IChO 2010 · Theory problem 8
Polycondensation and the degree of polymerization
The esterification reaction between bi-functional molecules gives one of the typical linear chain polymers, as shown in equation (1), by polycondensation (often called “condensation polymerization”). The control of polymerization conditions and procedures determines the length of polymer strands, i. e. the average degree of polymerization, \(X\) (note that \(X=2n\) in the present instance). Because \(X\) (and also \(n\)) is an averaged number, it is not always an integer but a value with decimal figures.

\(X\) can be estimated from the consumption of functional groups (here, \(\ce{-COOH}\) and \(\ce{-OH}\)). Let us define the degree of reaction, \(p\), as \(p=(N_0-N)/N_0\;(\leq 1)\), where \(N_0\) and \(N\) denote the total numbers of functional groups before and after the polymerization, respectively. For each functional group of the dicarboxylic acid molecules (A) and diol molecules (B), we add the suffixes of “A” or “B” such as \(N_{\mathrm{A}0}\), \(N_{\mathrm{B}0}\), \(N_{\mathrm A}\) or \(N_{\mathrm B}\), respectively, i. e. \(N_0=N_{\mathrm{A}0}+N_{\mathrm{B}0}\) and \(N=N_{\mathrm A}+N_{\mathrm B}\). When the initial feed is unbalanced such as \(N_{\mathrm{A}0}\leq N_{\mathrm{B}0}\), \(X\) is expressed by \(p_{\mathrm A}\) and \(r\) as shown in equation 2, where \(r=N_{\mathrm{A}0}/N_{\mathrm{B}0}\;(\leq 1)\) and \(p_{\mathrm A}=(N_{\mathrm{A}0}-N_{\mathrm A})/N_{\mathrm{A}0}\). If \(r=1\), \(p_{\mathrm A}\) is identical to \(p\) and equation 2 becomes the same to the Carothers equation.
\[ X=\frac{1+r}{1+r-2p_{\mathrm A}r} \tag{2} \]
Some nylon-6,6 sample was prepared by polycondensation between an equimolar mixture of adipic acid (hexanedioic acid) and hexamethylenediamine (hexane-1,6-diamine).
8.1 Show the chemical structure of this nylon-6,6 sample.
[Caution: What are the end groups when polycondensation was started from the equimolar mixture?]
8.2 When an average molar weight, \(M\), of this nylon-6,6 sample is \(5507.25\;(\mathrm{g\,mol^{-1}})\), calculate its \(X\) value to the second decimal place.
8.3 Give the \(p\) value to the fifth decimal place that is necessary to prepare the above nylon-6,6 sample. If you get no numerical answer in 8.2 use the value 52.50 instead.
The low-molecular-weight polyester (oligoester) is prepared from the mixture of 36.54 g of adipic acid (hexanedioic acid) and an unknown amount [\(W\) (g)] of butane-1,4-diol (Bdiol). Under the condition of \(p_{\mathrm A}\to 1\), the oligoester with \(X=11.00\) carrying Bdiol units in both chain ends, is obtained.
8.4 Show the precise chemical structure of this oligoester of \(X=11.00\).
8.5 Calculate the unknown amount, \(W\) (g), to the first decimal place.
Official English text of the problem.
Answers
- 8.1: Nylon-6,6, represented by
\[
\boxed{\ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H}},
\]
with carboxyl and amino end groups. Repeat-fragment SMILES:
[*]C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN[*]; the full-chain construction is specified below. - 8.2: \(\boxed{X=48.50}\), using the atomic-weight convention stated below.
- 8.3: \(\boxed{p=0.97938}\).
- 8.4: Hydroxyl-terminated oligo(butylene adipate), containing five adipate residues and six butane-1,4-diol residues. Exact 11-unit-chain SMILES:
OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCO. - 8.5: \(\boxed{W=27.0\ \mathrm g}\).
Solution
For the numerical calculations, use the two-decimal atomic weights \[ A_r(\ce C)=12.01,\qquad A_r(\ce H)=1.01,\qquad A_r(\ce N)=14.01,\qquad A_r(\ce O)=16.00. \]
8.1
The monomers are:
- Adipic acid (hexanedioic acid), \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\), SMILES
O=C(O)CCCCC(=O)O. - Hexamethylenediamine (hexane-1,6-diamine), \(\ce{H2N(CH2)6NH2}\), SMILES
NCCCCCCN.
A carboxyl group and an amino group condense to form an amide linkage, releasing water, \(\ce{H2O}\), SMILES O. Connecting \(n\) molecules of each monomer into one linear chain requires \(2n-1\) amide bonds. The balanced equation is
\[ n\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +n\,\ce{H2N(CH2)6NH2} \longrightarrow \ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H} +(2n-1)\,\ce{H2O}. \]
Thus, the requested representative nylon-6,6 chain has one terminal \(\ce{-COOH}\) group and one terminal \(\ce{-NH2}\) group. Its repeating connectivity is
\[ \ce{-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-NH-(CH2)6-NH-}. \]
In the repeat-fragment SMILES given above, [*] marks attachment to adjacent units. For any positive integer \(n\), a full-chain SMILES with the displayed end groups is constructed by writing O followed by \(n\) consecutive copies of C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN. A single ordinary molecular SMILES cannot encode a distribution of chain lengths or a noninteger average \(n\).
Strictly, an equimolar feed ensures equal total numbers of residual carboxyl and amino groups throughout the sample. It does not require every individual chain to have unlike end groups; the displayed chain represents the balanced composition.
8.2
The monomer and water molar masses are
\[ \begin{aligned} M_{\text{adipic acid}} &=6(12.01)+10(1.01)+4(16.00) =146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{diamine}} &=6(12.01)+16(1.01)+2(14.01) =116.24\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{water}} &=2(1.01)+16.00 =18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Using the balanced condensation equation,
\[ \begin{aligned} M &=n(146.16)+n(116.24)-(2n-1)(18.02)\\ &=226.36n+18.02 \qquad(\mathrm{g\,mol^{-1}}). \end{aligned} \]
The \(18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) term accounts for the chain ends. Hence,
\[ n=\frac{5507.25-18.02}{226.36}=24.25. \]
Because \(X\) counts the residues of both monomers,
\[ \boxed{X=2n=48.50}. \]
The noninteger \(n\) is an average, as specified in the problem.
8.3
For the equimolar mixture, \(r=1\) and \(p_{\mathrm A}=p\). Equation (2) gives
\[ X=\frac{2}{2-2p}=\frac{1}{1-p}. \]
Therefore,
\[ p=1-\frac1X =1-\frac1{48.50} =0.979381443\ldots, \]
so, to five decimal places,
\[ \boxed{p=0.97938}. \]
8.4
The diol is butane-1,4-diol, \(\ce{HO(CH2)4OH}\), SMILES OCCCCO.
In the limit \(p_{\mathrm A}\to1\), all carboxyl groups are esterified. A linear chain ending in diol residues must alternate as
\[ B-A-B-A-\cdots-A-B. \]
If it contains \(a\) acid residues and \(b\) diol residues, then
\[ b=a+1,\qquad a+b=11. \]
Consequently,
\[ a=5,\qquad b=6. \]
The precise requested 11-unit structure is therefore
\[ \boxed{ \ce{HO-(CH2)4-[O-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-O-(CH2)4]5-OH} }. \]
This hydroxyl-terminated oligo(butylene adipate) has five adipate residues alternating with six diol residues. Both ends are \(\ce{-CH2OH}\), and all ten carboxyl groups have become ester groups. Its full SMILES is given in Answers 8.4.
The balanced condensation equation is
\[ \begin{aligned} &5\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +6\,\ce{HO(CH2)4OH}\\ &\quad\longrightarrow \ce{HO-(CH2)4-[OCO(CH2)4COO(CH2)4]5-OH} +10\,\ce{H2O}. \end{aligned} \]
The product has molecular formula \(\ce{C54H90O22}\). Since \(X\) is an average, the sample may contain different chain lengths; the structure above is the requested 11-unit representative.
8.5
Both monomers are bifunctional, so their initial functional-group ratio equals their molar ratio:
\[ r=\frac{N_{\mathrm{A}0}}{N_{\mathrm{B}0}} =\frac{n_{\text{acid}}}{n_{\text{diol}}}. \]
At \(p_{\mathrm A}\to1\),
\[ 11.00=\frac{1+r}{1-r}, \]
which gives
\[ r=\frac{11-1}{11+1}=\frac56. \]
The amount of adipic acid is
\[ n_{\text{acid}} =\frac{36.54\ \mathrm g}{146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.2500\ \mathrm{mol}. \]
Therefore,
\[ n_{\text{diol}}=\frac65(0.2500)=0.3000\ \mathrm{mol}. \]
For butane-1,4-diol,
\[ M_{\text{diol}} =4(12.01)+10(1.01)+2(16.00) =90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Thus,
\[ W=(0.3000\ \mathrm{mol})(90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =27.042\ \mathrm g, \]
and to one decimal place,
\[ \boxed{W=27.0\ \mathrm g}. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 2010 · Theorieaufgabe 8
Polykondensation und Polymerisationsgrad
Die Veresterungsreaktion zwischen bifunktionellen Molekülen liefert durch Polykondensation (oft als „Kondensationspolymerisation“ bezeichnet) eines der typischen linearen Kettenpolymere, wie in Gleichung (1) gezeigt. Durch die Steuerung der Polymerisationsbedingungen und der Verfahrensführung wird die Länge der Polymerketten bestimmt, d. h. der mittlere Polymerisationsgrad \(X\) (beachten Sie, dass im vorliegenden Fall \(X=2n\) gilt). Da \(X\) (und auch \(n\)) ein Mittelwert ist, handelt es sich nicht immer um eine ganze Zahl, sondern gegebenenfalls um einen Wert mit Nachkommastellen.

\(X\) lässt sich anhand des Verbrauchs funktioneller Gruppen (hier \(\ce{-COOH}\) und \(\ce{-OH}\)) abschätzen. Wir definieren den Umsatz \(p\) als \(p=(N_0-N)/N_0\;(\leq 1)\), wobei \(N_0\) und \(N\) die Gesamtzahlen der funktionellen Gruppen vor bzw. nach der Polymerisation bezeichnen. Zur Kennzeichnung der funktionellen Gruppen der Dicarbonsäuremoleküle (A) bzw. der Diolmoleküle (B) verwenden wir die Indizes „A“ bzw. „B“, etwa \(N_{\mathrm{A}0}\), \(N_{\mathrm{B}0}\), \(N_{\mathrm A}\) oder \(N_{\mathrm B}\); somit gilt \(N_0=N_{\mathrm{A}0}+N_{\mathrm{B}0}\) und \(N=N_{\mathrm A}+N_{\mathrm B}\). Liegt im Ausgangsgemisch ein stöchiometrisches Ungleichgewicht vor, beispielsweise \(N_{\mathrm{A}0}\leq N_{\mathrm{B}0}\), so lässt sich \(X\) durch \(p_{\mathrm A}\) und \(r\) ausdrücken, wie in Gleichung 2 gezeigt, wobei \(r=N_{\mathrm{A}0}/N_{\mathrm{B}0}\;(\leq 1)\) und \(p_{\mathrm A}=(N_{\mathrm{A}0}-N_{\mathrm A})/N_{\mathrm{A}0}\) gelten. Für \(r=1\) ist \(p_{\mathrm A}\) identisch mit \(p\), und Gleichung 2 geht in die Carothers-Gleichung über.
\[ X=\frac{1+r}{1+r-2p_{\mathrm A}r} \tag{2} \]
Eine Nylon-6,6-Probe wurde durch Polykondensation eines äquimolaren Gemisches aus Adipinsäure (Hexandisäure) und Hexamethylendiamin (Hexan-1,6-diamin) hergestellt.
8.1 Geben Sie die chemische Struktur dieser Nylon-6,6-Probe an.
[Achtung: Welche Endgruppen liegen vor, wenn die Polykondensation von einem äquimolaren Gemisch ausgeht?]
8.2 Berechnen Sie den \(X\)-Wert dieser Nylon-6,6-Probe auf zwei Nachkommastellen, wenn ihre mittlere molare Masse \(M\) gleich \(5507.25\;(\mathrm{g\,mol^{-1}})\) ist.
8.3 Geben Sie den zur Herstellung der obigen Nylon-6,6-Probe erforderlichen \(p\)-Wert auf fünf Nachkommastellen an. Falls Sie in 8.2 kein numerisches Ergebnis erhalten haben, verwenden Sie stattdessen den Wert 52.50.
Ein niedermolekularer Polyester (Oligoester) wird aus einem Gemisch von 36.54 g Adipinsäure (Hexandisäure) und einer unbekannten Menge [\(W\) (g)] Butan-1,4-diol (Bdiol) hergestellt. Unter der Bedingung \(p_{\mathrm A}\to 1\) wird ein Oligoester mit \(X=11.00\) erhalten, der an beiden Kettenenden Bdiol-Einheiten trägt.
8.4 Geben Sie die genaue chemische Struktur dieses Oligoesters mit \(X=11.00\) an.
8.5 Berechnen Sie die unbekannte Menge \(W\) (g) auf eine Nachkommastelle.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 8.1: Nylon-6,6, dargestellt durch
\[
\boxed{\ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H}},
\]
mit Carboxyl- und Aminoendgruppen. SMILES des Wiederholungsfragments:
[*]C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN[*]; die Konstruktion der vollständigen Kette ist unten angegeben. - 8.2: \(\boxed{X=48.50}\), unter Verwendung der unten angegebenen Konvention für die Atommassen.
- 8.3: \(\boxed{p=0.97938}\).
- 8.4: Hydroxylterminiertes Oligo(butylenadipat), das fünf Adipatreste und sechs Butan-1,4-diol-Reste enthält. Exakte SMILES der Kette aus 11 Einheiten:
OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCO. - 8.5: \(\boxed{W=27.0\ \mathrm g}\).
Lösung
Für die numerischen Berechnungen werden die auf zwei Nachkommastellen angegebenen relativen Atommassen verwendet: \[ A_r(\ce C)=12.01,\qquad A_r(\ce H)=1.01,\qquad A_r(\ce N)=14.01,\qquad A_r(\ce O)=16.00. \]
8.1
Die Monomere sind:
- Adipinsäure (Hexandisäure), \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\), SMILES
O=C(O)CCCCC(=O)O. - Hexamethylendiamin (Hexan-1,6-diamin), \(\ce{H2N(CH2)6NH2}\), SMILES
NCCCCCCN.
Eine Carboxylgruppe und eine Aminogruppe kondensieren unter Bildung einer Amidbindung und Abspaltung von Wasser, \(\ce{H2O}\), SMILES O. Um jeweils \(n\) Moleküle jedes Monomers zu einer linearen Kette zu verknüpfen, sind \(2n-1\) Amidbindungen erforderlich. Die ausgeglichene Reaktionsgleichung lautet
\[ n\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +n\,\ce{H2N(CH2)6NH2} \longrightarrow \ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H} +(2n-1)\,\ce{H2O}. \]
Die gesuchte repräsentative Nylon-6,6-Kette besitzt somit eine endständige \(\ce{-COOH}\)-Gruppe und eine endständige \(\ce{-NH2}\)-Gruppe. Ihre sich wiederholende Bindungsfolge lautet
\[ \ce{-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-NH-(CH2)6-NH-}. \]
In der oben angegebenen SMILES des Wiederholungsfragments kennzeichnet [*] die Verknüpfung mit benachbarten Einheiten. Für jede positive ganze Zahl \(n\) erhält man eine SMILES der vollständigen Kette mit den dargestellten Endgruppen, indem man O schreibt, gefolgt von \(n\) aufeinanderfolgenden Kopien von C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN. Eine einzelne gewöhnliche molekulare SMILES kann weder eine Verteilung von Kettenlängen noch einen nicht ganzzahligen Mittelwert von \(n\) kodieren.
Streng genommen stellt ein äquimolares Ausgangsgemisch sicher, dass in der gesamten Probe die Gesamtzahlen der verbleibenden Carboxyl- und Aminogruppen gleich sind. Daraus folgt nicht, dass jede einzelne Kette unterschiedliche Endgruppen besitzen muss; die dargestellte Kette repräsentiert die stöchiometrisch ausgeglichene Zusammensetzung.
8.2
Die molaren Massen der Monomere und des Wassers sind
\[ \begin{aligned} M_{\text{Adipinsäure}} &=6(12.01)+10(1.01)+4(16.00) =146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{Diamin}} &=6(12.01)+16(1.01)+2(14.01) =116.24\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{Wasser}} &=2(1.01)+16.00 =18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Mit der ausgeglichenen Kondensationsgleichung ergibt sich
\[ \begin{aligned} M &=n(146.16)+n(116.24)-(2n-1)(18.02)\\ &=226.36n+18.02 \qquad(\mathrm{g\,mol^{-1}}). \end{aligned} \]
Der Term \(18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) berücksichtigt die Kettenenden. Somit gilt
\[ n=\frac{5507.25-18.02}{226.36}=24.25. \]
Da \(X\) die Reste beider Monomere zählt, gilt
\[ \boxed{X=2n=48.50}. \]
Das nicht ganzzahlige \(n\) ist ein Mittelwert, wie in der Aufgabenstellung angegeben.
8.3
Für das äquimolare Gemisch gelten \(r=1\) und \(p_{\mathrm A}=p\). Gleichung (2) liefert
\[ X=\frac{2}{2-2p}=\frac{1}{1-p}. \]
Daher gilt
\[ p=1-\frac1X =1-\frac1{48.50} =0.979381443\ldots, \]
also auf fünf Nachkommastellen
\[ \boxed{p=0.97938}. \]
8.4
Das Diol ist Butan-1,4-diol, \(\ce{HO(CH2)4OH}\), SMILES OCCCCO.
Im Grenzfall \(p_{\mathrm A}\to1\) sind alle Carboxylgruppen verestert. Eine lineare Kette, die an beiden Enden Diolreste trägt, muss die folgende alternierende Abfolge aufweisen:
\[ B-A-B-A-\cdots-A-B. \]
Enthält sie \(a\) Säurereste und \(b\) Diolreste, so gilt
\[ b=a+1,\qquad a+b=11. \]
Folglich gilt
\[ a=5,\qquad b=6. \]
Die genaue gesuchte Struktur aus 11 Einheiten lautet daher
\[ \boxed{ \ce{HO-(CH2)4-[O-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-O-(CH2)4]5-OH} }. \]
Dieses hydroxylterminierte Oligo(butylenadipat) besitzt fünf Adipatreste, die sich mit sechs Diolresten abwechseln. Beide Enden sind \(\ce{-CH2OH}\), und alle zehn Carboxylgruppen sind in Estergruppen umgewandelt worden. Seine vollständige SMILES ist unter Antworten 8.4 angegeben.
Die ausgeglichene Kondensationsgleichung lautet
\[ \begin{aligned} &5\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +6\,\ce{HO(CH2)4OH}\\ &\quad\longrightarrow \ce{HO-(CH2)4-[OCO(CH2)4COO(CH2)4]5-OH} +10\,\ce{H2O}. \end{aligned} \]
Das Produkt hat die Summenformel \(\ce{C54H90O22}\). Da \(X\) ein Mittelwert ist, kann die Probe unterschiedliche Kettenlängen enthalten; die obige Struktur ist die gesuchte repräsentative Kette aus 11 Einheiten.
8.5
Beide Monomere sind bifunktionell, sodass das anfängliche Verhältnis ihrer funktionellen Gruppen ihrem Stoffmengenverhältnis entspricht:
\[ r=\frac{N_{\mathrm{A}0}}{N_{\mathrm{B}0}} =\frac{n_{\text{Säure}}}{n_{\text{Diol}}}. \]
Für \(p_{\mathrm A}\to1\) gilt
\[ 11.00=\frac{1+r}{1-r}, \]
woraus folgt:
\[ r=\frac{11-1}{11+1}=\frac56. \]
Die Stoffmenge der Adipinsäure beträgt
\[ n_{\text{Säure}} =\frac{36.54\ \mathrm g}{146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.2500\ \mathrm{mol}. \]
Daher gilt
\[ n_{\text{Diol}}=\frac65(0.2500)=0.3000\ \mathrm{mol}. \]
Für Butan-1,4-diol gilt
\[ M_{\text{Diol}} =4(12.01)+10(1.01)+2(16.00) =90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Somit ergibt sich
\[ W=(0.3000\ \mathrm{mol})(90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =27.042\ \mathrm g, \]
und auf eine Nachkommastelle
\[ \boxed{W=27.0\ \mathrm g}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2010 · Teori sorusu 8
Polikondenzasyon ve polimerleşme derecesi
İki fonksiyonlu moleküller arasındaki esterleşme tepkimesi, denklem (1)'de gösterildiği gibi, polikondenzasyon (genellikle “kondenzasyon polimerleşmesi” olarak adlandırılır) yoluyla tipik doğrusal zincirli polimerlerden birini oluşturur. Polimerleşme koşullarının ve işlemlerinin kontrolü, polimer zincirlerinin uzunluğunu, yani ortalama polimerleşme derecesi \(X\)'i belirler (bu örnekte \(X=2n\) olduğuna dikkat ediniz). \(X\) (ve aynı zamanda \(n\)) ortalama bir sayı olduğundan, her zaman bir tam sayı olmayıp ondalık basamakları olan bir değer olabilir.

\(X\), fonksiyonel grupların (burada \(\ce{-COOH}\) ve \(\ce{-OH}\)) tüketiminden tahmin edilebilir. Tepkime derecesi \(p\)'yi \(p=(N_0-N)/N_0\;(\leq 1)\) olarak tanımlayalım; burada \(N_0\) ve \(N\), sırasıyla polimerleşmeden önceki ve sonraki toplam fonksiyonel grup sayılarını gösterir. Dikarboksilik asit moleküllerinin (A) ve diol moleküllerinin (B) her bir fonksiyonel grubu için sırasıyla “A” veya “B” alt indislerini ekleyerek \(N_{\mathrm{A}0}\), \(N_{\mathrm{B}0}\), \(N_{\mathrm A}\) veya \(N_{\mathrm B}\) gösterimlerini kullanırız; yani \(N_0=N_{\mathrm{A}0}+N_{\mathrm{B}0}\) ve \(N=N_{\mathrm A}+N_{\mathrm B}\) olur. Başlangıç beslemesi, \(N_{\mathrm{A}0}\leq N_{\mathrm{B}0}\) örneğinde olduğu gibi dengesiz olduğunda, \(X\), denklem 2'de gösterildiği üzere \(p_{\mathrm A}\) ve \(r\) cinsinden ifade edilir; burada \(r=N_{\mathrm{A}0}/N_{\mathrm{B}0}\;(\leq 1)\) ve \(p_{\mathrm A}=(N_{\mathrm{A}0}-N_{\mathrm A})/N_{\mathrm{A}0}\)'dır. \(r=1\) ise \(p_{\mathrm A}\), \(p\) ile özdeştir ve denklem 2, Carothers denklemiyle aynı hâle gelir.
\[ X=\frac{1+r}{1+r-2p_{\mathrm A}r} \tag{2} \]
Adipik asit (heksandioik asit) ve heksametilendiaminin (heksan-1,6-diamin) eşmolar karışımının polikondenzasyonuyla bir naylon-6,6 örneği hazırlanmıştır.
8.1 Bu naylon-6,6 örneğinin kimyasal yapısını gösteriniz.
[Dikkat: Polikondenzasyona eşmolar karışımdan başlandığında uç gruplar nelerdir?]
8.2 Bu naylon-6,6 örneğinin ortalama molar kütlesi \(M\), \(5507.25\;(\mathrm{g\,mol^{-1}})\) olduğunda, \(X\) değerini virgülden sonra iki basamağa kadar hesaplayınız.
8.3 Yukarıdaki naylon-6,6 örneğini hazırlamak için gerekli \(p\) değerini virgülden sonra beş basamağa kadar veriniz. 8.2'de sayısal bir cevap bulamadıysanız bunun yerine 52.50 değerini kullanınız.
Düşük molekül kütleli poliester (oligoester), 36.54 g adipik asit (heksandioik asit) ve bilinmeyen miktarda [\(W\) (g)] bütan-1,4-diol (Bdiol) karışımından hazırlanır. \(p_{\mathrm A}\to 1\) koşulunda, her iki zincir ucunda da Bdiol birimleri taşıyan, \(X=11.00\) olan oligoester elde edilir.
8.4 \(X=11.00\) olan bu oligoesterin tam kimyasal yapısını gösteriniz.
8.5 Bilinmeyen miktar \(W\) (g)'yi virgülden sonra bir basamağa kadar hesaplayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 8.1: Naylon-6,6,
\[
\boxed{\ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H}},
\]
ile gösterilir ve karboksil ile amino uç gruplarına sahiptir. Tekrarlanan parçanın SMILES gösterimi:
[*]C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN[*]; tam zincirin nasıl oluşturulduğu aşağıda belirtilmiştir. - 8.2: Aşağıda belirtilen atom ağırlığı kabulü kullanılarak \(\boxed{X=48.50}\).
- 8.3: \(\boxed{p=0.97938}\).
- 8.4: Beş adipat kalıntısı ve altı bütan-1,4-diol kalıntısı içeren, hidroksil uçlu oligo(bütilen adipat). Tam 11 birimli zincirin SMILES gösterimi:
OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCO. - 8.5: \(\boxed{W=27.0\ \mathrm g}\).
Çözüm
Sayısal hesaplamalarda, virgülden sonra iki basamaklı şu atom ağırlıklarını kullanınız: \[ A_r(\ce C)=12.01,\qquad A_r(\ce H)=1.01,\qquad A_r(\ce N)=14.01,\qquad A_r(\ce O)=16.00. \]
8.1
Monomerler şunlardır:
- Adipik asit (heksandioik asit), \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\), SMILES
O=C(O)CCCCC(=O)O. - Heksametilendiamin (heksan-1,6-diamin), \(\ce{H2N(CH2)6NH2}\), SMILES
NCCCCCCN.
Bir karboksil grubu ile bir amino grubu kondenzasyona girerek bir amit bağı oluşturur ve su, \(\ce{H2O}\), SMILES O, açığa çıkarır. Her bir monomerin \(n\) molekülünün tek bir doğrusal zincirde birleştirilmesi için \(2n-1\) amit bağı gerekir. Denkleştirilmiş denklem şöyledir:
\[ n\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +n\,\ce{H2N(CH2)6NH2} \longrightarrow \ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H} +(2n-1)\,\ce{H2O}. \]
Dolayısıyla, istenen temsili naylon-6,6 zincirinin bir ucunda \(\ce{-COOH}\) grubu, diğer ucunda ise \(\ce{-NH2}\) grubu bulunur. Tekrarlanan bağlanma düzeni şöyledir:
\[ \ce{-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-NH-(CH2)6-NH-}. \]
Yukarıda verilen tekrarlanan parçanın SMILES gösteriminde [*], komşu birimlere bağlanma noktalarını belirtir. Herhangi bir pozitif tam sayı \(n\) için, gösterilen uç gruplara sahip tam zincirin SMILES gösterimi, O yazılıp ardından C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN parçasının art arda \(n\) kopyası eklenerek oluşturulur. Tek bir standart moleküler SMILES gösterimi, zincir uzunluklarının dağılımını veya tam sayı olmayan bir ortalama \(n\) değerini kodlayamaz.
Kesin olarak ifade etmek gerekirse, eşmolar bir besleme, örneğin tamamında kalan karboksil ve amino gruplarının toplam sayılarının eşit olmasını sağlar. Bu, her bir zincirin uç gruplarının birbirinden farklı olmasını gerektirmez; gösterilen zincir, dengeli bileşimi temsil eder.
8.2
Monomerlerin ve suyun molar kütleleri şöyledir:
\[ \begin{aligned} M_{\text{adipik asit}} &=6(12.01)+10(1.01)+4(16.00) =146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{diamin}} &=6(12.01)+16(1.01)+2(14.01) =116.24\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{su}} &=2(1.01)+16.00 =18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Denkleştirilmiş kondenzasyon denklemi kullanılarak,
\[ \begin{aligned} M &=n(146.16)+n(116.24)-(2n-1)(18.02)\\ &=226.36n+18.02 \qquad(\mathrm{g\,mol^{-1}}). \end{aligned} \]
\(18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) terimi, zincir uçlarının katkısını hesaba katar. Dolayısıyla,
\[ n=\frac{5507.25-18.02}{226.36}=24.25. \]
\(X\), her iki monomerin kalıntılarını da saydığından,
\[ \boxed{X=2n=48.50}. \]
Tam sayı olmayan \(n\), soruda belirtildiği gibi bir ortalamadır.
8.3
Eşmolar karışım için \(r=1\) ve \(p_{\mathrm A}=p\)'dir. Denklem (2) şu sonucu verir:
\[ X=\frac{2}{2-2p}=\frac{1}{1-p}. \]
Bu nedenle,
\[ p=1-\frac1X =1-\frac1{48.50} =0.979381443\ldots, \]
böylece, virgülden sonra beş basamakla,
\[ \boxed{p=0.97938}. \]
8.4
Diol, bütan-1,4-diol, \(\ce{HO(CH2)4OH}\), SMILES OCCCCO, bileşiğidir.
\(p_{\mathrm A}\to1\) limitinde tüm karboksil grupları esterleşmiştir. Diol kalıntılarıyla sonlanan doğrusal bir zincirde birimler şu şekilde dönüşümlü sıralanmalıdır:
\[ B-A-B-A-\cdots-A-B. \]
Zincir \(a\) asit kalıntısı ve \(b\) diol kalıntısı içeriyorsa,
\[ b=a+1,\qquad a+b=11. \]
Bunun sonucunda,
\[ a=5,\qquad b=6. \]
Dolayısıyla, istenen 11 birimli yapının tam gösterimi şöyledir:
\[ \boxed{ \ce{HO-(CH2)4-[O-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-O-(CH2)4]5-OH} }. \]
Bu hidroksil uçlu oligo(bütilen adipat), altı diol kalıntısıyla dönüşümlü sıralanan beş adipat kalıntısına sahiptir. Her iki uç da \(\ce{-CH2OH}\) grubudur ve on karboksil grubunun tamamı ester gruplarına dönüşmüştür. Tam SMILES gösterimi Cevaplar 8.4'te verilmiştir.
Denkleştirilmiş kondenzasyon denklemi şöyledir:
\[ \begin{aligned} &5\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +6\,\ce{HO(CH2)4OH}\\ &\quad\longrightarrow \ce{HO-(CH2)4-[OCO(CH2)4COO(CH2)4]5-OH} +10\,\ce{H2O}. \end{aligned} \]
Ürünün molekül formülü \(\ce{C54H90O22}\)'dir. \(X\) bir ortalama olduğundan, örnek farklı zincir uzunlukları içerebilir; yukarıdaki yapı, istenen 11 birimli temsili yapıdır.
8.5
Her iki monomer de iki fonksiyonlu olduğundan, başlangıçtaki fonksiyonel grup oranları mol oranlarına eşittir:
\[ r=\frac{N_{\mathrm{A}0}}{N_{\mathrm{B}0}} =\frac{n_{\text{asit}}}{n_{\text{diol}}}. \]
\(p_{\mathrm A}\to1\) olduğunda,
\[ 11.00=\frac{1+r}{1-r}, \]
buradan,
\[ r=\frac{11-1}{11+1}=\frac56. \]
Adipik asidin madde miktarı şöyledir:
\[ n_{\text{asit}} =\frac{36.54\ \mathrm g}{146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.2500\ \mathrm{mol}. \]
Bu nedenle,
\[ n_{\text{diol}}=\frac65(0.2500)=0.3000\ \mathrm{mol}. \]
Bütan-1,4-diol için,
\[ M_{\text{diol}} =4(12.01)+10(1.01)+2(16.00) =90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Böylece,
\[ W=(0.3000\ \mathrm{mol})(90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =27.042\ \mathrm g, \]
ve virgülden sonra bir basamakla,
\[ \boxed{W=27.0\ \mathrm g}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2010 · Problema teórico 8
Policondensación y grado de polimerización
La reacción de esterificación entre moléculas bifuncionales da lugar, mediante policondensación (a menudo denominada «polimerización por condensación»), a uno de los polímeros típicos de cadena lineal, como se muestra en la ecuación (1). El control de las condiciones y los procedimientos de polimerización determina la longitud de las cadenas del polímero, es decir, el grado medio de polimerización, \(X\) (obsérvese que \(X=2n\) en este caso). Dado que \(X\) (y también \(n\)) es un valor medio, no siempre es un número entero, sino que puede tener cifras decimales.

\(X\) puede estimarse a partir del consumo de grupos funcionales (en este caso, \(\ce{-COOH}\) y \(\ce{-OH}\)). Definamos el grado de reacción, \(p\), como \(p=(N_0-N)/N_0\;(\leq 1)\), donde \(N_0\) y \(N\) representan los números totales de grupos funcionales antes y después de la polimerización, respectivamente. Para los grupos funcionales de las moléculas de ácido dicarboxílico (A) y de diol (B), añadimos los subíndices «A» o «B», como en \(N_{\mathrm{A}0}\), \(N_{\mathrm{B}0}\), \(N_{\mathrm A}\) o \(N_{\mathrm B}\), respectivamente; es decir, \(N_0=N_{\mathrm{A}0}+N_{\mathrm{B}0}\) y \(N=N_{\mathrm A}+N_{\mathrm B}\). Cuando la mezcla inicial no está equilibrada estequiométricamente, como en el caso de \(N_{\mathrm{A}0}\leq N_{\mathrm{B}0}\), \(X\) se expresa en función de \(p_{\mathrm A}\) y \(r\), como se muestra en la ecuación 2, donde \(r=N_{\mathrm{A}0}/N_{\mathrm{B}0}\;(\leq 1)\) y \(p_{\mathrm A}=(N_{\mathrm{A}0}-N_{\mathrm A})/N_{\mathrm{A}0}\). Si \(r=1\), \(p_{\mathrm A}\) es idéntico a \(p\) y la ecuación 2 coincide con la ecuación de Carothers.
\[ X=\frac{1+r}{1+r-2p_{\mathrm A}r} \tag{2} \]
Se preparó una muestra de nailon-6,6 mediante policondensación de una mezcla equimolar de ácido adípico (ácido hexanodioico) y hexametilendiamina (hexano-1,6-diamina).
8.1 Muestre la estructura química de esta muestra de nailon-6,6.
[Atención: ¿Cuáles son los grupos terminales cuando la policondensación se inicia a partir de la mezcla equimolar?]
8.2 Si la masa molar media, \(M\), de esta muestra de nailon-6,6 es \(5507.25\;(\mathrm{g\,mol^{-1}})\), calcule su valor de \(X\) con dos decimales.
8.3 Indique, con cinco decimales, el valor de \(p\) necesario para preparar la muestra de nailon-6,6 anterior. Si no obtiene una respuesta numérica en 8.2, utilice en su lugar el valor 52.50.
Se prepara un poliéster de baja masa molecular (oligoéster) a partir de una mezcla de 36.54 g de ácido adípico (ácido hexanodioico) y una cantidad desconocida [\(W\) (g)] de butano-1,4-diol (Bdiol). En la condición \(p_{\mathrm A}\to 1\), se obtiene el oligoéster con \(X=11.00\), que presenta unidades de Bdiol en ambos extremos de la cadena.
8.4 Muestre la estructura química exacta de este oligoéster de \(X=11.00\).
8.5 Calcule la cantidad desconocida, \(W\) (g), con un decimal.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 8.1: Nailon-6,6, representado por
\[
\boxed{\ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H}},
\]
con grupos terminales carboxilo y amino. SMILES del fragmento repetitivo:
[*]C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN[*]; la construcción de la cadena completa se especifica más adelante. - 8.2: \(\boxed{X=48.50}\), utilizando la convención de masas atómicas indicada más adelante.
- 8.3: \(\boxed{p=0.97938}\).
- 8.4: Oligo(adipato de butileno) con grupos hidroxilo terminales, que contiene cinco residuos de adipato y seis residuos de butano-1,4-diol. SMILES exacto de la cadena de 11 unidades:
OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCO. - 8.5: \(\boxed{W=27.0\ \mathrm g}\).
Solución
Para los cálculos numéricos, utilice las masas atómicas con dos decimales \[ A_r(\ce C)=12.01,\qquad A_r(\ce H)=1.01,\qquad A_r(\ce N)=14.01,\qquad A_r(\ce O)=16.00. \]
8.1
Los monómeros son:
- Ácido adípico (ácido hexanodioico), \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\), SMILES
O=C(O)CCCCC(=O)O. - Hexametilendiamina (hexano-1,6-diamina), \(\ce{H2N(CH2)6NH2}\), SMILES
NCCCCCCN.
Un grupo carboxilo y un grupo amino se condensan para formar un enlace amida, liberando agua, \(\ce{H2O}\), SMILES O. Unir \(n\) moléculas de cada monómero en una única cadena lineal requiere \(2n-1\) enlaces amida. La ecuación ajustada es
\[ n\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +n\,\ce{H2N(CH2)6NH2} \longrightarrow \ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H} +(2n-1)\,\ce{H2O}. \]
Por tanto, la cadena representativa de nailon-6,6 solicitada tiene un grupo terminal \(\ce{-COOH}\) y un grupo terminal \(\ce{-NH2}\). Su conectividad repetitiva es
\[ \ce{-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-NH-(CH2)6-NH-}. \]
En el SMILES del fragmento repetitivo indicado anteriormente, [*] señala la unión con las unidades adyacentes. Para cualquier entero positivo \(n\), se construye un SMILES de la cadena completa con los grupos terminales mostrados escribiendo O seguido de \(n\) copias consecutivas de C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN. Un único SMILES molecular ordinario no puede codificar una distribución de longitudes de cadena ni un valor medio no entero de \(n\).
En rigor, una mezcla inicial equimolar garantiza que los números totales de grupos carboxilo y amino residuales sean iguales en el conjunto de la muestra. No exige que cada cadena individual tenga grupos terminales distintos; la cadena mostrada representa la composición equilibrada.
8.2
Las masas molares de los monómeros y del agua son
\[ \begin{aligned} M_{\text{ácido adípico}} &=6(12.01)+10(1.01)+4(16.00) =146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{diamina}} &=6(12.01)+16(1.01)+2(14.01) =116.24\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{agua}} &=2(1.01)+16.00 =18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Utilizando la ecuación de condensación ajustada,
\[ \begin{aligned} M &=n(146.16)+n(116.24)-(2n-1)(18.02)\\ &=226.36n+18.02 \qquad(\mathrm{g\,mol^{-1}}). \end{aligned} \]
El término \(18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) tiene en cuenta los extremos de la cadena. Por tanto,
\[ n=\frac{5507.25-18.02}{226.36}=24.25. \]
Dado que \(X\) cuenta los residuos de ambos monómeros,
\[ \boxed{X=2n=48.50}. \]
El valor no entero de \(n\) es un promedio, tal como se especifica en el enunciado.
8.3
Para la mezcla equimolar, \(r=1\) y \(p_{\mathrm A}=p\). La ecuación (2) da
\[ X=\frac{2}{2-2p}=\frac{1}{1-p}. \]
Por tanto,
\[ p=1-\frac1X =1-\frac1{48.50} =0.979381443\ldots, \]
de modo que, con cinco decimales,
\[ \boxed{p=0.97938}. \]
8.4
El diol es butano-1,4-diol, \(\ce{HO(CH2)4OH}\), SMILES OCCCCO.
En el límite \(p_{\mathrm A}\to1\), todos los grupos carboxilo están esterificados. Una cadena lineal que termina en residuos de diol debe presentar la siguiente alternancia:
\[ B-A-B-A-\cdots-A-B. \]
Si contiene \(a\) residuos de ácido y \(b\) residuos de diol, entonces
\[ b=a+1,\qquad a+b=11. \]
En consecuencia,
\[ a=5,\qquad b=6. \]
La estructura exacta de 11 unidades solicitada es, por tanto,
\[ \boxed{ \ce{HO-(CH2)4-[O-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-O-(CH2)4]5-OH} }. \]
Este oligo(adipato de butileno) con grupos hidroxilo terminales tiene cinco residuos de adipato alternados con seis residuos de diol. Ambos extremos son \(\ce{-CH2OH}\), y los diez grupos carboxilo se han convertido en grupos éster. Su SMILES completo se indica en Respuestas 8.4.
La ecuación de condensación ajustada es
\[ \begin{aligned} &5\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +6\,\ce{HO(CH2)4OH}\\ &\quad\longrightarrow \ce{HO-(CH2)4-[OCO(CH2)4COO(CH2)4]5-OH} +10\,\ce{H2O}. \end{aligned} \]
El producto tiene la fórmula molecular \(\ce{C54H90O22}\). Dado que \(X\) es un promedio, la muestra puede contener cadenas de distintas longitudes; la estructura anterior es la estructura representativa de 11 unidades solicitada.
8.5
Ambos monómeros son bifuncionales, por lo que la relación inicial entre sus grupos funcionales es igual a su relación molar:
\[ r=\frac{N_{\mathrm{A}0}}{N_{\mathrm{B}0}} =\frac{n_{\text{ácido}}}{n_{\text{diol}}}. \]
Cuando \(p_{\mathrm A}\to1\),
\[ 11.00=\frac{1+r}{1-r}, \]
lo que da
\[ r=\frac{11-1}{11+1}=\frac56. \]
La cantidad de ácido adípico es
\[ n_{\text{ácido}} =\frac{36.54\ \mathrm g}{146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.2500\ \mathrm{mol}. \]
Por tanto,
\[ n_{\text{diol}}=\frac65(0.2500)=0.3000\ \mathrm{mol}. \]
Para el butano-1,4-diol,
\[ M_{\text{diol}} =4(12.01)+10(1.01)+2(16.00) =90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Así,
\[ W=(0.3000\ \mathrm{mol})(90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =27.042\ \mathrm g, \]
y, con un decimal,
\[ \boxed{W=27.0\ \mathrm g}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2010 · 理论题 8
缩聚与聚合度
双官能团分子之间的酯化反应通过缩聚(常称为“缩合聚合”)生成一种典型的线型聚合物,如式 (1) 所示。聚合条件和操作过程的控制决定了聚合物链的长度,即平均聚合度 \(X\)(注意,在本例中 \(X=2n\))。由于 \(X\)(以及 \(n\))是平均值,因此它不一定是整数,也可以是带有小数的数值。

可以根据官能团(此处为 \(\ce{-COOH}\) 和 \(\ce{-OH}\))的消耗量估算 \(X\)。将反应程度 \(p\) 定义为 \(p=(N_0-N)/N_0\;(\leq 1)\),其中 \(N_0\) 和 \(N\) 分别表示聚合前后官能团的总数。对于二羧酸分子(A)和二醇分子(B)的官能团,分别添加下标“A”或“B”,例如 \(N_{\mathrm{A}0}\)、\(N_{\mathrm{B}0}\)、\(N_{\mathrm A}\) 或 \(N_{\mathrm B}\),即 \(N_0=N_{\mathrm{A}0}+N_{\mathrm{B}0}\) 且 \(N=N_{\mathrm A}+N_{\mathrm B}\)。当初始投料不等当量,例如 \(N_{\mathrm{A}0}\leq N_{\mathrm{B}0}\) 时,\(X\) 可用 \(p_{\mathrm A}\) 和 \(r\) 表示,如式 2 所示,其中 \(r=N_{\mathrm{A}0}/N_{\mathrm{B}0}\;(\leq 1)\),且 \(p_{\mathrm A}=(N_{\mathrm{A}0}-N_{\mathrm A})/N_{\mathrm{A}0}\)。若 \(r=1\),则 \(p_{\mathrm A}\) 与 \(p\) 相同,式 2 就变为 Carothers 方程。
\[ X=\frac{1+r}{1+r-2p_{\mathrm A}r} \tag{2} \]
将己二酸(1,6-己二酸)与己二胺(1,6-己二胺)的等摩尔混合物进行缩聚,制得某尼龙-6,6 样品。
8.1 写出该尼龙-6,6 样品的化学结构。
[注意:从等摩尔混合物开始缩聚时,端基是什么?]
8.2 当该尼龙-6,6 样品的平均摩尔质量 \(M\) 为 \(5507.25\;(\mathrm{g\,mol^{-1}})\) 时,计算其 \(X\) 值,保留两位小数。
8.3 给出制备上述尼龙-6,6 样品所需的 \(p\) 值,保留五位小数。若你未能在 8.2 中得到数值答案,则使用 52.50 代替。
由 36.54 g 己二酸(1,6-己二酸)与未知质量 [\(W\) (g)] 的 1,4-丁二醇(Bdiol)的混合物制备低分子量聚酯(低聚酯)。在 \(p_{\mathrm A}\to 1\) 的条件下,得到 \(X=11.00\)、链两端均带有 Bdiol 单元的低聚酯。
8.4 写出该 \(X=11.00\) 的低聚酯的确切化学结构。
8.5 计算未知质量 \(W\) (g),保留一位小数。
题目译自官方英文原文。
答案
- 8.1: 尼龙-6,6,可表示为
\[
\boxed{\ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H}},
\]
其端基为羧基和氨基。重复片段的 SMILES:
[*]C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN[*];完整链的构建方法见下文。 - 8.2: \(\boxed{X=48.50}\),采用下文所述的原子量取值约定。
- 8.3: \(\boxed{p=0.97938}\)。
- 8.4: 羟基封端的低聚己二酸丁二醇酯,含有五个己二酸残基和六个 1,4-丁二醇残基。确切的 11 单元链的 SMILES:
OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCO。 - 8.5: \(\boxed{W=27.0\ \mathrm g}\)。
解答
数值计算采用以下保留两位小数的原子量: \[ A_r(\ce C)=12.01,\qquad A_r(\ce H)=1.01,\qquad A_r(\ce N)=14.01,\qquad A_r(\ce O)=16.00. \]
8.1
单体为:
- 己二酸(1,6-己二酸),\(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\),SMILES
O=C(O)CCCCC(=O)O。 - 己二胺(1,6-己二胺),\(\ce{H2N(CH2)6NH2}\),SMILES
NCCCCCCN。
一个羧基与一个氨基缩合形成一个酰胺键,并释放出水,\(\ce{H2O}\),SMILES O。将两种单体各 \(n\) 个分子连接成一条线型链,需要形成 \(2n-1\) 个酰胺键。配平后的方程式为
\[ n\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +n\,\ce{H2N(CH2)6NH2} \longrightarrow \ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H} +(2n-1)\,\ce{H2O}. \]
因此,题目所要求的代表性尼龙-6,6 链具有一个末端 \(\ce{-COOH}\) 基团和一个末端 \(\ce{-NH2}\) 基团。其重复连接结构为
\[ \ce{-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-NH-(CH2)6-NH-}. \]
在上面给出的重复片段 SMILES 中,[*] 表示与相邻单元的连接位置。对于任意正整数 \(n\),具有所示端基的完整链 SMILES 可按如下方法构建:先写 O,再连续接上 \(n\) 个 C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN。单个普通分子的 SMILES 无法表示链长分布或非整数的平均 \(n\) 值。
严格地说,等摩尔投料确保整个样品中残余羧基与氨基的总数相等。这并不要求每一条单独的链都具有不同种类的两个端基;所示链代表等当量的组成。
8.2
单体和水的摩尔质量为
\[ \begin{aligned} M_{\text{己二酸}} &=6(12.01)+10(1.01)+4(16.00) =146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{二胺}} &=6(12.01)+16(1.01)+2(14.01) =116.24\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{水}} &=2(1.01)+16.00 =18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
根据配平后的缩合方程式,
\[ \begin{aligned} M &=n(146.16)+n(116.24)-(2n-1)(18.02)\\ &=226.36n+18.02 \qquad(\mathrm{g\,mol^{-1}}). \end{aligned} \]
其中 \(18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) 这一项计入了端基的贡献。因此,
\[ n=\frac{5507.25-18.02}{226.36}=24.25. \]
由于 \(X\) 计数的是两种单体的残基,
\[ \boxed{X=2n=48.50}. \]
如题目所述,非整数的 \(n\) 是一个平均值。
8.3
对于等摩尔混合物,\(r=1\) 且 \(p_{\mathrm A}=p\)。由式 (2) 得
\[ X=\frac{2}{2-2p}=\frac{1}{1-p}. \]
因此,
\[ p=1-\frac1X =1-\frac1{48.50} =0.979381443\ldots, \]
所以,保留五位小数得
\[ \boxed{p=0.97938}. \]
8.4
该二醇为 1,4-丁二醇,\(\ce{HO(CH2)4OH}\),SMILES OCCCCO。
在 \(p_{\mathrm A}\to1\) 的极限下,所有羧基均被酯化。以二醇残基为两端的线型链必须按如下方式交替排列:
\[ B-A-B-A-\cdots-A-B. \]
若其中含有 \(a\) 个酸残基和 \(b\) 个二醇残基,则
\[ b=a+1,\qquad a+b=11. \]
因此,
\[ a=5,\qquad b=6. \]
所以,所要求的确切 11 单元结构为
\[ \boxed{ \ce{HO-(CH2)4-[O-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-O-(CH2)4]5-OH} }. \]
这种羟基封端的低聚己二酸丁二醇酯含有五个己二酸残基,与六个二醇残基交替排列。两端均为 \(\ce{-CH2OH}\),且全部十个羧基均已转变为酯基。其完整 SMILES 见答案 8.4。
配平后的缩合方程式为
\[ \begin{aligned} &5\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +6\,\ce{HO(CH2)4OH}\\ &\quad\longrightarrow \ce{HO-(CH2)4-[OCO(CH2)4COO(CH2)4]5-OH} +10\,\ce{H2O}. \end{aligned} \]
产物的分子式为 \(\ce{C54H90O22}\)。由于 \(X\) 是平均值,样品可能含有不同链长的分子;上面的结构是题目所要求的具有 11 个单元的代表性结构。
8.5
两种单体都是双官能团单体,因此其初始官能团数之比等于其物质的量之比:
\[ r=\frac{N_{\mathrm{A}0}}{N_{\mathrm{B}0}} =\frac{n_{\text{酸}}}{n_{\text{二醇}}}. \]
当 \(p_{\mathrm A}\to1\) 时,
\[ 11.00=\frac{1+r}{1-r}, \]
由此得
\[ r=\frac{11-1}{11+1}=\frac56. \]
己二酸的物质的量为
\[ n_{\text{酸}} =\frac{36.54\ \mathrm g}{146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.2500\ \mathrm{mol}. \]
因此,
\[ n_{\text{二醇}}=\frac65(0.2500)=0.3000\ \mathrm{mol}. \]
对于 1,4-丁二醇,
\[ M_{\text{二醇}} =4(12.01)+10(1.01)+2(16.00) =90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
因此,
\[ W=(0.3000\ \mathrm{mol})(90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =27.042\ \mathrm g, \]
保留一位小数得
\[ \boxed{W=27.0\ \mathrm g}. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 2010 · Теоретическая задача 8
Поликонденсация и степень полимеризации
В результате реакции этерификации между бифункциональными молекулами путём поликонденсации (часто называемой «конденсационной полимеризацией») образуется один из типичных линейных полимеров, как показано в уравнении (1). Регулирование условий и способов проведения полимеризации определяет длину полимерных цепей, то есть среднюю степень полимеризации, \(X\) (обратите внимание, что в данном случае \(X=2n\)). Поскольку \(X\) (как и \(n\)) представляет собой среднее значение, оно не обязательно является целым числом и может иметь дробную часть.

\(X\) можно оценить по расходованию функциональных групп (в данном случае \(\ce{-COOH}\) и \(\ce{-OH}\)). Определим степень превращения, \(p\), как \(p=(N_0-N)/N_0\;(\leq 1)\), где \(N_0\) и \(N\) обозначают общее число функциональных групп до и после полимеризации соответственно. Для функциональных групп молекул дикарбоновой кислоты (A) и молекул диола (B) добавим индексы «A» или «B» соответственно: \(N_{\mathrm{A}0}\), \(N_{\mathrm{B}0}\), \(N_{\mathrm A}\) или \(N_{\mathrm B}\), то есть \(N_0=N_{\mathrm{A}0}+N_{\mathrm{B}0}\) и \(N=N_{\mathrm A}+N_{\mathrm B}\). Если исходная смесь не является стехиометрической, например \(N_{\mathrm{A}0}\leq N_{\mathrm{B}0}\), то \(X\) выражается через \(p_{\mathrm A}\) и \(r\), как показано в уравнении 2, где \(r=N_{\mathrm{A}0}/N_{\mathrm{B}0}\;(\leq 1)\) и \(p_{\mathrm A}=(N_{\mathrm{A}0}-N_{\mathrm A})/N_{\mathrm{A}0}\). Если \(r=1\), то \(p_{\mathrm A}\) совпадает с \(p\), а уравнение 2 превращается в уравнение Карозерса.
\[ X=\frac{1+r}{1+r-2p_{\mathrm A}r} \tag{2} \]
Образец нейлона-6,6 получили поликонденсацией эквимолярной смеси адипиновой кислоты (гександиовой кислоты) и гексаметилендиамина (гексан-1,6-диамина).
8.1 Изобразите химическую структуру этого образца нейлона-6,6.
[Внимание: какими будут концевые группы, если поликонденсацию проводили, исходя из эквимолярной смеси?]
8.2 Если средняя молярная масса, \(M\), этого образца нейлона-6,6 составляет \(5507.25\;(\mathrm{g\,mol^{-1}})\), рассчитайте его значение \(X\) с точностью до второго знака после запятой.
8.3 Укажите значение \(p\), необходимое для получения указанного выше образца нейлона-6,6, с точностью до пятого знака после запятой. Если вы не получили численного ответа в 8.2, используйте вместо него значение 52.50.
Низкомолекулярный сложный полиэфир (олигоэфир) получают из смеси 36.54 г адипиновой кислоты (гександиовой кислоты) и неизвестного количества [\(W\) (г)] бутан-1,4-диола (Bdiol). При условии \(p_{\mathrm A}\to 1\) получают олигоэфир с \(X=11.00\), содержащий звенья Bdiol на обоих концах цепи.
8.4 Изобразите точную химическую структуру этого олигоэфира с \(X=11.00\).
8.5 Рассчитайте неизвестное количество, \(W\) (г), с точностью до первого знака после запятой.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 8.1: Нейлон-6,6, представленный формулой
\[
\boxed{\ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H}},
\]
с концевыми карбоксильной и аминогруппами. SMILES повторяющегося фрагмента:
[*]C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN[*]; способ построения полной цепи указан ниже. - 8.2: \(\boxed{X=48.50}\), при использовании указанных ниже значений атомных масс.
- 8.3: \(\boxed{p=0.97938}\).
- 8.4: Олиго(бутиленадипат) с концевыми гидроксильными группами, содержащий пять остатков адипиновой кислоты и шесть остатков бутан-1,4-диола. Точная запись SMILES цепи из 11 звеньев:
OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCO. - 8.5: \(\boxed{W=27.0\ \mathrm g}\).
Решение
Для численных расчётов используем значения атомных масс с двумя знаками после запятой: \[ A_r(\ce C)=12.01,\qquad A_r(\ce H)=1.01,\qquad A_r(\ce N)=14.01,\qquad A_r(\ce O)=16.00. \]
8.1
Мономеры:
- Адипиновая кислота (гександиовая кислота), \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\), SMILES
O=C(O)CCCCC(=O)O. - Гексаметилендиамин (гексан-1,6-диамин), \(\ce{H2N(CH2)6NH2}\), SMILES
NCCCCCCN.
Карбоксильная группа и аминогруппа вступают в реакцию конденсации с образованием амидной связи и выделением воды, \(\ce{H2O}\), SMILES O. Для соединения \(n\) молекул каждого мономера в одну линейную цепь необходимо образование \(2n-1\) амидных связей. Уравнение реакции с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ n\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +n\,\ce{H2N(CH2)6NH2} \longrightarrow \ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H} +(2n-1)\,\ce{H2O}. \]
Таким образом, искомая представительная цепь нейлона-6,6 имеет одну концевую группу \(\ce{-COOH}\) и одну концевую группу \(\ce{-NH2}\). Последовательность связей в её повторяющемся фрагменте имеет вид
\[ \ce{-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-NH-(CH2)6-NH-}. \]
В приведённой выше записи SMILES повторяющегося фрагмента символ [*] обозначает присоединение к соседним звеньям. Для любого положительного целого \(n\) запись SMILES полной цепи с указанными концевыми группами строится следующим образом: сначала записывают O, а затем \(n\) последовательных копий C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN. Одна обычная молекулярная запись SMILES не может описать распределение длин цепей или нецелое среднее значение \(n\).
Строго говоря, эквимолярный состав исходной смеси обеспечивает равенство общего числа остаточных карбоксильных групп и аминогрупп во всём образце. Это не означает, что каждая отдельная цепь обязательно имеет разные концевые группы; изображённая цепь представляет стехиометрически сбалансированный состав.
8.2
Молярные массы мономеров и воды равны
\[ \begin{aligned} M_{\text{адипиновой кислоты}} &=6(12.01)+10(1.01)+4(16.00) =146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{диамина}} &=6(12.01)+16(1.01)+2(14.01) =116.24\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{воды}} &=2(1.01)+16.00 =18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Используя уравнение конденсации с расставленными коэффициентами, получаем
\[ \begin{aligned} M &=n(146.16)+n(116.24)-(2n-1)(18.02)\\ &=226.36n+18.02 \qquad(\mathrm{g\,mol^{-1}}). \end{aligned} \]
Слагаемое \(18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) учитывает концевые группы цепи. Следовательно,
\[ n=\frac{5507.25-18.02}{226.36}=24.25. \]
Поскольку \(X\) учитывает остатки обоих мономеров,
\[ \boxed{X=2n=48.50}. \]
Нецелое значение \(n\) является средним, как указано в условии задачи.
8.3
Для эквимолярной смеси \(r=1\) и \(p_{\mathrm A}=p\). Из уравнения (2) получаем
\[ X=\frac{2}{2-2p}=\frac{1}{1-p}. \]
Следовательно,
\[ p=1-\frac1X =1-\frac1{48.50} =0.979381443\ldots, \]
поэтому с точностью до пяти знаков после запятой
\[ \boxed{p=0.97938}. \]
8.4
Диол — бутан-1,4-диол, \(\ce{HO(CH2)4OH}\), SMILES OCCCCO.
В пределе \(p_{\mathrm A}\to1\) все карбоксильные группы этерифицированы. В линейной цепи, оканчивающейся остатками диола, звенья должны чередоваться следующим образом:
\[ B-A-B-A-\cdots-A-B. \]
Если она содержит \(a\) остатков кислоты и \(b\) остатков диола, то
\[ b=a+1,\qquad a+b=11. \]
Следовательно,
\[ a=5,\qquad b=6. \]
Таким образом, искомая точная структура из 11 звеньев имеет вид
\[ \boxed{ \ce{HO-(CH2)4-[O-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-O-(CH2)4]5-OH} }. \]
Этот олиго(бутиленадипат) с концевыми гидроксильными группами содержит пять остатков адипиновой кислоты, чередующихся с шестью остатками диола. На обоих концах находятся группы \(\ce{-CH2OH}\), а все десять карбоксильных групп превратились в сложноэфирные группы. Его полная запись SMILES приведена в разделе Ответы 8.4.
Уравнение конденсации с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \begin{aligned} &5\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +6\,\ce{HO(CH2)4OH}\\ &\quad\longrightarrow \ce{HO-(CH2)4-[OCO(CH2)4COO(CH2)4]5-OH} +10\,\ce{H2O}. \end{aligned} \]
Продукт имеет молекулярную формулу \(\ce{C54H90O22}\). Поскольку \(X\) представляет собой среднее значение, образец может содержать цепи разной длины; приведённая выше структура представляет искомую цепь из 11 звеньев.
8.5
Оба мономера бифункциональны, поэтому исходное отношение числа их функциональных групп равно их молярному отношению:
\[ r=\frac{N_{\mathrm{A}0}}{N_{\mathrm{B}0}} =\frac{n_{\text{кислоты}}}{n_{\text{диола}}}. \]
При \(p_{\mathrm A}\to1\)
\[ 11.00=\frac{1+r}{1-r}, \]
откуда
\[ r=\frac{11-1}{11+1}=\frac56. \]
Количество вещества адипиновой кислоты равно
\[ n_{\text{кислоты}} =\frac{36.54\ \mathrm g}{146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.2500\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно,
\[ n_{\text{диола}}=\frac65(0.2500)=0.3000\ \mathrm{mol}. \]
Для бутан-1,4-диола
\[ M_{\text{диола}} =4(12.01)+10(1.01)+2(16.00) =90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Таким образом,
\[ W=(0.3000\ \mathrm{mol})(90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =27.042\ \mathrm g, \]
а с точностью до одного знака после запятой
\[ \boxed{W=27.0\ \mathrm g}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2010 · مسألة نظرية 8
التكاثف المتعدد ودرجة البلمرة
يُنتج تفاعل الأسترة بين الجزيئات ثنائية الوظيفة أحد البوليمرات النموذجية ذات السلاسل الخطية، كما هو موضح في المعادلة (1)، عن طريق التكاثف المتعدد (الذي يُسمّى غالبًا «البلمرة بالتكاثف»). ويحدد التحكم في شروط البلمرة وإجراءاتها طول سلاسل البوليمر، أي متوسط درجة البلمرة، \(X\) (لاحظ أن \(X=2n\) في الحالة الحالية). ولأن \(X\) (وكذلك \(n\)) عدد يمثّل متوسطًا، فإنه ليس دائمًا عددًا صحيحًا، بل قد يكون قيمة ذات منازل عشرية.

يمكن تقدير \(X\) من استهلاك المجموعات الوظيفية (وهنا هي \(\ce{-COOH}\) و\(\ce{-OH}\)). لنعرّف درجة التفاعل، \(p\)، بأنها \(p=(N_0-N)/N_0\;(\leq 1)\)، حيث يرمز \(N_0\) و\(N\) إلى العدد الكلي للمجموعات الوظيفية قبل البلمرة وبعدها، على الترتيب. وللمجموعات الوظيفية في جزيئات الحمض ثنائي الكربوكسيل (A) وجزيئات الديول (B)، نضيف المؤشرين السفليين «A» أو «B»، كما في \(N_{\mathrm{A}0}\) و\(N_{\mathrm{B}0}\) و\(N_{\mathrm A}\) أو \(N_{\mathrm B}\)، على الترتيب، أي إن \(N_0=N_{\mathrm{A}0}+N_{\mathrm{B}0}\) و\(N=N_{\mathrm A}+N_{\mathrm B}\). عندما تكون الشحنة الابتدائية غير متوازنة، كما في الحالة \(N_{\mathrm{A}0}\leq N_{\mathrm{B}0}\)، يُعبَّر عن \(X\) بدلالة \(p_{\mathrm A}\) و\(r\) كما هو موضح في المعادلة 2، حيث \(r=N_{\mathrm{A}0}/N_{\mathrm{B}0}\;(\leq 1)\) و\(p_{\mathrm A}=(N_{\mathrm{A}0}-N_{\mathrm A})/N_{\mathrm{A}0}\). إذا كان \(r=1\)، فإن \(p_{\mathrm A}\) يطابق \(p\)، وتصبح المعادلة 2 مطابقة لمعادلة كاروثرز.
\[ X=\frac{1+r}{1+r-2p_{\mathrm A}r} \tag{2} \]
حُضّرت عينة من النايلون-6,6 بالتكاثف المتعدد بين مكوّني مزيج متساوي المولات من حمض الأديبيك (حمض الهكسانديويك) وهكساميثيلين ثنائي الأمين (هكسان-1,6-ثنائي الأمين).
8.1 بيّن البنية الكيميائية لعينة النايلون-6,6 هذه.
[تنبيه: ما المجموعات الطرفية عندما يبدأ التكاثف المتعدد من المزيج المتساوي المولات؟]
8.2 عندما يكون متوسط الكتلة المولية، \(M\)، لعينة النايلون-6,6 هذه هو \(5507.25\;(\mathrm{g\,mol^{-1}})\)، احسب قيمة \(X\) إلى منزلتين عشريتين.
8.3 أعطِ قيمة \(p\) اللازمة لتحضير عينة النايلون-6,6 المذكورة أعلاه إلى خمس منازل عشرية. إذا لم تحصل على إجابة عددية في 8.2، فاستخدم القيمة 52.50 بدلًا منها.
يُحضَّر البوليستر منخفض الكتلة الجزيئية (الأوليغوإستر) من مزيج يتكوّن من 36.54 g من حمض الأديبيك (حمض الهكسانديويك) وكمية مجهولة [\(W\) (g)] من بوتان-1,4-ديول (Bdiol). وعند تحقق الشرط \(p_{\mathrm A}\to 1\)، يُحصَل على أوليغوإستر ذي \(X=11.00\)، يحمل وحدات Bdiol عند كلا طرفي السلسلة.
8.4 بيّن البنية الكيميائية الدقيقة لهذا الأوليغوإستر ذي \(X=11.00\).
8.5 احسب الكمية المجهولة، \(W\) (g)، إلى منزلة عشرية واحدة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 8.1: النايلون-6,6، الممثَّل بالصيغة
\[
\boxed{\ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H}},
\]
وله مجموعتا كربوكسيل وأمين طرفيتان. تمثيل SMILES للجزء المتكرر:
[*]C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN[*]؛ وتُبيَّن أدناه طريقة بناء السلسلة الكاملة. - 8.2: \(\boxed{X=48.50}\)، باستخدام القيم المعتمدة للأوزان الذرية والمبيّنة أدناه.
- 8.3: \(\boxed{p=0.97938}\).
- 8.4: أوليغو(أديبات البوتيلين) ذو نهايات هيدروكسيلية، يحتوي على خمس بقايا أديبات وست بقايا بوتان-1,4-ديول. تمثيل SMILES الدقيق للسلسلة المكوّنة من 11 وحدة:
OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCOC(=O)CCCCC(=O)OCCCCO. - 8.5: \(\boxed{W=27.0\ \mathrm g}\).
الحل
للحسابات العددية، استخدم الأوزان الذرية التالية ذات المنزلتين العشريتين \[ A_r(\ce C)=12.01,\qquad A_r(\ce H)=1.01,\qquad A_r(\ce N)=14.01,\qquad A_r(\ce O)=16.00. \]
8.1
المونومران هما:
- حمض الأديبيك (حمض الهكسانديويك)، \(\ce{HOOC(CH2)4COOH}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو
O=C(O)CCCCC(=O)O. - هكساميثيلين ثنائي الأمين (هكسان-1,6-ثنائي الأمين)، \(\ce{H2N(CH2)6NH2}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو
NCCCCCCN.
تتكاثف مجموعة كربوكسيل ومجموعة أمين لتشكّلا رابطة أميدية، مع تحرير الماء، \(\ce{H2O}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو O. ويتطلب وصل \(n\) جزيئًا من كل مونومر في سلسلة خطية واحدة تكوين \(2n-1\) رابطة أميدية. والمعادلة الموزونة هي
\[ n\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +n\,\ce{H2N(CH2)6NH2} \longrightarrow \ce{HO-[CO(CH2)4CO-NH(CH2)6NH]_{n}-H} +(2n-1)\,\ce{H2O}. \]
إذًا، تحتوي سلسلة النايلون-6,6 التمثيلية المطلوبة على مجموعة طرفية واحدة من \(\ce{-COOH}\) ومجموعة طرفية واحدة من \(\ce{-NH2}\). ويكون نمط الترابط المتكرر فيها كما يلي
\[ \ce{-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-NH-(CH2)6-NH-}. \]
في تمثيل SMILES للجزء المتكرر الوارد أعلاه، تشير [*] إلى موضع الارتباط بالوحدات المجاورة. ولأي عدد صحيح موجب \(n\)، يُنشأ تمثيل SMILES للسلسلة الكاملة ذات المجموعتين الطرفيتين الموضحتين بكتابة O تتبعها \(n\) نسخ متتالية من C(=O)CCCCC(=O)NCCCCCCN. ولا يمكن لتمثيل جزيئي عادي واحد بصيغة SMILES أن يرمّز توزيعًا لأطوال السلاسل أو متوسطًا غير صحيح لـ\(n\).
وبصورة دقيقة، تضمن الشحنة المتساوية المولات تساوي العددين الكليين لمجموعات الكربوكسيل والأمين المتبقية في العينة بأكملها. ولا يقتضي ذلك أن تكون المجموعتان الطرفيتان في كل سلسلة منفردة مختلفتين؛ فالسلسلة الموضّحة تمثّل التركيب المتوازن.
8.2
الكتل المولية للمونومرين والماء هي
\[ \begin{aligned} M_{\text{حمض الأديبيك}} &=6(12.01)+10(1.01)+4(16.00) =146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{ثنائي الأمين}} &=6(12.01)+16(1.01)+2(14.01) =116.24\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\\ M_{\text{الماء}} &=2(1.01)+16.00 =18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
باستخدام معادلة التكاثف الموزونة،
\[ \begin{aligned} M &=n(146.16)+n(116.24)-(2n-1)(18.02)\\ &=226.36n+18.02 \qquad(\mathrm{g\,mol^{-1}}). \end{aligned} \]
يأخذ الحد \(18.02\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) نهايتي السلسلة في الحسبان. ومن ثم،
\[ n=\frac{5507.25-18.02}{226.36}=24.25. \]
لأن \(X\) يحصي بقايا كلا المونومرين،
\[ \boxed{X=2n=48.50}. \]
القيمة غير الصحيحة لـ\(n\) هي متوسط، كما هو مبيّن في المسألة.
8.3
للمزيج المتساوي المولات، \(r=1\) و\(p_{\mathrm A}=p\). وتعطي المعادلة (2)
\[ X=\frac{2}{2-2p}=\frac{1}{1-p}. \]
وعليه،
\[ p=1-\frac1X =1-\frac1{48.50} =0.979381443\ldots, \]
وبالتالي، إلى خمس منازل عشرية،
\[ \boxed{p=0.97938}. \]
8.4
الديول هو بوتان-1,4-ديول، \(\ce{HO(CH2)4OH}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو OCCCCO.
في الحد \(p_{\mathrm A}\to1\)، تُستَرت جميع مجموعات الكربوكسيل. ويجب أن تتناوب بقايا المونومرين في سلسلة خطية تنتهي ببقايا ديول على النحو التالي
\[ B-A-B-A-\cdots-A-B. \]
إذا احتوت السلسلة على \(a\) من بقايا الحمض و\(b\) من بقايا الديول، فإن
\[ b=a+1,\qquad a+b=11. \]
وبناءً على ذلك،
\[ a=5,\qquad b=6. \]
إذًا، البنية الدقيقة المطلوبة المكوّنة من 11 وحدة هي
\[ \boxed{ \ce{HO-(CH2)4-[O-C(=O)-(CH2)4-C(=O)-O-(CH2)4]5-OH} }. \]
يحتوي أوليغو(أديبات البوتيلين) ذو النهايات الهيدروكسيلية هذا على خمس بقايا أديبات تتناوب مع ست بقايا ديول. وكلا الطرفين هو \(\ce{-CH2OH}\)، وقد تحولت مجموعات الكربوكسيل العشر جميعها إلى مجموعات إستر. ويرد تمثيله الكامل بصيغة SMILES في الإجابات 8.4.
معادلة التكاثف الموزونة هي
\[ \begin{aligned} &5\,\ce{HOOC(CH2)4COOH} +6\,\ce{HO(CH2)4OH}\\ &\quad\longrightarrow \ce{HO-(CH2)4-[OCO(CH2)4COO(CH2)4]5-OH} +10\,\ce{H2O}. \end{aligned} \]
الصيغة الجزيئية للناتج هي \(\ce{C54H90O22}\). وبما أن \(X\) متوسط، فقد تحتوي العينة على سلاسل مختلفة الأطوال؛ وتمثّل البنية أعلاه السلسلة المطلوبة المكوّنة من 11 وحدة.
8.5
كلا المونومرين ثنائي الوظيفة، لذا تساوي النسبة الابتدائية لمجموعاتهما الوظيفية نسبتهما المولية:
\[ r=\frac{N_{\mathrm{A}0}}{N_{\mathrm{B}0}} =\frac{n_{\text{الحمض}}}{n_{\text{الديول}}}. \]
عند \(p_{\mathrm A}\to1\)،
\[ 11.00=\frac{1+r}{1-r}, \]
وهذا يعطي
\[ r=\frac{11-1}{11+1}=\frac56. \]
كمية مادة حمض الأديبيك هي
\[ n_{\text{الحمض}} =\frac{36.54\ \mathrm g}{146.16\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.2500\ \mathrm{mol}. \]
وعليه،
\[ n_{\text{الديول}}=\frac65(0.2500)=0.3000\ \mathrm{mol}. \]
بالنسبة إلى بوتان-1,4-ديول،
\[ M_{\text{الديول}} =4(12.01)+10(1.01)+2(16.00) =90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
إذًا،
\[ W=(0.3000\ \mathrm{mol})(90.14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =27.042\ \mathrm g, \]
وإلى منزلة عشرية واحدة،
\[ \boxed{W=27.0\ \mathrm g}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.