Полиэлектролит - Polyelectrolyte

Химические структуры двух синтетических полиэлектролитов в качестве примеров. Слева находится поли (стиролсульфонат натрия) (PSS), а справа - полиакриловая кислота (PAA). Оба являются отрицательно заряженными полиэлектролитами при диссоциации. PSS - это «сильный» полиэлектролит (полностью заряженный в растворе), тогда как PAA - «слабый» (частично заряженный).

Полиэлектролиты находятся полимеры чьи повторяющиеся единицы несут электролит группа. Поликатионы и полианионы полиэлектролиты. Эти группы диссоциировать в водный растворы (вода), в результате чего полимеры заряжен. Таким образом, свойства полиэлектролита аналогичны свойствам обоих электролитов (соли ) и полимеры (с высоким молекулярный вес соединения) и иногда их называют полисоли. Как и соли, их растворы электропроводны. Как и полимеры, их растворы часто вязкий. Заряженные молекулярные цепи, обычно присутствующие в системах мягкой материи, играют фундаментальную роль в определении структуры, стабильности и взаимодействий различных молекулярных ансамблей. Теоретические подходы[1] для описания их статистических свойств существенно отличаются от свойств их электрически нейтральных аналогов, в то время как технологические и промышленные области используют их уникальные свойства. Многие биологические молекулы представляют собой полиэлектролиты. Например, полипептиды, гликозаминогликаны и ДНК полиэлектролиты. Как природные, так и синтетические полиэлектролиты используются в различных отраслях промышленности.

ИЮПАК определение
Полиэлектролит: Полимер, состоящий из макромолекул, в которых значительная часть структурных единиц содержит ионные или ионизируемые группы, или и то, и другое.[2]

Примечания:

  1. Термины полиэлектролит, полимерный электролит и полимерный электролит не следует путать с термином твердый полимерный электролит.
  2. Полиэлектролиты могут быть синтетическими или натуральными. Нуклеиновые кислоты, белки, тейхоевые кислоты, некоторые полипептиды и некоторые полисахариды являются примерами природных полиэлектролитов.

Обвинять

Кислоты классифицируются как слабый или же сильный (и базы аналогично может быть либо слабый или же сильный ). Аналогично полиэлектролиты можно разделить на «слабые» и «сильные». «Сильный» полиэлектролит - это такой полиэлектролит, который полностью диссоциирует в растворе для наиболее разумного pH значения. «Слабый» полиэлектролит, напротив, имеет константа диссоциации (pKa или pKb) в диапазоне от ~ 2 до ~ 10, что означает, что он будет частично диссоциировать при промежуточном pH. Таким образом, слабые полиэлектролиты не полностью заряжены в растворе, и, более того, их фракционный заряд может быть изменен путем изменения pH раствора, концентрации противоионов или ионной силы.

Эта степень заряда обычно сильно влияет на физические свойства растворов полиэлектролитов. Поскольку при диссоциации полиэлектролита высвобождаются противоионы, это обязательно влияет на ионная сила, и поэтому Длина Дебая. Это, в свою очередь, влияет на другие свойства, такие как электрическая проводимость.

Когда растворы двух противоположно заряженных полимеров (то есть раствор поликатион и один из полианион) смешаны, насыпной комплекс (осадок ) обычно формируется. Это происходит потому, что противоположно заряженные полимеры притягиваются друг к другу и связываются вместе.

Конформация

На конформацию любого полимера влияет ряд факторов: особенно архитектура полимера и сродство к растворителю. В случае полиэлектролитов заряд также имеет значение. В то время как незаряженная линейная полимерная цепь обычно находится в растворе в случайной конформации (близко аппроксимирующей самоизбегающую трехмерную случайная прогулка ), заряды на линейной цепи полиэлектролита будут отталкиваться друг от друга через силы двойного слоя, что заставляет цепь принимать более расширенную форму жестких стержней. Если раствор содержит большое количество добавленной соли, заряды будут экранированы, и, следовательно, полиэлектролитная цепь схлопнется до более традиционной конформации (по существу идентичной нейтральной цепи в хорошем состоянии). растворитель ).

Полимер конформация конечно влияет на многие объемные свойства (такие как вязкость, мутность, так далее.). Хотя статистическая конформация полиэлектролитов может быть определена с использованием вариантов традиционной теории полимеров, в целом, правильное моделирование полиэлектролитных цепей требует значительных вычислительных затрат из-за дальнодействующего характера электростатического взаимодействия. статическое рассеяние света может быть использован для изучения конформации полиэлектролитов и конформационных изменений.

Полиамфолиты

Полиэлектролиты, содержащие как катионные, так и анионные повторяющиеся группы, называются полиамфолиты. Конкуренция между кислотно-основным равновесием этих групп приводит к дополнительным осложнениям в их физическом поведении. Эти полимеры обычно растворяются только при добавлении достаточного количества соли, которая экранирует взаимодействия между противоположно заряженными сегментами. В случае амфотерных макропористых гидрогелей действие концентрированного солевого раствора не приводит к растворению полиамфолитного материала из-за ковалентного сшивания макромолекул. Синтетические трехмерные макропористые гидрогели демонстрируют превосходную способность адсорбировать ионы тяжелых металлов в широком диапазоне pH из чрезвычайно разбавленных водных растворов, которые впоследствии могут быть использованы в качестве адсорбента для очистки соленой воды.[3][4] Все белки полиамфолиты, так как некоторые аминокислоты имеют тенденцию быть кислыми, а другие - щелочными.

ИЮПАК определение
Амфолитический полимер: Полиэлектролит, состоящий из макромолекул, содержащих как катионные, так и анионные группы, или соответствующую ионизируемую группу.

Примечание:

  • Амфолитический полимер, в котором ионные группы противоположного знака включены в одни и те же боковые группы, называют, в зависимости от структуры боковых групп, a цвиттерионный полимер, внутренняя полимерная соль или полибетаин.

Приложения

Полиэлектролиты имеют множество применений, в основном связанных с изменением свойств текучести и стабильности водных растворов и гели. Например, их можно использовать для дестабилизации коллоидная суспензия и инициировать флокуляция (осадки). Их также можно использовать для придания поверхностный заряд к нейтральным частицам, позволяя им диспергироваться в водном растворе. Таким образом, они часто используются как загустители, эмульгаторы, кондиционеры, осветлители, и даже тащить редукторы. Они используются в очистка воды и для добыча нефти. Много мыло, шампуни, и косметика включают полиэлектролиты. Кроме того, их добавляют во многие продукты и конкретный смеси (суперпластификатор ). Некоторые из полиэлектролитов, которые появляются на этикетках пищевых продуктов, являются пектин, каррагинан, альгинаты, и карбоксиметилцеллюлоза. Все, кроме последнего, имеют естественное происхождение. Наконец, они используются в различных материалах, включая цемент.

Поскольку некоторые из них растворимы в воде, они также исследуются для биохимических и медицинских применений. В настоящее время проводится много исследований по использованию биосовместимый полиэлектролиты для имплант покрытия, для контролируемого высвобождения лекарств и другие применения. Так, недавно был описан биосовместимый и биоразлагаемый макропористый материал, состоящий из полиэлектролитного комплекса, в котором материал продемонстрировал отличную пролиферацию клеток млекопитающих. [5] и мышцы, как мягкие приводы.

Многослойные

Полиэлектролиты были использованы для создания новых типов материалов, известных как многослойные полиэлектролиты (PEMс). Эти тонкие пленки построены с использованием послойно (Фунт-сила) техника нанесения. Во время осаждения LbL подходящий субстрат для выращивания (обычно заряженный) погружают туда и обратно между разбавленными ваннами с положительно и отрицательно заряженными растворами полиэлектролитов. Во время каждого погружения небольшое количество полиэлектролита адсорбируется, и поверхностный заряд меняет местами, обеспечивая постепенное и контролируемое накопление электростатического заряда. сшитый пленки из поликатионно-полианионных слоев. Ученые продемонстрировали контроль толщины таких пленок вплоть до одного нанометра. Пленки LbL также могут быть построены путем замены заряженных частиц, таких как наночастицы или же глиняные пластинки[6] вместо или в дополнение к одному из полиэлектролитов. Осаждение LbL также было выполнено с использованием водородная связь вместо электростатика. Для получения дополнительной информации о создании многослойных материалов см. адсорбция полиэлектролита.

Формирование 20 слоев многослойного полиэлектролита PSS-PAH, измеренное с помощью многопараметрического поверхностного плазмонного резонанса

Формирование LbL PEM (PSS-PAH (поли (аллиламин) гидрохлорид)) на золотой подложке можно увидеть на фигуре. Формация измеряется с помощью Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс для определения кинетики адсорбции, толщины слоя и оптической плотности.[7]

Основными преимуществами покрытий из ПЭМ являются возможность нанесения соответствующего покрытия на объекты (то есть технология не ограничивается покрытием плоских объектов), экологические преимущества использования процессов на водной основе, разумные затраты и использование определенных химических свойств пленка для дальнейшей модификации, такой как синтез металл или же полупроводник наночастицы, или же пористость фазовые переходы для создания антибликовые покрытия, оптический ставни, и супергидрофобный покрытия.

Мосты

Если полиэлектролитные цепи добавляются к системе заряженных макроионов (то есть к массиву молекул ДНК), возникает интересное явление, называемое полиэлектролитный мостик может произойти.[8] Термин мостиковые взаимодействия обычно применяется к ситуации, когда одна цепь полиэлектролита может адсорбировать к двум (или более) противоположно заряженным макроионам (например, молекуле ДНК), таким образом устанавливая молекулярные мостики и через свою связь, опосредуя притягивающие взаимодействия между ними.

При малых расстояниях между макроионами цепочка сжимается между макроионами, и электростатические эффекты в системе полностью доминируют. стерические эффекты - система эффективно разряжена. По мере увеличения разделения макроионов мы одновременно растягиваем адсорбированную на них полиэлектролитную цепь. Растяжение цепи приводит к упомянутым выше взаимодействиям притяжения из-за ее эластичность резины.

Из-за связности поведение полиэлектролитной цепи почти не похоже на случай ограниченных несвязанных ионов.

Поликислота

В полимер терминология поликислота полиэлектролит, состоящий из макромолекулы содержащий кислота группы на значительной части конституционные единицы Чаще всего кислотными группами являются –COOH, –SO.3H или –PO3ЧАС2.[9]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ де Жен, Пьер-Жиль (1979). Масштабные концепции в физике полимеров. Издательство Корнельского университета. ISBN  0-8014-1203-X.
  2. ^ Hess, M .; Jones, R.G .; Kahovec, J .; Chinaama, T .; Kratochvíl, P .; Кубиса, П .; Морманн, В .; Степто, Р. Ф. Т .; Табак, Д .; Vohlídal, J .; Уилкс, Э. С. (1 января 2006 г.). «Терминология полимеров, содержащих ионизируемые или ионные группы, и полимеров, содержащих ионы (Рекомендации IUPAC 2006 г.)». Чистая и прикладная химия. 78 (11): 2067–2074. Дои:10.1351 / pac200678112067. S2CID  98243251.
  3. ^ Кудайбергенов, С. (2012). «Новые макропористые амфотерные гели: получение и характеристика». Экспресс-полимерные письма. 6 (5): 346–353. Дои:10.3144 / expresspolymlett.2012.38.
  4. ^ Татыханова, Г. С .; Садакбаева, З. К .; Berillo, D .; Галаев, И .; Абдуллин, К. А .; Адилов, З .; Кудайбергенов, С. Э. (2012). «Металлические комплексы амфотерных криогелей на основе аллиламина и метакриловой кислоты». Макромолекулярные симпозиумы. 317–318: 18–27. Дои:10.1002 / масса.201100065.
  5. ^ Berillo, D .; Elowsson, L .; Кирсебом, Х. (2012). «Окисленный декстран как сшивающий агент для хитозановых каркасов криогеля и образование полиэлектролитных комплексов между хитозаном и желатином». Макромолекулярная бионаука. 12 (8): 1090–9. Дои:10.1002 / mabi.201200023. PMID  22674878.
  6. ^ Ли, Гу Су; Ли, Юн-Джо; Юн, Кён Бён (2001). «Послойная сборка кристаллов цеолита на стекле с использованием полиэлектролитов в качестве ионных красок». Журнал Американского химического общества. 123 (40): 9769–79. Дои:10.1021 / ja010517q. PMID  11583538.
  7. ^ Гранквист, Нико; Лян, Хуамин; Лаурила, Тери; Садовски, Януш; Yliperttula, Marjo; Вийтала, Тапани (2013). «Характеристика ультратонких и толстых органических слоев с помощью трехволнового поверхностного плазмонного резонанса и волноводного анализа». Langmuir. 29 (27): 8561–71. Дои:10.1021 / la401084w. PMID  23758623.
  8. ^ Подгорник, Р .; Личер, М. (2006). «Мостиковые полиэлектролитные взаимодействия между заряженными макромолекулами». Текущее мнение в науке о коллоидах и интерфейсах. 11 (5): 273. Дои:10.1016 / j.cocis.2006.08.001.
  9. ^ Hess, M .; Jones, R.G .; Kahovec, J .; Chinaama, T .; Kratochvíl, P .; Кубиса, П .; Морманн, В .; Степто, Р. Ф. Т .; и другие. (2006). «Терминология полимеров, содержащих ионизируемые или ионные группы, и полимеров, содержащих ионы (Рекомендации IUPAC 2006 г.)» (PDF). Чистая и прикладная химия. 78 (11): 2067. Дои:10.1351 / pac200678112067. S2CID  98243251.

внешняя ссылка