Химия высокомолекулярных соединений

УДК [544.2-126+678](075.8)
ББК 24.7я73
 
Ш65

Р е ц е н з е н т ы: кафедра биоорганической химии УО «Белорусский государственный медицинский  университет» (доцент кафедры кандидат химических наук, доцент Ф.   Ф.   Лахвич); директор 
ГНУ «Институт физико­органической химии Национальной академии наук Беларуси», академик 
Национальной академии наук Беларуси доктор химических наук, профессор А.  В.  Бильдюкевич

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей кни ги или любой ее части не может 
быть осуществлено без разрешения издательства.

ISBN 978-985-06-3385-9 
© Шишонок М. В., 2021

 
© Оформление. УП «Издательство

 
 
“Вышэйшая школа”», 2021

Шишонок, М. В.
Ш65  
Химия высокомолекулярных соединений : учебное пособие / М. В. Шишо нок. — Минск : Вышэйшая школа, 2021. — 624 с., [8] л. цв. ил. : ил.
ISBN 978­985­06­3385­9.

Книга содержит все разделы химии высокомолекулярных соединений (полимеров): 
историю, классификацию, номенклатуру, структуру, растворы, синтез и модификацию полимеров, современные полимерные материалы. Издание основано на оригинальных лекциях 
автора. Отличается  единообразием химических формул. Характерная особенность учебного 
пособия — авторские иллюстрированные обзоры патентов, в которых изложена суть изобретения: выявлены закономерности, реакции, обеспечившие успех в решении определенной 
современной задачи. Обзоры позволяют читателю оценить практическую значимость, живую 
связь фундаментальных дисциплин и современных разработок.
Для студентов, магистрантов, аспирантов и преподавателей, научных работников, инженеров­исследователей, а также для всех, кто интересуется полимерами и полимерными материалами технического и медицинского назначения.
УДК [544.2-126+678](075.8)
ББК 24.7я73
Учебное издание

Шишонок Маргарита Валентиновна

ХИМИЯ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Учебное пособие

Редактор Е. В. Савицкая. Художественный редактор В. А. Ярошевич. Компьютерная верстка 
Ю. Н. Трусевич. Корректоры Т. К. Хваль, О. И. Голденкова, Т. В. Кульнис.

Подписано в печать 30.11.2021. Формат 70×100/16. Бумага офсетная.  
Гар ни тура «Ньютон». Офсетная печать. Усл. печ. л. 50,7 + 1,3 цв. вкл. 
Уч.­изд. л. 38,8. Тираж 200 экз. Заказ 5436.

Республиканское унитарное предприятие «Издательство “Вышэйшая шко ла”».  Свидетельство о 
государственной регистрации издателя, изготовителя,  распространителя печатных изданий № 1/3 
от 08.07.2013.  Пр. Победителей, 11, 220004, Минск.  
e­mail: market@vshph.com   http://vshph.com

Открытое акционерное общество «Типография “Победа”». Свидетельство о государственной 
регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 2/38 от 29.01.2014. 
Ул. Тавлая, 11, 222310, Молодечно.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ 14

РАЗДЕЛ IОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 
О ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ 17

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ХИМИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 18

11Значимость высокомолекулярных соединений 18

12Макромолекулы 21
Цепное строение 21
Формула макромолекулы 23
Экспериментальные доказательства Штаудингера 25
Степень асимметрии макромолекулы 27
Подтверждения Сведберга, Марка и Мейера 27

13Становление самостоятельной науки 31

14Специфические свойства высокомолекулярных соединений 32

ГЛАВА 2. ПОЛИМЕРНЫЕ И ОЛИГОМЕРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 35

21Высокомолекулярные соединения 35
Гомополимеры и гетерополимеры 35

22Олигомерные соединения 37
Терминология 37
Классификация 37
Синтез 39
Применение 41

РАЗДЕЛ IIКЛАССИФИКАЦИЯ И 
НОМЕНКЛАТУРА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 46

ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ 47

31Происхождение высокомолекулярного соединения 47
Биополимеры 47
Искусственные полимеры 48
Синтетические полимеры 49

32Структура цепи в целом 50
Линейные и нелинейные цепи 50
Разветвленные цепи 52

Оглавление

Сшитые цепи 55
Влияние структуры цепи в целом на свойства полимеров 58

33Химический состав цепи 60

34Вид и взаимное расположение мономерных звеньев в цепи 62
Классификация сополимеров62

ГЛАВА 4. НОМЕНКЛАТУРА 65

41Типы номенклатурных систем 65

42Номенклатура линейных высокомолекулярных соединений 66
Номенклатура линейных органических высокомолекулярных соединений 66
Номенклатура линейных элементоорганических 
и неорганических высокомолекулярных соединений 74

43Номенклатура нелинейных 
высокомолекулярных соединений 75
Номенклатура нелинейных гомополимеров 75
Номенклатура нелинейных гетерополимеров (сополимеров) 76

РАЗДЕЛ IIIСТРУКТУРА МАКРОМОЛЕКУЛЫ 79

ГЛАВА  5. МОЛЕКУЛЯРНО-МАССОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 80

51Неоднородность по молекулярной массе 80

52Средние значения молекулярной массы 81
Среднечисловая молекулярная масса 81
Среднемассовая молекулярная масса 82
Среднеседиментационная молекулярная масса 83
Средневязкостная молекулярная масса 84

53Характеристики неоднородности по молекулярной массе 84
Показатель полидисперсности 84
Кривые молекулярно-числового и молекулярно-массового распределения 85
Методы фракционирования 86

54Практическая значимость молекулярно-массовых характеристик 88
Влияние молекулярно-массовых характеристик на физико-механические 
свойства высокомолекулярных соединений 88
Молекулярно-массовые характеристики высокомолекулярных соединений, 
используемых в пищевой и фармацевтической промышленности 89

ГЛАВА 6. КОНФИГУРАЦИЯ МАКРОМОЛЕКУЛЫ 92

61Конфигурационное звено 92

62Конфигурационные уровни виниловых цепей 93
Конфигурация мономерного звена 93
Конфигурация диады 94
Дальний конфигурационный порядок 96

63Конфигурационные уровни диеновых цепей 98
Конфигурация мономерного звена 98
Конфигурация диады 99
Дальний конфигурационный порядок 99

Оглавление

64Дитактичность 101

65Влияние конфигурации на свойства соединений 104
Влияние дальнего порядка 104

ГЛАВА 7. КОНФОРМАЦИЯ МАКРОМОЛЕКУЛЫ 106

71Конформационные уровни макромолекул 106
Конформация мономерного звена 106
Конформация диады 108
Дальний конформационный порядок 109
Конформация цепи в целом 113
Конформация цепи в целом и фазовые состояния 119

72Практическая значимость конформационных переходов 119

ГЛАВА 8. ГИБКОСТЬ МАКРОМОЛЕКУЛЫ 123

81Модель свободно сочлененной цепи 123
Вывод аналитической зависимости расстояния между концами цепи 
от длины цепи 126
Вывод функции распределения расстояний между концами 
свободно сочлененных цепей 129

82Модель с фиксированными валентными углами 143

83Модель заторможенного вращения 143

ГЛАВА 9. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ СЕГМЕНТ 147

91Сегмент Куна 147

92Факторы, определяющие термодинамическую гибкость 149
Химический состав основной цепи 150
Полярность боковых групп 152
Объем боковых групп 153
Взаимное расположение боковых групп 153
Структура цепи в целом 154

93Заключение 157

РАЗДЕЛ IVСТРУКТУРА И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ 
СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ТЕЛ 161

ГЛАВА 10. НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА 162

101Терминология 162

102Основные методы исследования 163

103Структура аморфных тел 164
Сетка перекрывающихся статистических клубков 164
Глобулярная структура 167

104Условия кристаллизации 168
Дальний одномерный порядок цепи 168
Термодинамическое условие 170
Кинетическое условие 172

Оглавление

105Структура кристаллических тел 172
Структоны 172
Монокристаллы 174
Кристаллиты 177
Шиш-кебабы 178
Сферолиты 180
Эдриты, овоиды, дендриты 181
Фибриллы 182
Глобулы 185

106Структурная неоднородность кристаллических тел 185
Степень кристалличности 186

ГЛАВА 11. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СОСТОЯНИЯ 190

111Терминология 190

112Термомеханическая кривая 191

113Стеклообразное состояние 193
Упругие деформации 193
Стеклообразные полимеры 194
Теории стеклования 195

114Высокоэластическое состояние 199
Переходная область 199
Развитое высокоэластическое состояние 199
Отличительные признаки высокоэластической деформации 200

115Вязкотекучее состояние 203
Пластические деформации 203

116Заключение 205

ГЛАВА 12. КИНЕТИЧЕСКИЙ СЕГМЕНТ 207

121Экспериментальное определение молекулярной 
массы кинетического сегмента 207
Термомеханические кривые гомологов 207
Формула Каргина и Слонимского 209

122Факторы, определяющие кинетическую гибкость 210
Химический состав основной цепи 210
Объем боковых групп 210
Полярность и взаимное расположение боковых групп 212
Тактичность цепи 212
Структура цепи в целом 212
Степень кристалличности и степень ориентации 213
Температура и скорость деформирования 213

ГЛАВА 13. ВЫСОКОЭЛАСТИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ 215

131Термодинамика высокоэластической деформации 215

132Релаксационные свойства полимеров 218
Релаксация напряжения 218
Упругое последействие, или ползучесть 220

Оглавление

Практическая значимость релаксационных процессов 222
Упругий гистерезис 222

133Принцип температурно-временной суперпозиции 224
Число Деборы 225
Термомеханические кривые 226

ГЛАВА 14. КИНЕТИКА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ 228

141Образование центров кристаллизации 228
Гомогенное зародышеобразование 228
Гетерогенное зародышеобразование 230

142Кинетические особенности кристаллизации 231
Несовпадение температур плавления и кристаллизации 231
Вторичная кристаллизация 233
Интервал температуры плавления 236

ГЛАВА 15. ВЫНУЖДЕННОЭЛАСТИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ 240

151Вынужденноэластические деформации cтеклообразных тел 240
Природа вынужденноэластической деформации 241
Особенности вынужденноэластической деформации 243
Факторы, влияющие на деформационные свойства244

152Вынужденноэластические деформации 
кристаллических тел 247
Факторы, влияющие на деформационные свойства251

153Сравнение деформационных свойств стеклообразных 
и кристаллических тел 251

154Практическая значимость вынужденной эластичности 252
Положительные аспекты 252
Отрицательные аспекты 252

РАЗДЕЛ VВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 
В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ 254

ГЛАВА 16. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ 255

161Терминология 255

162Классификация жидкокристаллических соединений 256
Лиотропные соединения 256
Термотропные соединения 261
Нематики 264
Смектики 265
Холестерики 266

ГЛАВА 17. НАБУХАНИЕ 267

171Классификация процессов набухания 268
Межкристаллитное и внутрикристаллитное набухание 268
Ограниченное и неограниченное набухание 270

Оглавление

172Факторы, определяющие тип, скорость и степень набухания 270
Степень кристалличности 271
Пористость 272
Степень ориентации 273
Релаксационное состояние 273
Химический состав 273
Структура цепи в целом 273
Молекулярная масса 273
Температура набухания 273

173Кинетика набухания 274
Кинетические кривые ограниченного набухания 274
Кинетические кривые неограниченного набухания 275

174Практическая значимость набухания 276
Давление набухания 276
Модификация полимера 276
Студнеобразование 277

ГЛАВА 18. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В РАСТВОРАХ 282

181Практическая значимость 
и особенности полимерных растворов 282

182Термодинамическая устойчивость растворов 283

183Ограниченная растворимость 284
Фазовые диаграммы систем полимер / растворитель 285

184Практическая значимость фазового разделения 288
Фракционирование 289
Студнеобразование 290
Формование временных покрытий 294

ГЛАВА 19. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РАСТВОРОВ 296

191Модель регулярного раствора 296

192Комбинаториальная энтропия смешения 297
Определение молекулярной массы термодинамического сегмента 
по закону Рауля 299

193Энтальпия смешения 299

194Уравнение состояния высокомолекулярного соединения в растворе 300
Определение среднечисловой молекулярной массы 302
Определение термодинамического качества растворителя 303

195θ-условия 304
Коэффициент набухания макромолекулы 305
Определение молекулярной массы термодинамического сегмента 
по закону Вант-Гоффа 306

ГЛАВА 20. ВЯЗКОСТЬ РАСТВОРОВ 307

201Гидродинамические свойства макромолекул в разбавленных растворах 307
Типы вязкостей полимерных растворов 308
Определение средневязкостной молекулярной массы 310

Оглавление

Определение степени полидисперсности 311
Определение среднеквадратичного расстояния между концами цепи 311
Классификация растворов 313

202Особенности гидродинамических свойств полиэлектролитов 313
Классификация полиэлектролитов 313
Полиэлектролитное набухание 316
Изоэлектрическая точка 316

РАЗДЕЛ VIПОЛИМЕРИЗАЦИЯ 318

ГЛАВА 21. СТУПЕНЧАТАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ319

211Исходные реагенты 319

212Классификация процессов ступенчатой полимеризации 322
Гомополиконденсация 323
Гетерополиконденсация 324
Сополиконденсация 324
Гомофункциональная поликонденсация 325
Гетерофункциональная поликонденсация 326
Линейная поликонденсация 326
Трехмерная поликонденсация 327
Полициклоконденсация 327
Равновесная поликонденсация 329
Неравновесная поликонденсация 329
Поликонденсация в расплаве 332
Поликонденсация в растворе 332
Межфазная поликонденсация 333
Твердофазная поликонденсация 334

213Кинетика ступенчатой полимеризации 334
Скорость ступенчатой полимеризации 334
Уравнение Карозерса 337
Точка гелеобразования 338
Среднечисловая степень полимеризации при равновесной поликонденсации 340
Среднечисловая степень полимеризации и стехиометрия реагентов340
Среднечисловая степень полимеризации и монофункциональные примеси 341
Молекулярно-массовое распределение продуктов линейной поликонденсации 341

ГЛАВА 22. РАДИКАЛЬНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ 344

221МеханизмТерминология 344

222Классификация процессов цепной полимеризации 345
Блочная полимеризация 346
Суспензионная полимеризация 346
Эмульсионная полимеризация 347
Полимеризация в растворе 348

223Реакционная способность мономеров и радикалов 348
Влияние сопряжения 348
Влияние экранирования двойной связи 350

Оглавление

Влияние полярности двойной связи 351

224Элементарные стадии радикальной полимеризации 351
Инициирование 351
Рост цепи 359
Изомеризационная полимеризация 360
Обрыв цепи 361
Передача цепи 364

225Кинетика радикальной полимеризации 371
Скорость радикальной полимеризации 371
Среднечисловая степень полимеризации 372
Длина кинетической цепи 374

ГЛАВА 23. КАТИОННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ 376

231Сравнение ионной и радикальной полимеризации 376

232Мономеры катионной полимеризации 377

233Катализаторы катионной полимеризации 378
Сокатализаторы 378

234Элементарные стадии катионной полимеризации 379
Инициирование кислотами Льюиса 379
Инициирование протонными кислотами 380
Инициирование другими катализаторами381
Рост цепи 381
Изомеризационная полимеризация 382
Обрыв цепи 384
Передача цепи на мономер 385
Передача цепи на полимер 386
Передача цепи на сокатализатор 387
Передача цепи на растворитель и регулятор молекулярной массы 388

235Кинетика катионной полимеризации 388
Скорость катионной полимеризации 388
Среднечисловая степень полимеризации 389

ГЛАВА 24. АНИОННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ 391

241Сравнение анионной и катионной полимеризации 391

242История анионной полимеризации 391

243Мономеры анионной полимеризации 391

244Катализаторы анионной полимеризации 392

245Элементарные стадии анионной полимеризации 393
Реакции, инициированные по механизму присоединения свободного аниона 393
Реакции, инициированные по механизму переноса электрона 394

246«Живая» полимеризация 399
«Живая» блоксополимеризация 400
Инициирование литийорганическими соединениями 402

247Кинетика анионной полимеризации 403

Оглавление

Скорость анионной полимеризации 403
Скорость «живой» анионной полимеризации 404
Среднечисловая степень полимеризации 404

ГЛАВА 25. КООРДИНАЦИОННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ 407

251Анионно-координационная полимеризация диенов 407
Синтез цистактических полимеров 408
Синтез транстактических полимеров 410

252Стереоспецифическая полимеризация 
на катализаторах Циглера – Натта 411
Синтез изотактических полимеров 413
Синтез синдиотактических полимеров 414

РАЗДЕЛ VIIРЕАКЦИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 416

ГЛАВА 26. ОСОБЕННОСТИ РЕАГИРОВАНИЯ 417

261Надмолекулярные эффекты 417
Доступность структуры полимерных тел химическим реагентам 417
Нивелирование надмолекулярных эффектов 420

262Конформационные эффекты 428
Конфигурационные и конформационные эффекты в совокупности 430

263Конфигурационные эффекты 430
Дальний и ближний конфигурационный порядок 430

264Анхимерное ускорение 431

ГЛАВА 27. ПОЛИМЕРАНАЛОГИЧНЫЕ РЕАКЦИИ 435

271Открытие Шёнбайна 435

272Реакции природных соединений 437
Характеристики продуктов модификации 437
Ацилирование полисахаридов 437
Деацилирование полисахаридов 440
O-алкилирование полисахаридов 442
Окисление полисахаридов 445

273Реакции синтетических соединений 448
Алкоголиз поливинилацетата 448
Этерификация поливинилового спирта 449
Ацеталирование поливинилового спирта 449
Дегидратация поливинилового спирта 451
Реакции замещения гомо- и гетерополимеров стирола 451
Хлорирование насыщенных полиуглеводородов 454
Сульфохлорирование насыщенных полиуглеводородов 456
Сульфирование насыщенных полиуглеводородов 457
Хлорирование ненасыщенных полиуглеводородов 458

ГЛАВА 28. РЕАКЦИИ С УМЕНЬШЕНИЕМ СТЕПЕНИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ 461

281Классификация реакций 461

Оглавление

282Деструкция по закону случая 462
Гидролитическая деструкция 462
Окислительная деструкция 474
Радиационная деструкция 475
Термоокислительная деструкция 476

283Деполимеризация 477
Термическая деполимеризация 477

284Решение экологических проблем 479
Конверсия высокомолекулярных соединений в низкомолекулярные 479
Синтез биоразлагаемых высокомолекулярных соединений 480

ГЛАВА 29. РЕАКЦИИ С УВЕЛИЧЕНИЕМ СТЕПЕНИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ 487

291Сшивание 487
Актуальность 487
Сшивание по цепным реакциям 488
Сшивание по реакциям конденсации 497

292Привитая сополимеризация 503
Прививка по реакциям радикальной сополимеризации 503
Прививка по реакциям анионной сополимеризации 510
Прививка по реакциям катионной сополимеризации 512
Прививка по реакциям поликонденсации 512

ГЛАВА 30. ИНТЕРПОЛИМЕРНЫЕ РЕАКЦИИ 514

301Терминология 514

302Номенклатура интерполимерных комплексов 515

303Актуальность интерполимерных комплексов 515

304Кооперативный характер интерполимерных реакций 516
Эффект застежки 517
Глубина реакции 519

305Классификация интерполимерных комплексов 519
Стереокомплексы 520
Комплексы с переносом заряда 521
Комплексы за счет водородных связей 521
Стехиометрические полиэлектролитные комплексы 523
История полиэлектролитных комплексов 527
Нестехиометрические полиэлектролитные комплексы 528

306Интерполиэлектролитные реакции 530

307Применение нерастворимых 
полиэлектролитных комплексов 532
Связывание дисперсных материалов 533
Флокуляция 534
Мембранное разделение 535
Капсулирование537
Выделение ДНК. Полиплексы 540

Оглавление

308Применение растворимых полиэлектролитных комплексов 540
Дендриплексы 540

РАЗДЕЛ VIIIСОВРЕМЕННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 543

ГЛАВА 31. ПОЛИМЕРНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ 544

311Наночастицы 544
Дендримеры 544
Глобулы 546

312Нанорулоны547

313Нанопирамиды 548

314Нанопористые пленки 554

315Нанокапсулы 555

316Нанокомпозиты 557
Терминология 557
Классификация 557
Металлополимерные нанокомпозиты 557
Металлоуглеродные нанокомпозиты 565
Полимер-силикатные нанокомпозиты 568
Полимер-углеродные нанокомпозиты 570

ГЛАВА 32. ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 572

321Классификация проводящих высокомолекулярных соединений 572

322Условия электропроводности на молекулярном уровне 572
Макромолекулярная структура 572
Количественные характеристики электропроводящих полимеров 574

323Синтез электропроводящих высокомолекулярных соединений 575
Координационная полимеризация 575
Электрохимическое окисление 575

324Модификация электропроводящих высокомолекулярных соединений 576
Допирование 577
Ориентация в режиме вынужденноэластической деформации 578
Ориентационная кристаллизация 578
Ориентационная кристаллизация в процессе синтеза 581

325Условия электропроводности на надмолекулярном уровне 582

326Применение электропроводящих материалов 582

ПРИЛОЖЕНИЯ 586

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 587

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. НАЗВАНИЯ И ФОРМУЛЫ 
ПОЛИМЕРОВ И СОПОЛИМЕРОВ 601

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ОСНОВНЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ВЫРАЖЕНИЯ 620

ПРЕДИСЛОВИЕ

Химия высокомолекулярных соединений является актуальной и перспективной наукой и учебной дисциплиной. Упрощенное название высокомолекулярных 
соединений — полимеры. Непрерывное развитие химии, физики и технологии 
полимерных материалов — каучуков, резин, пластиков в виде волокон, пленок, 
лекарственных средств, искусственных органов и тканей — диктует необходимость 
разработки новых учебных изданий. Автором накоплен опыт создания, публикации и апробирования учебных книг по полимерам как в полиграфическом исполнении, так и в электронном интерактивном. В этом учебном пособии сосредоточены все разделы химии высокомолекулярных соединений: история, классификация, 
номенклатура, структура, растворы, синтез и модификация полимеров, а также 
современные полимерные материалы. Учебное пособие соответствует действующим типовым учебным программам по дисциплине «Высокомолекулярные соединения».
Книга основана на оригинальных лекциях, которые автор проводит в Белорусском государственном университете свыше 30 лет аудиторно, а в последние 
годы — и дистанционно с привлечением информационно­коммуникационных 
технологий. Учебное пособие включает материал, требуемый для подготовки ко 
всем видам учебных занятий: лекциям, семинарам, коллоквиумам, контролируемой самостоятельной работе, лабораторному практикуму. Это издание содержит 
информацию, необходимую для обучения не только дисциплине «Высокомолекулярные соединения», но и другим дисциплинам: «Модификация полимеров», 
«Современные полимерные материалы», «Материалы медицинского назначения». 
Дисциплины, посвященные полимерам, востребованы в процессе обучения по 
ряду химических и химико­технологических специальностей для разных образовательных профилей: естественные науки, экологические науки, техника и технологии, здравоохранение. Большинство химиков, ученых, инженеров и технологов, а также экологи и медики работают с полимерами непосредственно, поскольку полимеры — основа материальной жизни (организма человека и животных, растений, пищи, одежды, жилья) и техники (самолетов, морских судов, 
автомобилей, компьютеров, телефонов, роботов), новейших достижений, например: вакцин, искусственных глазных хрусталиков, суставов, носовых обтекателей 
ракет и т.д. Соответственно дисциплина «Высокомолекулярные соединения» 
является одним из ключевых курсов в системе естественно­научного образования.
Дисциплина «Высокомолекулярные соединения» завершает химическое образование и предполагает знание основных базовых курсов химии. Настоящая 
книга представляет собой организацию знаний, разнесенных по разным дисци

Предисловие

плинам, в единую систему и картину реальности — междисциплинарную систему 
наук, где стираются четкие границы между органической, физической, коллоидной химией, биохимией и химией высокомолекулярных соединений. Например, 
известный даже школьникам процесс вулканизации — превращение каучука в резину — протекает путем сшивания длинных молекул полимера в единую сетку. 
Изобретение запатентовано еще в первой половине XIX в. и зачастую воспринимается обучающимися как нечто старозаветное, сложное и относящееся исключительно к материалам технического назначения. Между тем аналогичные реакции — сшивание белков — протекают также в живых организмах и являются одной 
из причин развития различных патологий и старения, т. е. процессов, которые 
затрагивают всех.
В настоящем издании сконцентрирована информация, структурированная как 
совокупность строгих причинно­следственных связей. Сформулированы и выделены по тексту специальным знаком определения всех основных терминов химии 
и физики полимеров. Приведены биографические экскурсы, которые отражают 
становление открытий, изобретений в реалиях исторической и политической 
обстановки, помогают понять логику развития дисциплины, обучают методологии 
научных исследований. Указаны критерии классификации соединений и процессов, диктующие четкий план повествования.
Книга разбита на разделы, состоящие из глав. Главы разбиты на параграфы 
с теоретическим материалом. Каждая глава содержит список цитируемой литературы. С целью систематизации и концентрирования знаний созданы приложения:

 
ϗ «Словарь терминов»;

 
ϗ «Названия и формулы полимеров и сополимеров»;

 
ϗ «Основные математические выражения».
Принцип изложения материала состоит в последовательном переходе от общих 
понятий, классификации и номенклатуры к рассмотрению механизма синтеза, 
строения и свойств полимеров. Задача — научить базовым законам получения 
и структурирования высокомолекулярных соединений, руководствуясь которыми 
можно выполнить синтез и прогнозировать строение, свойства и применение 
конкретных полимеров. Текстовый учебный материал конкретизирован большим 
количеством строго и единообразно выполненных математических и химических 
формул — с фиксацией валентных углов, длин связей, конформаций.
Особенностью данного учебного пособия является привлечение к изложению 
учебного материала патентов — документов, удостоверяющих официальное признание научно­технического решения изобретением. Патент включает так называемую формулу изобретения, описание изобретения, примеры воплощения. Как 
правило, патенты не раскрывают или раскрывают не полностью суть решения 
(ноу­хау) и редко содержат явное указание на законы, явления, а также химические 
реакции, посредством которых достигнут успех в решении конкретной проблемы. 
В настоящем издании изложена суть каждого патента в форме авторского аналитического обзора научно­технического решения. Смысл анализа патента — найти 
те законы, явления, реакции, которые обусловили ключ к решению проблемы. 
Выявленные и указанные в обзорах научные закономерности, обеспечившие 
успех в решении определенной современной задачи, позволяют обучающемуся 

Предисловие

оценить практическую значимость, живую связь фундаментальных дисциплин 
и современных разработок. Описания научно­технических решений включают 
текст, уравнения химических реакций и оригинальные авторские рисунки, созданные по принципу «одна картинка стоит многих тысяч слов».
В книге представлена сравнительно новая, научно доказанная информация. 
Например, главы 26 и 27 содержат описание экологически приемлемых, «зеленых» 
технологий синтеза высокомолекулярных соединений в среде ионных жидкостей, 
в том числе синтеза биоразлагаемых полимеров. В главах 28 — 30 приведена информация о практически значимых реакциях деструкции, гетерополимеризации, 
а также интерполимерных реакциях, в том числе востребованных для решения 
экологических и биотехнологических проблем, включая производство вакцин. 
Последний раздел содержит новые знания о современных полимерных материалах, 
например о наночастицах, каждая из которых представляет собой одну полимерную молекулу. Полимерная молекула сферически симметричной структуры способна служить контейнером для доставки лекарственных веществ и проникать 
через стенки сосудов в ткани, внутрь клетки, а также через мембраны в компоненты клетки.
Благодарю высококвалифицированного специалиста в области информационных технологий Е. В. Макаренко за корректировку математического вывода 
функции распределения расстояний между концами свободно сочлененных цепей 
(глава 8), а главное — за программирование, верстку, набор и форматирование 
математических формул и химических структур, создание приложений и художественное оформление этого издания.

М. В. Шишонок

N

O

O

O
O

N

O

O
n

Р а з д е л I.  ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

i
à ë à â à 1.  Èñòîðèÿ õèìèè 
âûñîêîìîëåêóëÿðíûõ ñîåäèíåíèé

i
à ë à â à 2.  Ïîëèìåðíûå è îëèãîìåðíûå ñîåäèíåíèÿ

Гл а в а 1.  ИСТОРИЯ ХИМИИ 
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

1.1. ЗНАЧИМОСТЬ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Высокомолекулярные соединения состоят из молекул сложного строения, 
называемых макромолекулами.
Задолго до возникновения идеи о макромолекуле химия сложилась как наука 
о превращениях низкомолекулярных соединений, которые сравнительно легко исследовать. 
Для относительно «юной» химии высокомолекулярных соединений ниша 
в структуре уже сформировавшейся химической науки нашлась отнюдь не сразу. 
В результате даже в наше время школьники, а также студенты некоторых колледжей 
и вузов часто обладают разрозненной, несистематизированной информацией 
о полимерах. Полимер — упрощенное называние высокомолекулярного соединения.
Парадоксально, но общепризнанная практическая значимость полимерных 
материалов — волокон, пленок, мембран, каучуков, резин, пластмасс, клеев и лаков — 
несколько скомпрометировала науку о высокомолекулярных соединениях. 
Дело в том, что еще до Аристотеля ученые выдвинули тезис: «Наука должна цениться 
тем выше, чем меньше пользы она приносит» [1].
Польза высокомолекулярных соединений неоспорима. Они составляют основу 
жизни. Пища (мясо, яйца, овощи, фрукты, злаки) содержит полипептиды (белки) 
и полисахариды (гликаны), в частности амилозу, целлюлозу:

N

H
O

n

R
H

O

H

H

HO

H

OH
H

OH

O

n

H
O

H

H

HO

H

H

OH
H

O

OH

n

полипептид (R — боковая 
группа аминокислотного 
остатка)

амилоза
целлюлоза

Покровы (верхние наружные слои) — шерсть и кожа — состоят из белков. Основным 
белком шерсти и волос является кератин. Цепи кератина образуются 
в результате поликонденсации примерно 20 α-аминокислот. Около 67 % составляют 
остатки глицина (Gly), лейцина (Leu), изолейцина (Ile), пролина (Pro), цистина (
Cys), аргинина (Arg), глутаминовой (Glu) и аспарагиновой (Asp) кислот:

Глава 1. История химии высокомолекулярных соединений

Arg

N

N

N

N

R

O

H
O

H

R

O

H
O

N

H

Ile

y

S

S

x

O
H

Gly

N

N
N

N

N

O

R

H

H
O
H

N

H

NH2

N

H

y

O

H

R

O

H
O

O

HO

x

Cys
Asp

фрагмент цепи кератина (R — боковая группа аминокислотного остатка)

Наличие в цепях как кислотных, так и основных боковых групп обусловливает 
амфотерность кератина.
Растения (хлопок, лен и др.) состоят из целлюлозы и лигнина. Целлюлоза 
и лигнин древесины — основа экологичного жилья.

HO

O

O

O

O
HO

O
O

HO
O

O

OH

OH

O

OH

O

O

OH

O

O

OH

HO
O

HO
O

O

O

HO

O

HO

O

OH

O

HO

OH

OH

O
HO

OH

O

O
O

O

HO

OH

O

OH

O
HO

фрагмент макромолекулы лигнина льняного луба

Раздел I. Общие представления о высокомолекулярных соединениях

В печени, почках, сердце, мышцах, легких, оболочке тонкого кишечника содержится 
гепарин:

O

HO

NH
O

S
OH

O

O

S

OH

O

O

O

HO

OH

O
HO

O

NH

S
HO

O

O

HO
O

O

S

HO

O

O

O

O

фрагмент цепи гепарина

Гепарин является частью физиологической антисвертывающей системы крови, 
т. е. естественным противосвертывающим веществом животного организма.
Генетическая информация записывается и хранится в полинуклеотиде — 
дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК):

O

O

O

O

P

O
O

O

O

P

O
O

O

O

NH

O

O

O

O

P

O
O

O

NH

N

N

O

NH2
N

N

N

NH2

O
N

N

N

N

NH2

N

P
O
O

O

дезоксирибонуклеиновая кислота

Глава 1. История химии высокомолекулярных соединений

Природные высокомолекулярные соединения составляют около 90 % сухой 
массы клеток.
Реакции природных высокомолекулярных соединений приводят к формированию 
вирусов, растительных тканей.
Австралийский ученый Ч. Вакрамасингхе обнаружил органический полимер — 
полиэтиленоксид — в облаках межзвездной пыли [2]; в межзвездном пространстве 
выявлен также полимер полиацетилен:

O

n
n

полиэтиленоксид
полиацетилен

Итак, высокомолекулярные соединения — одна из основных форм существования 
материи во Вселенной.

1.2. МАКРОМОЛЕКУЛЫ

При изучении химии и физики полимеров необходимо прежде всего понять, 
что составляет основу, т. е. структурную единицу, высокомолекулярных соединений. 
Что объединяет все эти различные вещества, из которых состоят вирусы, 
клетки, мышцы, волосы, кожа, кровь и из которых производят синтетические 
пластики, клеи, резины, в единый класс?
Сходство заложено в структуре полимерных молекул.

Цепное строение

Научные представления о структуре молекул полимера ввел Штаудингер.

Штаудингер Герман /Staudinger Hermann/ (1881 – 1965) — немецкий 
химик. Родился в Вормсе. Химией занялся по совету отца, профессора 
философии. После окончания гимназии учился в университете 
в Галле (1898), Высшей технической школе в Дармштадте (1899) 
и Мюнхенском университете (1900) [3].
Степень доктора философии присуждена Штаудингеру в 22 года 
(университет в Галле). С 1903 по 1907 он работал в должности ассистента 
в Страсбургском университете. Сотрудничал с профессором Фридрихом 
Карлом Иоганнесом Тиле — ведущим ученым в области химии 
ненасыщенных органических соединений. В 1905 Штаудингер открыл 
новый класс органических соединений — кетены, синтезировав дифе-
нилкетен [3]. Результаты научных исследований и открытие принесли ему известность, и уже 
в 26 лет он получил право преподавать.
В 1908 – 1912 Штаудингер — экстраординарный профессор (в современном толковании — 
доцент) Высшей технической школы в Карлсруэ, где работал с известным химиком 
Карлом Энглером, специалистом в области химической технологии. Энглер являлся консультантом 
Баденской анилиновой и содовой фабрики (BASF) — крупной химической корпорации 
Германии. BASF интересовалась получением каучука, поскольку цены на природный