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高分子(こうぶんし)または高分子化合物(こうぶんしかごうぶつ)とは、非常に多数の原子が共有結合してできる巨大分子 (macromolecule) のことである。重合体(ポリマー、polymer)は巨大分子の一種であるが、一般に高分子と言われたときは重合体 (polymer)のことを指す。明確な定義はないが、一般に巨大分子 (macromolecule)は「大きな分子、あるいはその集合体」を指す広範な概念であり、重合体 (polymer)は「単量体 (monomer) の繰り返し構造を持つ大きな分子」を意味する。

◆ 解説

一般的に原子の数が千個程度以上、あるいは分子量が1万程度以上のものは高分子と見なされ、それ以下のものはオリゴマーと呼ばれる。多数の原子を共有結合で連結できる能力をもった元素が骨格(主鎖)となるが、それらは主に炭素やケイ素、酸素などに限られる。しかしほとんどの高分子の主な骨格は炭素を主とした有機化合物であり、炭素以外のものを骨格に持つものは無機高分子と呼ばれる。

高分子は低分子とは異なる特徴的な性質を持ち、特に固体や溶液の力学的、熱力学的特性は低分子のそれとは大きく異なっている。それゆえ高分子物理学、高分子化学といった広範な学問体系を形成するに至る。

◆ 高分子の分類

・有機高分子(主に炭素を骨格とする)

  ・天然高分子(生体高分子) - タンパク質、核酸、脂質、多糖類(セルロース、デンプンなど)、天然ゴム

  ・合成高分子 - 合成樹脂(プラスチック)(ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、フェノール樹脂など)、シリコン樹脂(シリコンゴム、シリコンオイル)、合成繊維(ナイロン、ビニロン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタラートなど)、合成ゴム

・無機高分子(ケイ素などを骨格とする)

  ・天然高分子 - 二酸化ケイ素(水晶、石英)、雲母、長石、石綿

  ・合成高分子 - ガラス、合成ルビー

◆ 合成法

分子内にあらかじめ反応点を2つ以上持たせておく方法と、反応中に活性点を連鎖的に発生させる方法がある。

・縮合重合

・開環重合

・付加重合

  ・配位重合(遷移金属錯体による重合)

  ・ラジカル重合

  ・イオン重合

    ・カチオン重合

    ・アニオン重合

◆ 構造

高分子は、単量体(モノマー)がいくつもつながることでできており、単量体同士が結合することを「重合する」と言う。そして単量体が重合してできたものを重合体(ポリマー)と呼ぶ。

1種類の単量体の重合によってできた高分子を単独重合体(ホモポリマー)といい、2種類以上の異なった単量体の重合(共重合)によってできた高分子を共重合体(コポリマー)という。

◇ 位置規則性

単量体がアルケンであるビニル重合では、頭-尾結合 (head to tail) と頭-頭結合 (head to head) の2通りの結合様式が、置換基の立体障害や電子的特性に応じて生じる。これを位置規則性という。一方ラクトンや環状エーテルなどのや環状化合物を単量体とする開環重合では、開裂が起こる場所によって頭-尾結合と頭-頭結合の起こる割合も変わる。

◇ 立体規則性

プロピレン等の重合において、重合することによってできた四級炭素は不斉炭素原子であり、重合法によってはこの不斉炭素の絶対配置に規則性が現れる。これを立体規則性(タクティシティー、tacticity)という。すべての不斉炭素が同じ絶対配置を持つような構造をイソタクチック(アイソタクチック)といい、絶対配置が交互に並ぶものをシンジオタクチックという。また、全くランダムになった構造をアタクチックという。立体規則性はNMRを用いることで評価ができる。

チーグラー・ナッタ触媒によって合成されたポリプロピレンはイソタクチックであるが、通常のラジカル重合で合成したポリプロピレンはアタクチック構造である。

◇ 幾何異性体

ジエン系モノマーの重合では、1,2-構造、シス 1,4-構造、トランス 1,4-構造といった異性体構造が生じる。

◇ 共重合体の構造

共重合体には、ランダム共重合体(―ABBABBBAAABA―)、交互共重合体(―ABABABABABAB―)、周期的共重合体(―AAABBAAABBAAA―)、ブロック共重合体(―AAAAAABBBBBB―)、の4種類の構造がある。

また、ブロック共重合体の一種にグラフト共重合体と呼ばれるものがあり、これは幹となる高分子鎖に、異種の枝高分子鎖が結合した枝分かれ構造をしている。

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