יורדת

Tg מתייחסת לפולימר אמורפי או.לאזורים אמורפים

בTgלא חל שינוי במצב צבירה ,.החומר הופך מזגוגי לרך ונמתח

Tg תלויה בחופש הפיתול של קטעי.בגורמים מגבילי פיתול, שרשרת

במעבר ממצב זגוגי למצב דמוי גומיעולה בצורה ’ נקלטת אנרגיה והטמפ

.אך חל שינוי בשיפוע העליה, רציפה

מעלTg חל שינוי בתכונות, הנפח הסגולי עולה: מקרוסקופיות

.הצפיפות יורדת, הקשיחות יורדת

Tg (0C)Tm (0C)הפולימר

פוליאתילן

-[CH2-CH2]n--80135

100225פוליסטירן CH2 CHn

Tg (0C)Tm (0C)הפולימר

Polycaprolactone -6061

Poly(ethylene terphthalate)69265

nylon 6,6 49265

Poly(vinyl alcohol) 85258

הקשר בין מבנה הפולימר לתכונותיו

:גורמים המשפיעים על התכונות הפיזיקליות של פולימרים

גמישות השרשרת הפולימרית

הגבישיות

קשרים בינמולקולריים

, התכונות הפיזיקליות של פולימרים מושפעות מגורמים רבים.והסידור שלהן, בעיקר המבנה הכימי של השרשרות

עולים ככל שיורדת הגמישות של Tmוגם Tgגם , ככלל .שרשרת הפולימר

:גמישות הפולימר יורדת

עם עליית מספר הטבעות הארומטיות בשלד הפולימר .

עם הכנסת מתמירים צדדיים נפחיים.

:גמישות הפולימר עולה

עם החלפת אטום פחמן באטום חמצן או גפרית בשלד. הפולימר

Tm -ו Tg השפעת מבנה השרשרת על

הם Tgמאחר ומעל Tmקשה להגדיר פולימרים אמורפיים עבור.מתרככים מהר ואין נקודת מעבר ברורה ממוצק לנוזל

70%

20%

בלבד Tmלפולימרים גבישיים יש

Tg ו- Tm מוגדרים

.בלבדTgפולימרים אמורפים ישל

.מידת הגבישיות תלויה ביכולת של השרשרות להסתדר באריזה צפופה

Tm -ו Tg השפעת הגבישיות על

קשרים בינמולקולריים

Tg ,Tm וחוזק הפולימר עולים עם עליית כמות וחוזקהקשרים הבינמולקולריים בפולימר הגורמים למשיכת

.השרשרות בחזקה זו אל זו

:עלייה בחוזק הקשרים הבינמולקולריים

ישנם פולימרים המכילים קבוצות פונקציונליותפוליאמידים או , למשל. שיוצרות קשרי מימן בניהן

ככל במספר קבוצות , בפולימרים אלה. פוליסוכריםכן עולה מספר קשרי , האמיד או ההידרוכסיל עולה

.המימן

6קשרי מימן בניילון

6,6קשרי מימן בניילון

מספר קשרי המימן בין כל שתי שרשרות תלוי במרחקובכיוון , שבין קבוצות האמיד בכל אחת מהשרשרות

.שלהן ביחס לשרשרת השניה

עולה נקודת ההיתוך עם העליה , בסדרה הומולוגית.במספר קבוצות האמיד

מסות מולקולריות

בתהליך פלמור נוצרות -התפלגות משקלים מולקולרייםחלקן קצרות , בדרך כלל שרשרות בעלי אורכים שונים

לכן דוגמת פולימרים אופיינית . וחלקן ארוכות מאד.מכילה התפלגות רחבה של משקלים מולקולריים

יש צורך להגדיר את מושג , בגלל ההתפלגות הרחבהכמאפיין של דוגמת פולימר , משקל מולקולרי ממוצע

.מסוימת

משקל מולקולרי מספרי ממוצעMn :

המשקל המולקולרי המספרי הממוצע נקבע לפי הסכום של של Niהמכפלות של מספר המולים של המולקולות

במשקלן Miהשרשרות שמשקלן המולקולרי :כ המולקולות"חלקי סהMi,המולקולרי

Mn = Ni Mi / Ni

משקל מולקולרי משקלי ממוצעMw

המשקל המולקולרי המשקלי הממוצע נקבע לפי הסכום של של Niהמכפלות של מספר המולים של המולקולות

בריבוע משקלן Miהשרשרות שמשקלן המולקולרי Niחלקי סכום המכפלות של המולקולות Miהמולקולרי

במשקלן Miשל השרשרות שמשקלן המולקולרי :Miהמולקולרי

Mw = Ni Mi 2 / Ni Mi

משקל מולקולרי ממוצעz Mz

Mz = Ni Mi 3 / Ni Mi2

מידת ההתפלגות של המסות המולקולריות Polydispersity index PDI

ניתנת על ידי היחס בין המשקל המולקולרי המשקלי :הממוצע למשקל המולקולרי המספרי הממוצע

PDI = Mw / Mn

.יכול לנוע בתחום רחב עבור פולימרים שונים PDIערך ה

גרף ההתפלגות של המסות המולריות בפולימר

כתלות בשבר המסה

DP דרגת פלמור

Degree of Polymerization

מספר ממוצע של מונומרים לשרשרת

כימיה אורגנית ופולימרים

11הרצאה

תהליכי פלמור

תהליך הפלמור הוא תהליך שבו מולקולות המונומרים .מצטרפות האחת לשניה ליצירת שרשרת ארוכה

?איזו מולקולה יכולה לשמש כמונומר

( ביפונקציונלית)קבוצות פונקציונליות 2מכילה לפחות.או קשר כפול

הקבוצות הפונקציונליות יכולות להגיב האחת עם.השניה

סווג פולימרים לפי מנגנון הפלמור

פלמור של גדול בשלבים

, פלמור שבמהלכו מגיבה בכל פעם מולקולת מונומר . ומצטרפת אל השרשרת הגדלה

פלמור של גדול בשרשרת

למשל רדיקל )פלמור המתרחש לאחר יצירת גוף פעיל .המגיב עם המונומרים בתגובת שרשרת( חפשי

סווג פולימרים לפי מנגנון הפלמור

פלמור של גדול בשלבים

בתחילה . פלמור שבמהלכו נבנות השרשרות בהדרגה אליו , מגיבות שתי מולקולות מונומר ליצירת דימר

. וכן הלאה, מצטרפת מולקולה נוספת ליצירת טרימר

פלמור של גדול בשרשרת

למשל רדיקל )פלמור המתרחש לאחר יצירת גוף פעיל .המגיב עם המונומרים במהירות בתגובת שרשרת ( חפשי

מונומר , שרשרות שלמות: בכל רגע נתון יש בכלי התגובהשעדיין לא הגיב ומספר קטן מאד של שרשרות המכילות

.את הגוף הפעיל וגדלות במהירות רבה

Chain PolymerizationStep Polymerization

פלמור בשלבים

step-growth polymerization

יצירת הפולימר נעשית על ידי תגובה אקראית של מונומרים ,. שנוצרו במהלך התגובה( אוליגומרים)או שרשרות קצרות

M1 + M1M2

M2 + M2M4

M2 + M3 M5

וכן הלאה

שרשרות בעלות משקל מולקולרי גבוה נוצרות רק לקראת סוף. הפלמור

רוב הפולימרים בדחיסה הם פולימרים הנוצרים בתהליך של.גדול בשלבים

condensation reactionתגובת דחיסה

תגובה בין תרכובות המכילות קבוצות פונקציונליות תוך פליטת תוצר לוואי נמוך , המגיבות האחת עם השניה

.כלל מים-בדרך, מולקולרי

:לדוגמא

:אסטריפיקציה

+ H2OR C OH

O

R C OR'

O

+ H-O-R'

האסטר שנוצר אינו יכול להמשיך להגיב משום

.שהוא אינו מכיל קבוצות פונקציונליות נוספות

condensation polymerizationפלמור בדחיסה

פלמור של מונומרים המכילים לפחות שתי קבוצות תוך פליטת , פונקציונליות המגיבות האחת עם השניה

.תוצר לוואי נמוך מולקולרי

:לדוגמא

:פוליאסטריפיקציה

+ (2n-1) H2O

HO C R C OH

O O

HO R' OH+

HO C R C O R' O

O O

Hn

n n

פוליאסטרים

מכילים את הקבוצה הפונקציונלית

:שימושים

סיבים לתעשיית הטקסטיל

חוטי תפירה רפואיים

חומרי מבנה

C O

O

Polyethylene terphthalate

הפוליאסטר החשוב ביותר.

שמותיו המסחריים: Terylene, Dacron

.מתקבל בתגובה בין אתילן גליקול וחומצה טרפתאלית

C C

O O

OCH2CH2O HO H

n

Polyethylene terphthalate

HOCH2CH2OH+C C

O O

OH HO

terphtalic acid ethylene glycol

n n

C C

O O

HOCH2CH2O OH

Polyethylene terphthalate

+ (2n-1) H2OC C

O O

OCH2CH2O HO H

n

Polyethylene terphtalate

2800הפלמור מתבצע בטמפרטורה שלC ובנוכחות.קטליזטורים בסיסיים

מול/גרם 15,000: המסה המולרית הממוצעת.

2700: טמפרטורת היתוךC.

את הפולימר מעבדים לסיבים מההתך.

Polycaprolactone

פולימר המשמש לייצור חוטי תפירה רפואיים.המתפרקים בגוף

.חומצה קפרואית-מתקבל בפלמור עצמי של הידרוכסי

nOCH2CH2CH2CH2CH2C

O

OHH

עצמי-פלמור

פלמור של מונומרים המכילים את שתי הקבוצות .באותה מולקולה, הפונקציונליות האמורות להגיב זו עם זו

: לדוגמא

:חומצה-פוליאסטריפיקציה של הידרוכסי

nHO-R-COOH H-[O-R-CO-]n-OH + n-1 H2O

Polycaprolactone

HOCH2CH2CH2CH2CH2COH

O

n

OCH2CH2CH2CH2CH2C

O

OHHn

+ n-1 H2O

polycaprolactone

HOCH2CH2CH2CH2CH2COCH2CH2CH2CH2CH2COH

O O

Polycaprolactone

לעתים קרובות פולימר זה מיוצר מהאסטר הטבעתי :תוך כדי פתיחת הטבעת, כמונומר( הלקטון)

nOCH2CH2CH2CH2CH2C

O

OHH

O C

O

caprolactonepolycaprolactone

n + H2O

.להתחלת התגובה יש להוסיף כמות קטליטית של מים

פוליאמידים

מכילים את הקבוצה הפונקציונלית

".ניילון"ידועים בשם

:שימושים

סיבים לתעשיית הטקסטיל

חומרי מבנה

C NH

O

הכנת פוליאמידים

:דרכים להכנת פוליאמידים

תגובה בין דיחומצה לדיאמין

תגובה בין דיכלוריד חומצה לדיאמין

חומצה-פלמור עצמי של אמינו

6,6ניילון

הפוליאמיד הנפוץ ביותר.

שם הניילון נקבע לפי מספר אטומי הפחמן שבין כל שני.אטומי חנקן

.מתקבל בתגובה בין חומצה אדיפית להקסמתילן דיאמין

HO C (CH2)4 C NH

O O

(CH2)6 NH Hn

אטומי פחמן 6אטומי פחמן 6

6,6ניילון

HO C (CH2)4 C OH

O O

+ H2N (CH2)6 NH2

adipic acid hexamethylenediamine

n n

HO C (CH2)4 C NH

O O

(CH2)6 NH2

HO C (CH2)4 C NH

O O

(CH2)6 NH Hn

+ (2n-1) H2O

בכדי להגיע למשקלים מולקולריים גבוהים יש לערבב את.המגיבים ביחסים סטוכיומטריים מדוייקים

ניתן להגיע ליחס מדויק על ידי יצירת מלח בין(.הבסיסי)לדיאמין (החומצית)הדיחומצה

1:1המלח שוקע כקומפלקס שבו היחס הוא.

[-OOC(CH2)4COO-][+H3N(CH2)6NH3+]

6,6ניילון

מול/גרם 12,000 - 15,000: המסה המולרית הממוצעת.

2650: טמפרטורת היתוךC.

את הפולימר מעבדים לסיבים מההתך או שמושכים את.הסיב בתהליך הפלמור

שם הניילון נקבע לפי מספר אטומי הפחמן שבין כל שני.אטומי חנקן

6,6תהליך הייצור של ניילון

יצירת המלח ב–pH 7-7.5 ואיכסונו בתמיסה מימית.50-60%בריכוז של

פלמור בתהליך מנתי או רציף.

:בתהליך המנתי

150-1600–חימום תמיסת המלח לC והוצאת מים

.80-85%עד לריכוז של

הכנסת תוספים כמו מסיימי שרשרת ואנטיאוקסידנטים.

210-2750–חימום התערובת באוטוקלב לC תחת לחץ ,.עם חנקן

4000פולימר בעל משקל מולקולרי של -מתקבל פרה.

הוספתTiO2.

הורדת לחץ תוך שמירה על הטמפרטורה לשם הוצאת.מים והגדלת דרגת הפלמור

עובר הפולימר , לאחר קבלת המשקל המולקולרי הרצויאותם , המותך אקסטרוזיה תחת לחץ לקבלת מוטות

. חותכים לחתיכות בגודל הרצוי

6ניילון

NHCH2CH2CH2CH2CH2C

O

OHHn

NHCH2CH2CH2CH2CH2C

O

OHHn

NHCH2CH2CH2CH2CH2C

O

OHH

אמינו חומצה הקסנואית-6מתקבל בפלמור עצמי של

או מפתיחת האמיד הטבעתי לאחר הוספת כמות קטנה של מים

+ H2On

nylon 6caprolactam

NH C

O

NHCH2CH2CH2CH2CH2C

O

OHHn

תגובה בין דיכלוריד חומצה לדיאמין

nn

hexamethylenediaminesabicyl chloride

H2N (CH2)6 NH2+Cl C (CH2)8 C Cl

O O

6,10הכנת ניילון

nCl C (CH2)8 C NH

O O

(CH2)6 NH H

nylon 6,10

+ (2n-1) HCl

מגע בין שתי -ניתן לפלמר פוליאמידים גם בתגובת שטח:תמיסות

דיכלוריד חומצה מומסת בממס

CCl4אורגני כמו

דיאמין המומס במים.

הכנת ניילון: הדגמה

Kevlar

פוליאמיד ארומטי המשמש לייצור סיבים בעלי חוזקוכן לייצור , (מפלדה 5חזקים פי )גבוה במיוחד

.חומרים מרוכבים

עמיד בטמפרטורות גבוהות.

?מהם המונומרים של הקבלר

Poly(p-phenylene terphthalate)DuPontשל Kevlarהידוע בשם

n

NH NHCCHO

O O

H

פוליקרבונטים

מכילים את הקבוצה הפונקציונלית

:שימושים

חלונות

קסדות

קומפקט דיסקים

O C O

O

Bisphenol A Polycarbonate

O C

CH3

CH3

O C

O

H Cl

n

.בעל חוזק גבוה מאד למכה, פולימר שקוף•

.עם פוסגן Bisphenol Aמתקבל בפלמור של

Bisphenol A Polycarbonate

HO C

CH3

CH3

OH Cl C Cl

O

+

Bisphenol A phosgene

O C

CH3

CH3

O C

O

H Cl

n

פולימרים מצולבים בפלמור בשלבים

הכנסת מונומר המכיל יותר משתי קבוצות פונקציונליותבתהליך הפלמור גורמת ליצירת פולימר בעל קשרי צלוב

. בין השרשרות( קשרים קוולנטיים)

A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A- A-A-A-A-A-A-A-A-A-

A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A- A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

שרפים"פולימרים מצולבים נקראים לעתים קרובות."

שרפי פוליאסטר

שרפי פוליאסטר משמשים בהכנת חומרי בניה שונים ,. למשל של מכוניות וסירות

אחת הדרכים להכינם היא להכניס לפלמור אחוז. כמו גליצרול, מסוים של כהל טריפונקציונלי

שרף הפוליאסטר , לדוגמאglyptal מסונתז על ידי:תגובה של גליצרול עם אלמימה פתאלית

HO CH2CHCH2 OH

OH

glyptalשרף פוליאסטר

C

C

O

O

O

phthalic anhydride

HO CH2CHCH2 OH

OH

glycerol

+

CO CH2CHCH2 OC

O

CO CH2CHCH2

O

O

C

O

C

O

OCOO

O

OO

glyptalשרף פוליאסטר

השרף הוא בעל מבנה מצולב.

אותו ניתן , התגובה ממשיכה עד שמתקבל נוזל צמיג.להעביר לתבנית להמשך פלמור והתקשות

כחומר , בתוספת שמנים, הוא משמש בעיקר כדבק או.ציפוי

כימיה אורגנית ופולימרים

12הרצאה

סווג פולימרים לפי מנגנון הפלמור

פלמור של גדול בשלבים.

פלמור של גדול בשרשרת.

סווג פולימרים לפי מנגנון הפלמור

פלמור של גדול בשלבים

בתחילה . פלמור שבמהלכו נבנות השרשרות בהדרגה אליו , מגיבות שתי מולקולות מונומר ליצירת דימר

. וכן הלאה, מצטרפת מולקולה נוספת ליצירת טרימר

פלמור של גדול בשרשרת

למשל רדיקל )פלמור המתרחש לאחר יצירת גוף פעיל .המגיב עם המונומרים במהירות בתגובת שרשרת ( חפשי

מונומר , שרשרות שלמות: בכל רגע נתון יש בכלי התגובהשעדיין לא הגיב ומספר קטן מאד של שרשרות המכילות

.את הגוף הפעיל וגדלות במהירות רבה

פלמור בשרשרת

chain-growth polymerization

יצירת הפולימר נעשית בתגובת שרשרת .

כבר בשלבים המוקדמים של הפלמור נוצרות שרשרותהקיימות לצד מולקולות , בעלות משקל מולקולרי גבוה

. מונומרים

כלומר אחוז המונומר שהפך לפולימר, ניצולת הפלמור ,. עולה בהדרגה עם הזמן

בדרך כלל מתקבלים פולימרים בעלי מסות מולריות.גבוהות

תהליך הפלמור בשרשרת מתרחש ברוב המקרים בתגובת.כלומר לא מתקבל תוצר לוואי של מולקולות קטנות, ספוח

דוגמאות לפולימרים המתקבלים בתגובת ספוח

פולימרים ויניליים

:נוסחה כללית

:דוגמאות

C

R1

R2

C

R3

R4

n

CH2 CH2n

Polyethylene

nCH2 CH

CH3

Polypropylene

CH2 CHn

Polystyrene

CH2 CH

Clnn

Poly(vinyl chloride)

(PVC)

CF2 CF2n

Polytetrafluoroethylene (Teflone)

C

CH3

COCH3

O

CH2 n

Poly(methyl methacrylate) (Perspex)

שלד הפולימר מכיל קשרים כפולים–פולימרים דיאנים.

:לדוגמא CH2 CH CH CH2

n

Polybutadiene

nCH2 C CH CH2

CH3

cis-Polyisoprene

(Natural Rubber)

פולימרים אלה הם בדרך כלל

.אלסטומרים

שלבי תגובת הפלמור בגידול בשרשרת

:שרשרת כוללים שלושה שלבים עיקריים-פלמורים בגידול

שלב ההפעלה ויצירת המונומר הפעיל.

או שלב הגידול של השרשרת המופעלת על , פרופגציה.ידי התווספות של מונומרים

או סיום השרשרת הפעילה לתת את , טרמינציה.שרשרת הפולימר הסופית

של פלמור בשרשרת" מפעל"מודל ה

הפעלה

שרשרת מתרחשים בנוכחות מולקולה -פלמורים בגידולהנקשרת למולקולת מונומר ומתחילה את תהליך , מפעילה. הפלמור

קטיוני או קואורדינטיבי, אניוני, המפעיל יכול להיות רדיקלי .באופי הכימי של הקבוצות , חלקית, סוג ההפעלה תלוי

. המתמירות

למשל. ישנם מונומרים הניתנים לפלמור ביותר ממנגנון אחד ,.סטירן ניתן לפלמור גם במנגנון רדיקלי וגם אניוני

מתאימה למונומרים המכילים קבוצה -הפעלה אניונית.מושכת אלקטרונים

מתאימה למונומרים המכילים קבוצה -הפעלה קטיונית.דוחפת אלקטרונים

מתאימה למונומרים המכילים -הפעלה רדיקלית. קבוצה המיוצבת רזונטיבית

מתאימה לפחממנים ללא –הפעלה קואורדינטיביתומשמשת להכנת פולימרים בעלי מבנה , קבוצות פולריות

(.פוליאתילן לינארי, איזוטקטי, סינדיוטקטי)מסודר

פלמור רדיקלימונומרים ויניליים בפלמור רדיקלי

Unsubstituted

(ethylene)

ניתן לפלמור רדיקלי

Monosubstitutedניתנים לפלמור רדיקלי

1,1-Disubstituted כ ניתנים לפלמור רדיקלי"בד

1,2-Disubstituted ניתנים לפלמור רדיקלי לעתים רחוקות

Trisubstituted לא ניתנים לפלמור רדיקלי כמעט תמיד

Tetrasubstitutedלא ניתנים לפלמור רדיקלי כמעט תמיד

פלמור רדיקלי

Initiationהפעלה

.שלבי הפלמור המתוארים יתייחסו לפלמור בהפעלה רדיקלית

( הפרוק)השלב הראשון בהפעלה הוא שלב הדיסוציאציה:של מולקולת המפעיל לשני רדיקלים

I-I 2 I

מולקולות המתאימות להיות מפעילים הן מולקולות, -N=N-אורגניות המכילות קשרים כמו קשרי אזו

קשרים אלה נשבר . -O-O-או פרוקסיד , -S-S-דיסולפיד . או גמא UVבחום או בהקרנה בקרינת

מפעילים רדיקליים

פראוקסידים

תרכובות azo

Temperatures are for 10 hour half-lives

:לדוגמא

בנזואיל פרוקסיד

C O

O

O C

O

2 C

O

O

השלב השני בהפעלה הוא שלב האסוציאציה שבו נקשרת :מולקולת מונומר אל הרדיקל של המפעיל

I + M IM

מזווג נמצא על -שבו האלקטרון הבלתי, נוצר רדיקל חדש.המונומר

OC

O

+ CH2 CH C

O

O CH2 CH

:דוגמא עבור פלמור סטירן

Propagationגידול

מצטרפות מולקולות מונומר ( הגידול)בשלב הפרופגציה :נוספות אל יחידת המונומר המופעל

IM + M IMM

:וכן הלאה

IMx + M IMxM

:דוגמא עבור פלמור סטירן

C

O

O CH2 CH CH2 CH+

O CH2 CH CH2 CHC

O

?אילו אפשרויות קיימות לחיבור מולקולת מונומר נוספתhead to tailראש לזנב •

head to headראש לראש •

.ברוב המקרים החיבור הוא ראש לזנב

Terminationסיום

שלב הפרופגציה ימשיך עד שיתרחשו תהליכים שיגרמו .שהם תהליכי הטרמינציה, להעלמות הרדיקלים

:הטרמינציה יכולה להתרחש באחד משלושה מנגנונים

התחברות של שתי שרשרות רדיקליות בעלות דרגותלתת שרשרת בעלת דרגת הפלמור y+1 -ו x+1הפלמור x+y+2:

IMxM + MMyI IMxM-MMyI

:דוגמא עבור פלמור סטירן

C

O

O CH2 CH CH2 CH C

O

OCH2CHCH2CH+

x y

yx

OCH2CHCH2CH C

O

O CH2 CH CH2 CHC

O

סיום

תגובת דיספרופורציונציה שבה אלקטרון עוברבמקרה זה נוצרות . משרשרת רדיקלית אחת לאחרתשאחת מהן מכילה , שתי שרשרות פולימריות נפרדות

.ולשניה קצה רווי, קשר כפול בקצה שלה

IMxM + MMyI IMx+1 + IMy+1

:דוגמא עבור פלמור סטירן

yx

+ OCH2CHCH2CH C

O

O CH2 CH CH CH

H

C

O

C

O

O CH2 CH CH CHx

C

O

OCH2CHCH2CH

H

y

+

סיום

טרמינציה על ידי העברת שרשרתchain transfer , שבה השרשרת הרדיקלית עוקרת מימן מהמפעיל

(.SH)מפולימר או ממולקולת ממס , ממונומר

והוא עובר מהשרשרת , במקרה זה הרדיקל נשאר במערכת. הרדיקלית המקורית אל מולקולה אחרת

ולהמשיך את , הרדיקל החדש יכול לצרף מולקולת מונומר. הפלמור

IMxM + SH IMxMH + S

:דוגמא עבור פלמור סטירן

x

O CH2 CH CH2 CH

H

C

O

+ S

x

O CH2 CH CH2 CHC

O

+ S H

Chain Transfer to Polymer

עקירת מימן משרשרת הפולימר מובילה להיווצרות מסעפים

(branches) ,בעיקר בפלמור פוליאתילן.

LDPE ולכן רך, פוליאתילן מסועף הוא בעל צפיפות נמוכה יחסית

ל מולקולת המפעיל משתלבת בקצה "בכל המקרים הנ .השרשרת הפולימרית והופכת לחלק מהמולקולה

שלפי הגדרה חוזר , לכן היא אינה נחשבת לקטליזטור.למצבו ההתחלתי בתום פעולתו הקטליטית

סכום שלבי תגובת הפלמור הרדיקלי

קצב התגובההתגובההשלב

קצב איטי אך מתמשךיצירת רדיקליםהפעלה

שלב מהירמספר הרדיקלים נשמרגידול

אולם תלוי ברכוז , שלב מהירהעלמות רדיקליםסיום.הרדיקלים במערכת

.במצב שיווי משקל מספר הרדיקלים במערכת נשאר קבוע(. 10-8M -כ)ריכוז הרדיקלים במערכת נמוך מאד

פולימרים ויניליים המתקבלים בפלמור רדיקלי

CH2 CH2n

Polyethylene

CH2 CHn

Polystyrene

CH2 CH

Clnn

Poly(vinyl chloride)

(PVC)

CF2 CF2n

Polytetrafluoroethylene (Teflone)

C

CH3

COCH3

O

CH2 n

Poly(methyl methacrylate) (Perspex)

?מדוע לא ניתן לפלמר פרופילן בפלמור רדיקלי

הרדיקל האליליהוא יציב מאד . ונוצר בעדיפות

.לא מתרחש פלמור

פלמור רדיקלי של מונומרים דיאניים

.מונומרים דיאניים מכילים שני קשרים כפולים מצומדים

:לדוגמא

CH2 CH CH CH3

butadiene

בפלמור מונומרים דיאניים מתקבלות שרשרות פולימריות.המכילות קשרים כפולים

CH2 C CH CH3

CH3

isoprene

:לדוגמא

CH2 CH CH CH2n

Polybutadiene

nCH2 C CH CH2

CH3

cis-Polyisoprene

(Natural Rubber)

.פולימרים אלה הם בדרך כלל אלסטומרים

CH2 C CH CH3

CH3

isoprene

CH2 CH CH CH3

butadiene

שלבי תגובת הפלמור של מונומרים דיאניים דומים לאלה :של המונומרים הויניליים

שלב ההפעלה ויצירת המונומר הפעיל.

או שלב הגידול של השרשרת המופעלת על ידי , פרופגציה.התווספות של מונומרים

או סיום השרשרת הפעילה לתת את שרשרת , טרמינציה.הפולימר הסופית

Initiationהפעלה

.יצירת רדיקלים בעזרת מפעיל1.

:קשירת מולקולת מונומר אל הרדיקל של המפעיל2.

:דוגמא עבור בוטאדיאן

+C

O

O CH2 CH CH CH2

O CH2 CH CH CH2C

O

Propagationגידול

הצטרפות מולקולות מונומר נוספות אל יחידת המונומר :המופעל

:דוגמא עבור בוטאדיאן

C

O

O CH2 CH CH CH2 CH2 CH CH CH2+

C

O

O CH2 CH CH CH2 CH2 CH CH CH2

.וכן הלאה

Termination סיום

:הסיום מתרחש באחד משלושה המנגנונים שהוזכרו

התחברות של שתי שרשרות רדיקליות

דיספרופורציונציה

העברת שרשרת

הכנת פולימרים מצולבים

:דרכים אפשריות להכנת פולימרים מצולבים

צילוב פולימרים המכילים קשרים כפולים בתהליך.רדיקלי

הכנסת אחוז מסוים של מונומרים המכילים יותר מקשר.כפול אחד בתהליך הפלמור הרדיקלי

רווי-צילוב פוליאסטר בלתי

רווי -על ידי הכנה של פוליאסטר בלתי, ניתן להכין שרפי פוליאסטר.ולאחר מכן צלוב בתהליך רדיקלי, במנגנון של פלמור בשלבים

לדוגמא :

-הבלתי)קופולימריזציה של אלמימה פתאלית ואלמימה מלאית .עם דיאתילן גליקול( רוויה

O OO

phthalic anhydride

C C

O OO

maleic anhydride

HOCH2CH2OH

ethylene glycol

י את מבנה הקופולימר המתקבל/רשום: תרגיל.

שהוא בעל משקל מולקולרי , את הפוליאסטר הנוצרוזה משתתף בתהליך הצילוב של , ממיסים בסטירן, נמוך

.הקשרים הכפולים של הפוליאסטר

הצילוב נעשה בעזרת מפעיל פרוקסידי.

מהו מבנה הפולימר המתקבל?

הוספת מונומרים המכילים יותר מקשר כפול אחד

:לדוגמא

.קופולימריזציה של דיויניל בנזן עם סטירן

כאשר הדיויניל בנזן מהווה , י את מבנה הפולימר המתקבל/צייר.מתערובת המונומרים( אחוזי מולים) 5%

styrene

CH2 CH CH2 CH

CHCH2

divinyl benzene