【大学の高分子科学】巨大会合体説の否定と高分子説の実証

化学

こんにちはー!今回も化学のお話やっていきます。今回のテーマはこちら!

高分子の存在が当初否定された理由と、その存在がいかにして認められるようになったのか知ろう!
動画はこちら↓

動画で使ったシートはこちら(polymer proof)

それでは参りましょう!

高分子は存在しない!?

まず今でこそ、高分子の存在は当たり前のように思われていますが、こんな風になったの直近100年くらいで、ごく最近のことです。

とは言っても19世紀末にはすでに、人工絹糸ゴム加工などの技術が発展していたので、生活の中に高分子は取り入れられていました。

しかし皆それが巨大な分子であるという事を知らなかったんです。

高分子の存在が考えられなかった理由

当時の化学者たちも、そんな巨大な分子は存在するはずがないと考えていました。

その根拠として挙げられるのがエントロピーです。

ボルツマンの式により、取りうる状態数が多いほどエントロピーは大きくなります。

共有結合がたくさんできてしまうとそれだけ原子の運動が制限されるのでエントロピーは減少します。

エントロピー増大則を考えると、こんな大きな分子が自然にできることは考えられないという事になりました。

巨大会合体説

とは言っても、スチレンを光に光に当てた時に固体ができるなどの現象は当時から知られていたため、これらは低分子同士が共有結合ではない、ある二次的な作用によって会合体を作っているのだろうと考えられました。

例えばイソプレンゴムであれば、イソプレンの2量体が他の2量体との間でp軌道の重なりを作って安定化すると考えられていました。

こういった作用は副原子価と呼びます。

また、セルロースも会合体であると考えられていました。

今見たら相当無理あるような構造ですがこれが水素結合により会合していると信じられていました。

高分子説

そんな中、1926年にドイツの有機化学者だったstaudingerはそれらが会合ではなく、共有結合によってできた1つの巨大分子であると主張します。

これが高分子説です。

当時、staudingerは溶液の粘度と溶質の分子量の関係を調べて、分子量が大きいほど溶液の粘度が高くなるという事を明らかにしました。

そして、1930年には物質の固有粘度が分子量に比例するという関係式を提案しました。

固有粘度とはここにあるような定義で、無限希釈した溶液の粘度が濃度によってどう変わるかという値になります。

なお、この式は後ほど提案されたMark-Houwink-Sakuradaの式の先駆けとなっています。

この式では\(K\)と\(\alpha\)という物質に固有なパラメーターによって固有粘度が表せるという形になっており、実験によってこっちの式のほうが良いことが示されました。

高分子の存在を示唆する実験

ここからは、staudingerが行った高分子説を裏付ける実験についてお話ししていきます。

ポリスチレン会合体説の否定

まず、1つ目はポリスチレンの実験です。

会合体説ではベンゼン環や二重結合同士の相互作用によって大きな構造体になっているという主張でした。

それなら水素を付加したらばらばらになるはずじゃね?ってことで、分子量が同じポリスチレンに水素を付加して得られたポリビニルシクロヘキサンの粘度を調べてみました。

その結果、会合体説で予想されるような顕著な粘度の差は見られず、高分子の存在を示唆することになりました。

でんぷんとセルロース会合体説の否定

続いてでんぷんやセルロースの水素結合による会合体説を否定する実験です。

taudingerはヒドロキシ基を全てアセチル化することでプロトン性水素をなくし、これで重合度が変化するかを調べました。

その結果がこちらの表になります。

\(\bar{M}\)が浸透圧法という方法で得られた平均分子量で、\(\bar{P}\)が\(\bar{M}\)を繰り返し単位の分子量で割った平均重合度になります。

アセチル化する前後で平均重合度を比べてみると多少の差はありますが、会合体説から予想されるような大きな変化は見られませんでした。

このアセチル化が等重合度反応であることは、水素結合による会合の優位性を否定し、共有結合によって繋がった巨大な分子が存在することを証明することにつながりました。

この研究は新たな学術分野である高分子科学の先駆けとして高く評価され、staudingerは1953年ノーベル化学賞を受賞しました。

まとめ

はい、今回の内容はこんなところで、練習問題はありませんので、最後おさらいをやって終わります。

まず、人類は長い歴史の中で、高分子の存在を知らずにゴムや繊維などを使ってきていました。

当時は、エントロピー的な観点でそんな巨大な分子ができるわけがないと考えられていたので、ビニル化合物から固体ができてもそれは会合体であると信じられてきました。

二重結合同士の相互作用や水素結合で会合が起こった結果、大きな分子量に見えるだけというのが会合体説の主張でした。

しかし、1920~1930年にかけてstaudingerが高分子の存在を示唆する実験事実を次々と報告したことで、化学者たちも高分子の存在を認めざるを得ないことになりました。

という事で今回の内容は以上です。それではどうもありがとうございました。

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