在合成或天然高分子(見高分子化合物)原有力學性能的基礎上,再賦予傳統使用性能以外的各種特定功能(如化學活性、光敏性、導電性、催化活性、生物相容性、藥理性能、選擇分離性能等)而制得的一類高分子。例如,具有絕緣性的高分子就不屬於功能高分子範疇,而導電高分子卻是功能高分子的一個重要類型。功能高分子是20世紀70年代發展起來的新領域,目前尚處於開拓階段。

  結構特點 功能高分子一般在主主鏈上或側鏈上具有顯示某種功能的基團,其功能性的顯示往往是很復雜的,不僅決定於高分子鏈的化學結構、結構單元的順序、分子量及其分佈、支化、立體結構等一級結構,還決定於高分子鏈的構象、高分子鏈在聚集時的高級結構等,後者對於生物活性功能的顯示更為重要。

  分類 光敏高分子 經光照吸收光能後在結構上發生化學變化或物理變化(例如發生交聯反應,使溶解性能發生變化)的高分子(見光敏高分子),也稱光敏樹脂。廣泛用於印刷版、光刻膠、光敏油墨、光敏油漆等方面。有的高分子吸收光後,分子結構發生變化引起吸收光譜的變化,這種因光的波長組成改變而引起可逆的生色、褪色的高分子,稱為光致變色高分子,已用於變色眼鏡片、變色窗玻璃和信息材料方面。

  電學功能高分子 有些共軛雙鍵體系的高分子,例如聚乙炔等具有半導體性質,稱為高分子半導體。如果在電子非定域化的分子間分子軌道相互作用很強,則由於載流子的生成和轉移容易進行,這些固體高分子會表現出更強的電學性能,例如,通過與四氰代二甲基苯醌等形成電荷轉移絡合物以提高導電性而得到的導電高分子。聚乙烯基咔唑與三硝基芴的電荷轉移絡合物,經光照後能產生光生伏打效應,稱為光導高分子,廣泛用於靜電復印、靜電照相和信息材料方面。聚偏氟乙烯及其共聚物,在加熱、加壓下能產生壓電效應及熱電效應,稱為壓電高分子或熱電高分子。

  催化功能高分子 這類對化學反應具有催化功能的高分子,主要有天然和合成高分子催化劑。酶是存在於生物體內的天然高分子催化劑,它的特點是能使反應在常溫、常壓下高速、高效、高選擇性地進行。將組成酶活性中心的基團引進高分子,例如將乙烯基咪唑與乙烯基苯酚共聚合,可得到對於某些水解反應催化活性很高的全合成高分子催化劑。有些酶含有金屬,如果以高分子配位體與金屬絡合,就得到高分子金屬催化劑,可使某些反應在較溫和條件下高速、高效地進行。像這樣模仿天然酶,參照酶的活性中心,並與高分子效應結合而合成的高活性、高選擇性催化劑叫模擬酶。天然酶的缺點之一是其水溶性。為克服此缺點,將酶用高分子限定在一定空間內,稱固定化酶。

  將細菌等生物活性物質固定化,以代替化學反應器內的傳統催化劑,稱為生物反應器。這將給經典的化學反應器帶來重大的變革。

  選擇分離功能高分子 離子交換樹脂是具有分離、提純、凈化功能的高分子,但其選擇分離性能不高。如果在高分子上引進像乙二胺四乙酸、羥胺等能與某些金屬絡合的基團,則可進一步提高選擇分離性能,這種高分子稱為螯合樹脂。由離子交換樹脂發展出來的每克樹脂具有上百平方米表面積和適當孔徑的大孔樹脂,可以用作高分子吸附劑,從極性或非極性溶液中吸附非極性或極性溶質,可從水中吸附以ppb計的微量雜質。由離子交換膜發展出來的選擇性分離膜,廣泛用於分離、提純和醫療上。

  醫療功能高分子 高分子在醫學上的應用,除要求有醫療功能外,還要有安全可靠性,大體上用於兩個方面,即用作醫用材料和高分子藥物。醫用材料還可分為:①要求組織相容性和血液相容性好並有一定機械強度的軟組織材料,如聚醚聚氨酯、聚甲基丙烯酸-β-羥乙酯等;②以聚甲基丙烯酸甲酯為代表的硬組織材料。前者用於內植材料、修復材料、人工臟器方面;後者用於齒科、骨水泥方面。高分子藥物分為高分子本身就具有藥理活性的和將小分子藥物結合在高分子載體上的兩種。後者使藥物能夠控制釋放,達到長效性,以減少投施藥物的次數和降低藥物的毒性。如果在高分子載體上,除瞭藥物之外,再接上對病變部位有特異親和性的配基(如抗體),則能使藥物有定位送達的效應,稱為高分子親和藥物,這對毒性或副作用大的藥物的投施特別有意義。

  其他還有能夠將化學能轉化為機械能的功能高分子(如人工肌肉)、信息傳遞功能高分子、減阻功能高分子等,都在探索開發之中。

  合成 聚合法 通過含有特定功能基團的單體進行加成聚合或縮合聚合而制得功能高分子。其優點是功能基團在高分子鏈上的分佈和排列可以通過共聚合或共縮聚來調節,例如:

  ①對苯二酚與甲醛的縮聚

  ②乙烯基對苯二酚的聚合 由於對苯二酚是阻聚劑,需加保護基才能保證聚合順利進行:

  高分子化學反應法 通過化學反應將特定功能的基團引入高分子鏈中(見高分子化學反應)。高分子鏈要含有可進一步反應的反應性基團,如羥基、羧基、胺基、氨基、酸酐、羰基、酰氯、環氧基、羥甲亞胺基、活潑鹵原子、異氰酸酯、硫異氰酸酯、巰基、活性酯、活性酰胺等。它們的活潑程度不同,選擇時要根據欲引入的功能性基團而定。這種反應性高分子可由反應性單體的聚合或由通用高分子的化學改性而得。其優點是基本能保證原來高分子鏈的聚合度。但是,功能性基團的數目及分佈受到高分子鏈的位阻、反應性基團的活潑性、擴散等影響而受到限制,例如:

  

參考書目

 大河原信著:《高分子の化學反応(下)──機能性高分子》,化學同人,東京,1972。