고분자 화합물의 생성

고분자의 합성원료가 되는 저분자량 화합물을 단량체 (monomer)라고 한다. 단량체로부터 고분자가 생성되는 반응을 중합 (polymerization)이라고 하는데, 중합 반응은 단량체에 존재하는 작용기 (functional group)의 반응에 의해 이루어진다. 

 

작용기란 단량체 간의 반응에 의해 화학결합을 생성시키는 반응성기를 말하는데, 단량체끼리의 연속적인 화학결합이 이루어져야 고분자가 생성되므로 단량체에는 2개 이상의 작용기가 존재해야 한다. 축합반응, 부가반응 등 화학반응에 의해 새로운 결합을 형성할 수 있는 반응성기는 원칙적으로 중합반응의 작용기가 될 수 있으나, 반응조건 등에 따른 반응성의 차이에 의해 중합반응에 이용될 수 있는가가 결정된다.

 

고분자는 단량체들의 중합에 의해 얻어지기 때문에 합성 고분자를 특별히 중합체라고 부르기도 한다. 영어의 "polymer"라는 용어는 많다는 의미의 "poly" 와 단위 또는 부분이라는 의미의 희랍어인 "meros"의 합성어로서 사슬의 화학구조의 의미를 내포하고 있다. 즉 고분자 사슬은 단량체 단위가 연결된 구조를 가지고 있으며, 따라서 화학구조가 반복해서 나타나게 된다. 이 반복의 최소 단위를 반복단위 (repeating unit)라 하는데 polystyrene의 경우 -CH2-CH Φ- ( Φ:phenyl기)가 반복단위가 되며, Nylon 6의 경우에는 -NH-(CH2)5-CO-가 반복단위가 된다. 그러나 polyethylene의 경우에는 반복해 나가는 최소의 화학단위는 -CH2-이지만 ethylene으로부터 제조되므로 관습적으로 -CH2-CH2- 를 반복단위로 간주한다. 

 

고분자 사슬에 포함딘 반복단위의 개수를 보통 n으로 나타내며 이를 고분자의 중합도 (degree of polymerization)라고 한다. 따라서 고분자의 분자량은 다음과 같이 계산된다. 

 

고분자 분자량 (M) = 반복단위의 화학식량 (Mn) X 중합도 (n) 

 

여기서 고분자의 분자량은 앞서 잠시 언급한 대로 분자량이 사슬마다 서로 다르기 때문에 보통 평균값으로 나타낸다. 

 

분자량이 큰 고분자는 중합도가 천 개 이상되는 긴 사슬 구조를 이루는데, 이 때 양쪽 끝을 말단기 (end group) 라고 한다. 고분자에 있어서 말단기의 정확한 화학구조를 분석하기는 어려우며, 보통 고분자의 물성에는 큰 영향을 주지 않으므로 무시하는 경우가 많다. 

 

따라서 고분자의 화학구조 표시는 편의상 반복단위와 중합도만으로 나타내며 말단기의 화학구조는 필요한 경우 외에는 생략한다. 예를 들어 polystyrene의 화학구조를 반복단위인 -CH2-CH Φ- 와 중합도인 n을 이용하여 다음과 같이 나타낸다. 

 

마지막 용어설명으로, oligomer는 얼마간이라는 뜻의 "oligo"와 단량체를 나타내는 "meros"의 합성어로서 단량체가 고분자로 되기 전의 중간정도의 크기를 가진 화합물을 말한다. 단량체보다는 크고 고분자보다는 작은 것을 말하는데, oligomer의 중합도는 명확히 정의되어 있지 않지만 대개 5~20정도이다. 예를 들어 hexatriacontane (CH3-(CH2)29-CH3)은 polyethylene의 oligomer가 된다.