【基礎化学(有機)】Module 12：合成高分子化合物（1）付加重合

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本モジュールの目的と構成

これまでの有機化学の旅で、私たちは比較的小さな分子の構造、性質、そして反応を学んできました。しかし、私たちの身の回りを見渡せば、衣類、容器、家電製品、自動車部品など、現代社会を構成する物質の多くは、それら小さな分子が数千、数万と手をつないでできた**高分子化合物（ポリマー）**からできています。このモジュールから、私たちは有機化学の知識を応用し、これらの巨大分子がどのようにして創り出され、なぜ多様な機能を発揮するのかを探求する、高分子化学の世界へと足を踏み入れます。

この壮大な分子の鎖を創り出す基本的な戦略は、主に二つあります。一つは、アルケンのような不飽和結合を持つ単量体（モノマー）が、次々と付加していくことで鎖を伸ばす「付加重合」。もう一つは、2つの官能基が水のような小さな分子を脱離しながら結合を繰り返す「縮合重合」です。

本モジュールでは、まず前者である「付加重合」に焦点を当てます。私たちは、たった一つのラジカル（不対電子）が引き起こす連鎖反応が、いかにしてポリエチレンのような巨大な分子を瞬時に生み出すのか、そのダイナミックなメカニズムに迫ります。そして、出発物質であるモノマーの構造をわずかに変える（エチレンをプロピレンに、塩化ビニルに、スチレンに…）だけで、生成するポリマーの性質が、柔軟なフィルムから硬いパイプ、透明なケース、断熱材に至るまで、いかに劇的に変化するかを見ていきます。これは、有機化学の中心原理である「構造が物性を決定する」という法則の、最も雄弁な実例です。

本モジュールは、以下の10の学習項目で構成されています。

高分子化合物の分類（天然・合成、熱可塑性・熱硬化性）: 広大な高分子の世界を旅するための地図。その由来（天然／合成）と、熱に対する振る舞い（熱可塑性／熱硬化性）によって、全体像を整理します。
重合の形式：付加重合と縮合重合: 巨大分子を組み立てるための二大工法、「付加重合」と「縮合重合」。その根本的な違いを理解します。
付加重合のメカニズム: 開始、成長、停止。ドミノ倒しのように連鎖的に進む、ラジカル付加重合の三段階のメカニズムを解き明かします。
ポリエチレン（PE）: 最もシンプルで、最も多く生産されているプラスチック。その構造のわずかな違い（直鎖か分岐か）が、高密度(HDPE)と低密度(LDPE)という異なる個性をもたらす様を見ます。
ポリプロピレン（PP）: ポリエチレンにメチル基が一つ加わるだけで生まれる、より強く、より耐熱性に優れたプラスチック。その立体規則性が物性を支配する、立体化学の応用例です。
ポリ塩化ビニル（PVC）: 「塩ビ」として知られる、硬質にも軟質にもなれる万能プラスチック。塩素原子がもたらす極性が、その性質の鍵を握ります。
ポリスチレン（PS）: 透明で硬いが、発泡させれば「発泡スチロール」となる、二つの顔を持つプラスチック。かさ高いベンゼン環がその物性を特徴づけます。
ポリ酢酸ビニルとポリビニルアルコール: 接着剤から、水溶性の特殊なフィルムへ。ある高分子を化学的に修飾することで、全く新しい性質を持つ高分子を生み出す、高分子反応の好例です。
ポリメタクリル酸メチル（PMMA）: 「アクリルガラス」の名で知られる、ガラスを凌ぐ透明性を持つプラスチック。その美しい光学的性質の秘密を探ります。
合成ゴム（ポリブタジエン、SBR、NBR）: しなやかな弾性の世界。二重結合を巧みに残しながら重合し、複数のモノマーを組み合わせる「共重合」によって、タイヤから特殊なパッキンまで、多様な機能を持つ合成ゴムを創り出す化学の叡智を学びます。

このモジュールを終えるとき、あなたは私たちの文明を支えるプラスチックやゴムが、決して魔法の産物ではなく、有機化学の基本原理に基づいて精密に設計された、巨大な分子の集合体であることを深く理解しているでしょう。

1. 高分子化合物の分類（天然・合成、熱可塑性・熱硬化性）

高分子化合物 (Macromolecule / Polymer) とは、分子量が非常に大きい（一般に1万以上）分子のことです。これらの巨大分子は、単量体 (Monomer) と呼ばれる、比較的小さな構造単位が、多数、共有結合によって繰り返し連結されることで形成されます。この、モノマーからポリマーを合成するプロセスを重合 (Polymerization) と呼びます。

高分子化合物の世界は広大で多様ですが、いくつかの基準に基づいて体系的に分類することで、その全体像を効果的に把握することができます。ここでは、高分子を「由来」と「熱に対する性質」という2つの主要な観点から分類します。

1.1. 基本用語の整理

高分子 (Polymer): 多数の繰り返し単位からなる巨大分子。
単量体 (Monomer): 高分子を構成する基本となる低分子。
繰り返し単位 (Repeating unit): 高分子の構造の中で、実際に繰り返されている部分。モノマーと一致する場合としない場合がある。
重合度 (Degree of polymerization): 1つの高分子鎖の中に含まれる、繰り返し単位の数 (n)。

1.2. 由来による分類

高分子化合物は、その起源によって、天然高分子と合成高分子に大別されます。

1.2.1. 天然高分子化合物 (Natural Polymers)

定義: 天然に、生命活動の結果として存在する高分子化合物。
例:
- 多糖類:
  - デンプン: α-グルコースが重合したもの。植物のエネルギー貯蔵物質。
  - セルロース: β-グルコースが重合したもの。植物の細胞壁の主成分。
- タンパク質: 多数のアミノ酸がペプチド結合によって重合したもの。生体の構造と機能の中心的な担い手。
- 核酸 (DNA, RNA): ヌクレオチドが重合したもの。遺伝情報を担う。
- 天然ゴム: イソプレンが付加重合したもの。

1.2.2. 合成高分子化合物 (Synthetic Polymers)

定義: 人間が、石油などを原料として、化学的な重合反応によって作り出した高分子化合物。
例: 私たちの身の回りにある「プラスチック」「合成繊維」「合成ゴム」は、すべてこれに含まれます。
- ポリエチレン (PE), ポリプロピレン (PP)
- ナイロン (ポリアミド)
- ポリエチレンテレフタレート (PET) (ポリエステル)
- フェノール樹脂

1.3. 熱に対する性質による分類

合成高分子（特に樹脂、すなわちプラスチック）は、加熱したときの振る舞いによって、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂という、極めて重要な2つのカテゴリーに分類されます。この違いは、高分子の三次元的な構造に起因します。

1.3.1. 熱可塑性樹脂 (Thermoplastics)

構造:
- 多数の直鎖状または分岐状の高分子が、互いに絡み合った構造をしています。
- 高分子の鎖と鎖の間は、ファンデルワールス力や水素結合といった、比較的弱い分子間力によって引き合っています。共有結合による架橋はありません。
性質:
- 加熱すると軟化して流動性を示し、冷却すると再び硬化する。このプロセスは可逆的であり、何度でも繰り返すことができます。
- アナロジー: チョコレートに例えられます。加熱すると溶け、冷やすと固まる。この性質を利用して、射出成形など様々な方法で容易に加工できます。
例: 日常的に目にするプラスチックのほとんどがこのタイプです。
- ポリエチレン (PE)
- ポリプロピレン (PP)
- ポリ塩化ビニル (PVC)
- ポリスチレン (PS)
- ポリエチレンテレフタレート (PET)
- ナイロン

1.3.2. 熱硬化性樹脂 (Thermosetting Resins)

構造:
- 直鎖状の高分子が、**共有結合（架橋結合, cross-linking）**によって、互いに強固に結びつき、三次元的な網目構造を形成しています。
- 分子全体が、いわば一つの巨大な共有結合のネットワークになっています。
性質:
- 最初の製造段階で、モノマーまたは低分子量のポリマーを混合し、加熱することで重合と架橋反応が進行し、硬化します。
- 一度硬化すると、その後いくら加熱しても軟化・溶融することなく、さらに加熱を続けると分解（炭化）してしまう。このプロセスは不可逆的です。
- アナロジー: クッキーや陶器に例えられます。一度焼いてしまうと、二度と元の生地には戻りません。
特徴: 一般的に、熱可塑性樹脂よりも耐熱性、耐薬品性、機械的強度に優れています。
例:
- フェノール樹脂 (ベークライト): 電気絶縁部品、接着剤
- 尿素樹脂（ユリア樹脂）: 食器、接着剤、化粧板
- メラミン樹脂: 食器、化粧板
- エポキシ樹脂: 接着剤、塗料

この分類は、高分子材料の性質を理解し、その用途を考える上での最も基本的なフレームワークです。次のセクションでは、これらの高分子がどのようにして作られるのか、その二大製法について学びます。

2. 重合の形式：付加重合と縮合重合

高分子という巨大な分子の鎖は、小さな単量体（モノマー）を数珠つなぎに連結していく「重合」というプロセスによって作られます。この重合反応は、その反応の形式（メカニズム）によって、大きく付加重合と縮合重合という2つのタイプに大別されます。この2つの形式を理解することは、高分子化学の全体像を把握するための根幹となります。

2.1. 付加重合 (Addition Polymerization)

定義:
- 不飽和結合（主にC=C二重結合）を持つモノマーが、次々と付加反応を繰り返しながら連結し、高分子を形成する重合形式。
- 連鎖反応的に進行するのが特徴です。
反応の要点:
- モノマーの二重結合のπ結合が開き、隣のモノマーとの間に新しい単結合（σ結合）が形成されていきます。
- 反応の過程で、モノマーから原子が失われることはありません。
- その結果、生成する高分子の繰り返し単位の元素組成は、原料であるモノマーの元素組成と全く同じになります。
化学式（一般形）:\( n(\text{CH}_2\text{=CHX}) \rightarrow -[\text{CH}_2\text{-CHX}]_n- \)(ビニルモノマー) → (ポリマー)
モノマー: 主に、エチレン、プロピレン、塩化ビニル、スチレンといったビニル化合物や、ブタジエンのような共役ジエンが用いられます。
代表的なポリマー:
- ポリエチレン (PE)
- ポリプロピレン (PP)
- ポリ塩化ビニル (PVC)
- ポリスチレン (PS)
- ポリメタクリル酸メチル (PMMA)
- 合成ゴム (ポリブタジエン, SBRなど)

2.2. 縮合重合 (Condensation Polymerization)

定義:
- 2つ以上の官能基を持つモノマー同士が、縮合反応（反応の際に水やアルコール、塩化水素といった簡単な分子が脱離する反応）を繰り返しながら、段階的に連結していく重合形式。
反応の要点:
- エステル化やアミド化といった、おなじみの有機反応が繰り返し起こります。
- 反応の過程で、水などの**副生成物（低分子）**が生成します。
- その結果、生成する高分子の繰り返し単位の元素組成は、原料であるモノマーの元素組成の合計とは異なります（脱離した分子の分だけ原子が少なくなる）。
化学式（一般形, ポリエステルの例）:\( n(\text{HOOC-R-COOH}) + n(\text{HO-R’-OH}) \rightarrow -[\text{OC-R-COO-R’}]_n- + 2n\text{H}_2\text{O} \)(ジカルボン酸) + (ジオール) → (ポリエステル) + (水)
モノマー:
- 分子内に2つの同じ官能基を持つモノマー（例：ジオール, ジアミン, ジカルボン酸）。
- または、分子内に2つの異なる官能基を持つモノマー（例：ヒドロキシ酸, アミノ酸）。
代表的なポリマー:
- ポリエステル: ポリエチレンテレフタレート (PET)
- ポリアミド: ナイロン66, ナイロン6
- 熱硬化性樹脂: フェノール樹脂, 尿素樹脂
- 天然高分子: タンパク質（アミノ酸の重合）, セルロース（グルコースの重合）も、形式的には縮合重合に分類されます。

2.3. 付加重合と縮合重合の比較

特徴	付加重合 (Addition Polymerization)	縮合重合 (Condensation Polymerization)
モノマー	不飽和結合（C=Cなど）を持つ	2つ以上の官能基を持つ
反応形式	付加反応の繰り返し（連鎖反応）	縮合反応の繰り返し（段階反応）
副生成物	なし	あり（H₂O, HClなど）
繰り返し単位の組成	モノマーと同一	モノマーの合計より小さい
代表例	ポリエチレン、ポリプロピレン、PVC	ナイロン、PET、フェノール樹脂

【新しい分類：連鎖重合と逐次重合】

近年では、反応機構に基づいて、より厳密な分類が用いられることもあります。

連鎖重合 (Chain polymerization): 開始剤によって生成した活性種（ラジカル、イオン）が、次々とモノマーを連鎖的に成長させていく形式。多くの付加重合がこれにあたります。
逐次重合 (Step-wise polymerization): モノマー同士が反応して二量体、三量体となり、それらがさらに反応して…というように、段階的に分子量が大きくなっていく形式。多くの縮合重合がこれにあたります。

このモジュールでは、まず「付加重合」の世界を詳しく探検し、次のModule 13で「縮合重合」の世界へと進んでいきます。

3. 付加重合のメカニズム

付加重合は、一見すると単純にモノマーが繋がっていくように見えますが、その背後では、非常に反応性の高い活性種が介在する、ダイナミックな連鎖反応 (Chain reaction) が進行しています。付加重合のメカニズムには、活性種の種類によってラジカル重合、カチオン重合、アニオン重合などがありますが、ここでは最も基本的で工業的にも重要なラジカル重合 (Radical polymerization) のメカニズムを詳しく見ていきます。

ラジカル重合のプロセスは、Module 2で学んだアルカンのハロゲン化と同様に、①開始段階、②成長（生長）段階、③停止段階という、3つの明確なステップに分けることができます。

3.1. 開始段階 (Initiation)

重合の連鎖反応を開始させるためには、まずラジカルを生成させる必要があります。この役割を担うのが重合開始剤 (Initiator) です。

開始剤: 熱や光によって容易に分解し、ラジカルを生成する不安定な化合物が用いられます。代表的な開始剤は、過酸化ベンゾイル (BPO) のような有機過酸化物です。
プロセス:
1. 開始剤の分解: 過酸化ベンゾイルを穏やかに加熱すると、比較的弱いO-O結合が均等に開裂（ホモリティック開裂）し、2つのベンゾイルオキシラジカルが生成します。
2. ラジカルの生成: 生成したベンゾイルオキシラジカルは、さらに分解して安定な二酸化炭素を放出し、フェニルラジカル (\(\text{C}_6\text{H}_5\cdot\)) を生成します。このフェニルラジカルが、重合を開始させる最初のラジカルとなります。
3. モノマーへの付加: 生成した開始剤ラジカル (R・) が、モノマー（例：塩化ビニル）のC=C二重結合のπ電子を攻撃し、付加します。これにより、モノマーにラジカル中心が移動した、新しい、より大きなラジカルが生成します。この瞬間、重合の連鎖が始まります。\( \text{R}\cdot + \text{CH}_2\text{=CHCl} \rightarrow \text{R-CH}_2\text{-}\overset{\cdot}{\text{C}}\text{HCl} \)

3.2. 成長（生長）段階 (Propagation)

プロセス: 開始段階で生成したモノマーラジカルが、ドミノ倒しのように、次から次へと新しいモノマー分子に付加していく段階です。このステップが何千回、何万回と繰り返されることで、高分子の長い鎖が形成されます。
1. 最初の成長: \( \text{R-CH}_2\text{-}\overset{\cdot}{\text{C}}\text{HCl} + \text{CH}_2\text{=CHCl} \rightarrow \text{R-CH}_2\text{-CHCl-CH}_2\text{-}\overset{\cdot}{\text{C}}\text{HCl} \)
2. n回の成長: \( \text{R-}[ \text{CH}_2\text{-CHCl} ]_n\text{-CH}_2\text{-}\overset{\cdot}{\text{C}}\text{HCl} \)
特徴:
- 非常に速い: 成長段階は極めて速く進行し、長い高分子鎖がミリ秒単位で形成されることもあります。
- ラジカルの再生: 各ステップで、ラジカルは消費されるのではなく、鎖の末端に移動して再生されます。これにより、連鎖反応が持続します。
- 付加の方向: 非対称なモノマー（CH₂=CHX）への付加では、ラジカルは通常、立体障害の少ないCH₂側（頭）に付加し、新しいラジカルが置換基Xの付いた炭素側（尾）に生成します。これにより、「頭-尾-頭-尾…」という規則正しい連結（頭尾結合）が起こります。

3.3. 停止段階 (Termination)

プロセス: 成長し続ける高分子ラジカルは、最終的に何らかの形でその反応性を失い、安定な高分子となって連鎖反応が終了します。これが停止段階です。
停止の原因: 停止は、反応系に存在する2つのラジカル同士が反応することで起こります。モノマーが消費されて濃度が低下し、ラジカル同士が出会う確率が高くなると、停止反応が起こりやすくなります。
主な停止反応:
1. 再結合（カップリング）: 2つの成長している高分子ラジカルの末端同士が直接結合し、1本のより長い高分子を形成します。\( \text{P}_n\cdot + \text{P}m\cdot \rightarrow \text{P}{n+m} \) (Pはポリマー鎖を表す)
2. 不均化: 一方の高分子ラジカルが、もう一方の高分子ラジカルから水素原子を引き抜きます。これにより、一方は末端が二重結合になった高分子（不飽和末端）に、もう一方は飽和した高分子になります。\( \text{P}_n\cdot + \text{P}_m\cdot \rightarrow \text{P}_n\text{H} + \text{P}_m\text{(-H)} \)

3.4. 連鎖移動

プロセス: 成長している高分子ラジカルが、モノマーや溶媒、あるいはすでに生成した高分子鎖から水素原子などを引き抜き、自身の成長を停止させると同時に、相手方を新しいラジカルにしてしまう反応。
影響:
- これは、重合度を制御する要因となります。
- 特に、高分子鎖から水素が引き抜かれると、鎖の途中に新しいラジカル点ができ、そこから新しい鎖が枝として成長を始めます。これは、分岐構造が生成する主な原因となります（例：低密度ポリエチレン）。

ラジカル重合のメカニズムを理解することは、重合度や分岐構造といった、ポリマーの基本的な構造がどのようにして決まるのか、そしてそれが最終的な材料の物性にどう影響するのかを、分子レベルで理解するための基礎となります。

4. ポリエチレン（PE）

ポリエチレン (Polyethylene, PE) は、最も単純な構造を持つ合成高分子であり、世界で最も生産量が多く、最も広く利用されているプラスチックです。その原料は、石油化学工業の基礎製品であるエチレンであり、安価に大量生産が可能です。

ポリエチレンは、単一の化合物ではなく、その製造法によって構造と性質が大きく異なる、いくつかのグレードが存在します。ここでは、その代表である高密度ポリエチレン (HDPE) と低密度ポリエチレン (LDPE) の違いに焦点を当て、分子構造が材料の巨視的な物性をいかに支配するかを学びます。

4.1. モノマーと重合

モノマー: エチレン (Ethene), \( \text{CH}_2\text{=CH}_2 \)
重合反応: エチレンの付加重合\( n(\text{CH}_2\text{=CH}_2) \rightarrow -[\text{CH}_2\text{-CH}_2]_n- \)

4.2. 高密度ポリエチレン (High-Density Polyethylene, HDPE)

製法:
- チーグラー・ナッタ触媒（四塩化チタンとトリアルキルアルミニウムの錯体）などを用いて、比較的低温・低圧（常圧〜数十気圧）で重合させます。
- この触媒は、エチレン分子を規則正しく一列に連結させる働きをします。
構造:
- 重合反応が規則正しく進行するため、分岐のほとんどない、直鎖状の高分子鎖が生成します。
- この直線的な分子鎖は、互いにきれいに、そして**密にパッキング（充填）**することができます。
- その結果、分子鎖が規則正しく配列した結晶領域の割合が高くなります（結晶化度が高い）。
性質:
- 高密度: 分子鎖が密に詰まっているため、密度が高くなります（0.94～0.97 g/cm³）。
- 高い剛性と強度: 分子鎖間のファンデルワールス力が強く働くため、硬くて丈夫です。
- 高い融点: 融点は130℃前後。結晶構造を壊すのにより多くのエネルギーが必要です。
- 不透明: 結晶領域で光が散乱されるため、乳白色で不透明です。
用途:
- その強度と剛性を活かして、灯油のポリタンク、バケツ、洗剤やシャンプーのボトル、コンテナ、水道管、ガソリンタンクなどに利用されます。

4.3. 低密度ポリエチレン (Low-Density Polyethylene, LDPE)

製法:
- 高温・高圧（1000～3000気圧, 200～300℃）で、過酸化物などを開始剤とするラジカル重合によって製造されます。
- この過酷な条件下では、成長中の高分子ラジカルが、他の高分子鎖から水素原子を引き抜く連鎖移動反応が頻繁に起こります。
構造:
- 連鎖移動によって、高分子鎖の途中に多数の**分岐（枝分かれ）**が生成します。
- この不規則な分岐が、分子鎖同士が規則正しく配列するのを妨げます。
- その結果、分子鎖は疎にしかパッキングできず、非晶領域の割合が高くなります（結晶化度が低い）。
性質:
- 低密度: 分子鎖が疎にしか詰まっていないため、密度が低くなります（0.91～0.93 g/cm³）。
- 柔軟性と柔らかさ: 分子鎖間の引力が弱いため、柔らかく、しなやかです。
- 低い融点: 融点は110℃前後。結晶化度が低いため、低い温度で軟化します。
- 透明性: 非晶領域が多く、光の散乱が少ないため、透明性が高いです。
用途:
- その柔軟性と透明性を活かして、食品包装用フィルム、ごみ袋、ラップフィルム、マヨネーズやケチャップのチューブ容器（スクイズボトル）、農業用フィルムなどに利用されます。

4.4. ポリエチレンの共通の性質

化学的安定性: 炭素と水素のみからなる飽和炭化水素鎖であるため、化学構造はアルカンに似ています。そのため、耐薬品性に優れ、酸やアルカリ、多くの有機溶媒に侵されにくいです。
電気絶縁性: 極性を持たないため、電気を通さず、優れた電気絶縁体です。電線の被覆材などに利用されます。
無極性: 分子全体として無極性であるため、水は弾きますが、印刷や接着がしにくいという欠点もあります。

ポリエチレンは、同じモノマーから出発しながら、重合プロセスを制御することで、分子の一次元的な構造（分岐の有無）を変化させ、それが三次元的なパッキング（結晶化度）を、そして最終的には材料としてのマクロな物性（硬さや透明性）を劇的に変えることができるという、高分子科学の最も基本的な原理を示す、完璧な教材と言えるでしょう。

5. ポリプロピレン（PP）

ポリエチレンのモノマーであるエチレン（\(\text{CH}_2\text{=CH}_2\)）の水素原子を1つ、メチル基（-CH₃）で置き換えたプロピレン (Propylene)。この単純なモノマーから作られるポリプロピレン (Polypropylene, PP) は、ポリエチレンに次いで生産量が多く、強度、耐熱性、耐薬品性のバランスに優れた、極めて汎用性の高いプラスチックです。

ポリプロピレンの化学で特筆すべきは、メチル基という側鎖の存在が、高分子鎖に**立体規則性（タクティシティー）**という新しい次元の複雑さをもたらす点です。この立体構造の制御が、ポリプロピレンの優れた物性を実現する鍵となります。

5.1. モノマーと重合

モノマー: プロピレン (Propene), \( \text{CH}_2\text{=CHCH}_3 \)
重合反応: プロピレンの付加重合\( n(\text{CH}_2\text{=CHCH}_3) \rightarrow -[\text{CH}_2\text{-CH(CH}_3)]_n- \)

5.2. 立体規則性（タクティシティー）

ポリプロピレンの主鎖には、メチル基が結合した不斉炭素原子が交互に現れます。この不斉炭素の立体配置の連なり方、すなわち側鎖であるメチル基の向きが、高分子鎖全体でどのように揃っているか、その規則性を**立体規則性（タクティシティー, Tacticity）**と呼びます。

アイソタクチック (Isotactic) ポリプロピレン:
- すべてのメチル基が、高分子の主鎖に対して同じ側を向いて、規則正しく配列している構造。
- 「イソ (iso-)」は「同じ」を意味します。
シンジオタクチック (Syndiotactic) ポリプロピレン:
- メチル基が、主鎖に対して交互に、規則正しく反対側を向いて配列している構造。
- 「シンジオ (syndio-)」は「交互の」を意味します。
アタクチック (Atactic) ポリプロピレン:
- メチル基の向きが完全にランダムで、何の規則性もない構造。
- 「ア (a-)」は否定の接頭語です。

5.3. 構造と物性の関係

この立体規則性の違いは、高分子鎖のパッキングのしやすさに直結し、材料としての物性を劇的に変化させます。

アイソタクチックとシンジオタクチック:
- 側鎖の配置が規則正しいため、高分子鎖はきれいならせん構造などを形成し、互いに密に、規則正しくパッキングすることができます。
- その結果、結晶化度が高くなり、高い強度、高い剛性、高い融点を持つ、機械的性質に優れたプラスチックとなります。
アタクチック:
- 側鎖の配置がランダムであるため、高分子鎖が規則正しく並ぶのを妨げます。
- その結果、結晶化度が非常に低く、べとべとしたゴム状の、あるいは脆い性質しか持たず、実用的なプラスチックとしてはほとんど利用価値がありません。

5.4. チーグラー・ナッタ触媒の役割

初期のポリプロピレン合成では、アタクチックポリマーしか得られず、実用化は困難でした。この状況を一変させたのが、1950年代にカール・チーグラーとジュリオ・ナッタによって開発されたチーグラー・ナッタ触媒です。

この触媒は、モノマーであるプロピレンが重合鎖に付加する際の立体的な向きを精密に制御する能力を持っています。
これにより、立体規則性の高いアイソタクチックポリプロピレンを選択的に合成することが可能となり、ポリプロピレンの工業生産への道が開かれました。この業績により、両名は1963年にノーベル化学賞を受賞しました。

5.5. ポリプロピレンの性質と用途

工業的に生産されるポリプロピレンは、主に結晶性の高いアイソタクチックポリプロピレンです。

性質:
- 軽量: 汎用プラスチックの中で最も密度が低く（約0.90 g/cm³）、水に浮きます。
- 高強度・高剛性: ポリエチレンよりも硬く、引っ張り強度に優れています。
- 高融点・耐熱性: 融点は約160～170℃と、ポリエチレンよりも高く、熱湯や蒸気滅菌にも耐えられます。
- 耐薬品性: 優れた耐薬品性を持ちます。
- ヒンジ特性: 折り曲げ疲労に非常に強く、蝶番（ヒンジ）のように繰り返し折り曲げても壊れにくいというユニークな特性があります。
用途:
- 自動車部品: バンパー、ダッシュボード、バッテリーケースなど（軽量性と強度）。
- 家電製品: 洗濯機の槽、扇風機の羽根、食品容器など（耐熱性、耐薬品性）。
- 食品容器・包装: 電子レンジ対応の食品容器、フィルム、キャップなど（耐熱性、安全性）。
- 繊維: カーペット、ロープ、不織布（マスクなど）（強度、耐摩耗性）。
- 医療器具: 注射器、シャーレなど（蒸気滅菌が可能）。
- その他: 文房具のケース、コンテナなど（ヒンジ特性）。

ポリプロピレンは、立体化学の制御がいかにして材料の性能を飛躍的に向上させるかを示す、高分子科学の輝かしい成功例です。

6. ポリ塩化ビニル（PVC）

ポリ塩化ビニル (Polyvinyl chloride, PVC) は、その頭文字をとって「塩ビ」や「ビニル」とも呼ばれ、ポリエチレン、ポリプロピレンに次いで広く使用されている、極めて汎用性の高いプラスチックです。その最大の特徴は、添加する可塑剤の量によって、硬いパイプから柔らかいシートまで、その硬さを自在に調整できる点にあります。

この多様な物性の根源は、モノマーである塩化ビニルが持つ、極性の高い塩素原子にあります。

6.1. モノマーと重合

モノマー: 塩化ビニル (Vinyl chloride), \( \text{CH}_2\text{=CHCl} \)
- 塩化ビニルは、エチレンに塩素を付加させて得られる1,2-ジクロロエタンを熱分解することで工業的に製造されます。
重合反応: 塩化ビニルの付加重合\( n(\text{CH}_2\text{=CHCl}) \rightarrow -[\text{CH}_2\text{-CHCl}]_n- \)

6.2. 構造と性質の関係

ポリ塩化ビニルの繰り返し単位には、電気陰性度の大きい塩素原子が結合しています。この塩素原子が、PVCの性質を決定づけています。

極性による分子間力:
- C-Cl結合は、塩素原子が電子を引きつけるため、強い極性を持っています。
- そのため、PVCの高分子鎖の間には、ファンデルワールス力に加えて、比較的強い双極子-双極子相互作用が働きます。
- この強い分子間力により、高分子鎖は互いに強く引き合い、動きにくくなっています。
結果として現れる性質:
- 加工しない状態のPVCは、硬くて丈夫なプラスチックです。
- ポリエチレンやポリプロピレンよりも、難燃性に優れています（塩素原子が燃焼を抑制する働きをするため）。
- 耐薬品性、耐水性、電気絶縁性にも優れています。

6.3. 硬質PVCと軟質PVC：可塑剤の役割

PVCの最大の特徴は、その硬さを可塑剤 (Plasticizer) と呼ばれる添加剤によって、広範囲にわたって制御できることです。

6.3.1. 硬質ポリ塩化ビニル (Rigid PVC)

組成: 可塑剤を加えていない、あるいはほとんど加えていないPVC。
構造: 高分子鎖が密に詰まり、強い分子間力で固く束縛された状態。
性質: 硬く、機械的強度に優れる。
用途:
- 水道管、ガス管: 耐久性、耐食性。
- 建材: 窓枠（サッシ）、雨どい、壁材（サイディング）。
- その他: レコード盤、クレジットカード、文房具（下敷きなど）。

6.3.2. 軟質ポリ塩化ビニル (Flexible PVC)

組成: PVCに、フタル酸エステル類（例：フタル酸ジオクチル, DOP）などの可塑剤を多量に添加したもの。
可塑剤の働き:
- 可塑剤は、沸点の高い液体状の有機化合物です。
- これがPVCの高分子鎖の間に入り込み、分子鎖間の距離を広げます。
- その結果、分子鎖間の双極子-双極子相互作用が弱まり、高分子鎖が互いに滑りやすくなります。
性質: ゴムのように柔らかく、しなやかになります。添加する可塑剤の量が多いほど、より柔らかくなります。
用途:
- 農業用フィルム（ビニールハウス）
- 壁紙、床材（クッションフロア）
- 電線の被覆: 電気絶縁性と柔軟性。
- ホース、チューブ: 耐水性、柔軟性。
- その他: 合成皮革（フェイクレザー）、消しゴム、ラップフィルム（食品用は安全性の観点から他の素材に移行）。

6.4. 環境への配慮

熱分解: PVCを焼却する際に、不完全燃焼すると、塩素に由来する塩化水素 (HCl) が発生します。これが水分と反応して塩酸となり、焼却炉を傷めたり、酸性雨の原因となったりする可能性があります。また、低温での焼却は、ダイオキシン類などの有害物質を生成する懸念も指摘されています。
リサイクル: これらの問題に対応するため、現在ではPVC製品のリサイクル技術が進展し、分別回収と再資源化が積極的に進められています。

ポリ塩化ビニルは、分子間力という化学の基本原理と、可塑剤という添加物の効果によって、材料の物性を自在にデザインできることを示す、非常に教育的な高分子材料です。

7. ポリスチレン（PS）

ポリスチレン (Polystyrene, PS) は、その透明性と加工のしやすさから、私たちの日常生活の様々な場面で利用されている、五大汎用樹脂の一つです。CDケースのような透明で硬い製品から、誰もが知っている「発泡スチロール」のような軽量な断熱材まで、多様な姿を持つのが特徴です。

この多様性は、モノマーであるスチレンが持つ、かさ高い**ベンゼン環（フェニル基）**という側鎖の構造に由来します。

7.1. モノマーと重合

モノマー: スチレン (Styrene), \( \text{C}_6\text{H}_5\text{CH=CH}_2 \)
- IUPAC名: ビニルベンゼン (Vinylbenzene) またはフェニルエテン (Phenylethene)
重合反応: スチレンの付加重合\( n(\text{C}_6\text{H}_5\text{CH=CH}_2) \rightarrow -[\text{CH}_2\text{-CH(C}_6\text{H}_5)]_n- \)

7.2. 構造と性質の関係

ポリスチレンの性質は、その側鎖に、大きくて剛直なベンゼン環を持つことによって大きく影響されます。

構造:
- 側鎖のベンゼン環は非常にかさ高いため、高分子鎖の自由な回転を大きく妨げます。
- その結果、ポリマー鎖は非常に硬く、動きにくいものになります。
- また、このランダムに配置された巨大な側鎖が、高分子鎖が規則正しく並ぶのを妨げるため、通常のポリスチレンは結晶化しにくい非晶性のポリマーとなります。
性質:
- 硬質で剛性が高い: 高分子鎖が動きにくいため、硬く、しっかりとした形状を保ちます。
- 高い透明性: 結晶領域を持たない非晶性であるため、光の散乱が少なく、ガラスのような優れた透明性を示します。
- もろさ (脆性): 硬い反面、衝撃に対する耐性は低く、曲げると割れやすいというもろさがあります。
- 低い耐熱性: 融点（軟化点）は比較的低く（約100℃）、熱いものを入れると変形しやすいです。
- 電気絶縁性: 無極性であるため、優れた電気絶縁性を示します。
- 耐薬品性: 酸やアルカリには比較的強いですが、多くの有機溶媒（アセトン、ベンゼンなど）には溶けやすいです。

7.3. ポリスチレンの主な用途（GPPS）

上記のような性質を持つ、 unmodified なポリスチレンは、汎用ポリスチレン (General Purpose Polystyrene, GPPS) と呼ばれます。

CDケース、DVDケース: 透明性、剛性。
食品容器: 透明な惣菜パック、ヨーグルトやプリンの容器、透明なコップ（もろいため、現在は他の素材に代替されつつある）。
プラモデルの部品: 加工のしやすさ、硬さ。
その他: 使い捨てカミソリの柄、事務用品など。

7.4. 発泡ポリスチレン (Expanded Polystyrene, EPS)

ポリスチレンの最も有名な応用例が、発泡スチロールとして知られる発泡ポリスチレン (EPS) です。

製法:
1. ポリスチレンの小さなビーズに、発泡剤となる低沸点の炭化水素（ブタンやペンタンなど）を含ませます。
2. これを金型に入れ、水蒸気で加熱します。
3. 加熱によってポリスチレンが軟化すると同時に、発泡剤が気化して膨張します。
4. その結果、ビーズが50倍以上にも膨らみ、互いに融着して、金型の形をした製品が成形されます。
構造: 最終的な製品の体積の98%が空気という、非常に多孔質な構造をしています。
性質:
- 極めて軽量。
- 優れた断熱性: 内部に閉じ込められた無数の空気の泡が、熱の伝導を効果的に防ぎます。
- 優れた緩衝性: 衝撃を吸収する能力が高いです。
用途:
- 梱包材・緩衝材: 家電製品などを輸送中の衝撃から守る。
- 断熱材: 住宅の壁や床の断熱材。
- 食品トレー: 魚や肉の食品トレー、カップ麺の容器。
- その他: 浮き（フロート）、ジオラマの材料など。

7.5. 改質ポリスチレン

ポリスチレンのもろさを改善するために、ブタジエンゴムなどを混合（ポリマーアロイ）して耐衝撃性を向上させた耐衝撃性ポリスチレン (High Impact Polystyrene, HIPS) も広く利用されています。これは不透明ですが、GPPSよりもはるかに丈夫で、家電製品の筐体などに使われます。

ポリスチレンは、側鎖の化学構造が、ポリマーの物理的な性質（硬さ、透明性）をいかに決定づけるか、そして発泡という物理的な加工法によって、全く新しい機能（断熱性、緩衝性）が付与されるかを示す、興味深い事例です。

8. ポリ酢酸ビニルとポリビニルアルコール

高分子化学の世界では、ある高分子を化学反応によって別の高分子へと変換する「高分子反応」という手法が、新しい機能を持つ材料を創り出すために重要な役割を果たします。その最も代表的で教育的な例が、ポリ酢酸ビニル (PVAc) からポリビニルアルコール (PVA) を合成するプロセスです。

この物語は、一見すると単純に見える「なぜポリビニルアルコールは、そのモノマーであるビニルアルコールから直接作れないのか？」という謎から始まります。

8.1. ポリ酢酸ビニル (Polyvinyl Acetate, PVAc)

モノマー: 酢酸ビニル (Vinyl acetate), \( \text{CH}_3\text{COOCH=CH}_2 \)
重合反応: 酢酸ビニルの付加重合\( n(\text{CH}_3\text{COOCH=CH}_2) \rightarrow -[\text{CH}_2\text{-CH(OCOCH}_3)]_n- \)
構造: 側鎖に比較的大きなエステル基 (-OCOCH₃) を持つ、非晶性のポリマーです。
性質:
- 無色透明で、比較的柔らかい樹脂です。
- 極性を持つエステル基のおかげで、多くの物質に対する接着性に優れています。
用途:
- 接着剤: 木工用ボンドの主成分として、広く知られています。水性エマルション（水に微粒子が分散した状態）として供給され、水分が蒸発するとポリマーの粒子が融着して強固な接着層を形成します。
- 塗料（エマルションペイント）: 接着剤と同様の原理で、壁などに塗布すると、水分が蒸発して耐久性のある塗膜を形成します。
- チューインガムのベース: チューインガムの「ガムベース」の成分の一つとしても利用されます。

8.2. ビニルアルコールの謎

ポリビニルアルコールのモノマーは、ビニルアルコール (Vinyl alcohol), \( \text{CH}_2\text{=CH-OH} \) です。この分子は、二重結合炭素にヒドロキシ基が直接結合したエノールの一種です。

しかし、Module 9で学んだケト-エノール互変異性により、エノールは一般的に非常に不安定であり、速やかに、より安定な異性体であるカルボニル化合物へと異性化してしまいます。

ビニルアルコールは、平衡状態において、そのほとんどが異性体であるアセトアルデヒドとして存在します。\( \text{CH}_2\text{=CH-OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{CHO} \)(ビニルアルコール, 不安定) \( \rightleftharpoons \) (アセトアルデヒド, 安定)
結論: ビニルアルコールは安定なモノマーとして単離することができないため、ビニルアルコールを直接付加重合させてポリビニルアルコールを合成することは、事実上不可能です。

8.3. ポリビニルアルコール (Polyvinyl Alcohol, PVA) の合成

この問題を解決するのが、「高分子反応」という迂回ルートです。

製法: ポリビニルアルコールは、まずポリ酢酸ビニルを合成し、そのポリマーが持つ側鎖のエステル結合を加水分解することで製造されます。この反応は、エステルの「けん化」と同様の反応です。
反応式:\( -[\text{CH}_2\text{-CH(OCOCH}_3)]_n- + n\text{NaOH} \rightarrow -[\text{CH}_2\text{-CH(OH)}]_n- + n\text{CH}_3\text{COONa} \)(ポリ酢酸ビニル) + (水酸化ナトリウム) → (ポリビニルアルコール) + (酢酸ナトリウム)
- 工業的には、触媒量の塩基または酸を用いて、メタノール中でエステル交換反応（メタノリシス）を起こす方法が一般的です。

8.4. ポリビニルアルコールの性質と用途

ポリ酢酸ビニルの側鎖が、エステル基 (-OCOCH₃) からヒドロキシ基 (-OH) に変わることで、その性質は劇的に変化します。

構造: 側鎖に多数のヒドロキシ基を持つ。
性質:
- 親水性・水溶性: 多数のヒドロキシ基が、水分子と強力な水素結合を形成するため、ポリビニルアルコールは多くのプラスチックとは異なり、水に溶けるという特徴的な性質を持ちます。加水分解の度合い（けん化度）を調整することで、水への溶解度を制御できます。
- 高い強度: 分子鎖間で形成される強力な水素結合により、フィルムや繊維にすると、非常に高い強度と耐摩耗性を示します。
- ガスバリア性: 水素結合が密な構造を作るため、酸素などの気体を通しにくい性質（ガスバリア性）に優れています。
用途:
- 洗濯糊、接着剤: 水溶液として利用されます。
- 繊維のサイジング剤（糊剤）: 織物の工程で、糸を保護し、強度を高めるために使われます。（最終的には水で洗い流される）
- フィルム: 水溶性の包装フィルム（例：農薬の個別包装）、偏光フィルム（液晶ディスプレイの必須部材）など。
- 合成繊維: 強度を活かして、ビニロンという合成繊維の原料となります。ポリビニルアルコールをホルムアルデヒドで処理（アセタール化）して、耐水性を向上させたものです。

ポリ酢酸ビニルからポリビニルアルコールへの変換は、高分子の側鎖を化学的に修飾することで、その物理的性質（接着性→水溶性、強度）を根本からデザインし直すことができるという、高分子化学の面白さと可能性を示す、見事な一例です。

9. ポリメタクリル酸メチル（PMMA）

ポリメタクリル酸メチル (Polymethyl methacrylate, PMMA) は、「アクリル樹脂」の代表であり、「アクリルガラス」や、デュポン社の商標である「ルーサイト」、三菱ケミカル社の「アクリライト」などの商品名で広く知られています。

その最大の特徴は、無機ガラスに匹敵する、あるいはそれを凌駕するほどの優れた透明性（光学的性質）と、ガラスよりもはるかに軽量で割れにくいという機械的性質を両立している点にあります。この「有機ガラス」は、私たちの身の回りの様々な場所で、無機ガラスの代替品として、あるいはそれ以上の価値を持つ材料として活躍しています。

9.1. モノマーと重合

モノマー: メタクリル酸メチル (Methyl methacrylate)
- メタクリル酸（アクリル酸のα炭素にメチル基が置換したカルボン酸）と、メタノールとのエステルです。
重合反応: メタクリル酸メチルの付加重合\( n(\text{CH}_2\text{=C(CH}_3)\text{COOCH}_3) \rightarrow -[\text{CH}_2\text{-C(CH}_3)\text{(COOCH}_3)]_n- \)

9.2. 構造と性質の関係

PMMAが持つ卓越した透明性の秘密は、その化学構造と、それがもたらす物理的な状態にあります。

構造:
- 主鎖の炭素原子に、2つの比較的かさ高い側鎖（メチル基 -CH₃ と、エステル基 -COOCH₃）が結合しています。
- これらの大きくて不規則な側鎖が、高分子鎖が規則正しく並んで結晶を形成することを、立体的に大きく妨げます。
非晶性 (Amorphous):
- その結果、PMMAは典型的な非晶性ポリマーとなり、結晶領域をほとんど持ちません。
- 分子は、液体がそのまま固まったかのように、ランダムな配置で凍結しています。
透明性の理由:
- 物質の透明性は、光がその内部を通過する際に、どれだけ散乱されないかによって決まります。
- プラスチックにおいて、光の散乱の主な原因となるのが、結晶領域と非晶領域の境界です。これら2つの領域は屈折率が異なるため、その境界で光が乱反射し、透明性が失われます（物質が白く濁って見える）。
- PMMAは、全体がほぼ均一な非晶状態であるため、このような内部での光の散乱がほとんど起こりません。その結果、**極めて高い光線透過率（93%以上）**を達成し、無機ガラスを上回るほどの透明性を実現します。

9.3. PMMAの優れた性質

優れた光学的性質:
- 高い透明性: 可視光線のほぼ全域を透過させます。
- 高い屈折率: ガラスに近い屈折率（約1.49）を持ちます。
優れた機械的性質:
- 高い表面硬度: プラスチックの中では最も硬い部類に入り、傷がつきにくいです。
- 優れた耐衝撃性: 無機ガラスよりもはるかに割れにくく、安全性が高いです。
- 軽量: 密度はガラスの半分以下です。
優れた耐候性:
- 太陽光（紫外線）や雨風に長期間さらされても、変色や劣化が起こりにくく、屋外での使用に適しています。
加工性:
- 熱可塑性樹脂であるため、加熱することで容易に曲げたり、成形したりすることができます。

9.4. PMMAの用途

これらの優れた性質の組み合わせにより、PMMAは多岐にわたる分野で利用されています。

光学材料:
- コンタクトレンズ（ハードタイプ）: 高い透明性と酸素透過性。
- メガネのレンズ: 軽量で割れにくい。
- 光ファイバー: 通信用のプラスチック光ファイバーのコア材料。
- 液晶ディスプレイの導光板: スマートフォンやテレビのバックライトの光を、画面全体に均一に広げるための重要な部品。
ガラス代替品:
- 航空機の窓（風防）: 軽量で高い耐衝撃性。
- 水族館の巨大な水槽: 分厚くても透明性を保ち、巨大な水圧に耐える強度を持つ。
- 看板、照明カバー、ショーケース: 耐候性と加工性。
- 自動車のテールランプカバー: 成形のしやすさと耐候性。
その他:
- 義歯（入れ歯の歯の部分）: 生体適合性と加工性。
- 塗料、接着剤: アクリル絵の具やアクリル系接着剤の主成分。
- 日用品: 透明な食器、雑貨など。

PMMAは、モノマーの側鎖構造を巧みに設計することで、高分子の三次元的なパッキング（結晶化）を制御し、その結果として「透明性」という特定の物理的性質を極限まで高めることができるという、高分子設計の好例です。

10. 合成ゴム（ポリブタジエン、SBR、NBR）

これまでに学んできたプラスチック（樹脂）は、主にその硬さや形状保持性を利用する材料でした。しかし、高分子化学の世界には、ゴムのような弾性、すなわち「大きく引き伸ばされても、力を除けば元の形に戻る」という、ユニークな性質を持つ材料群が存在します。これらの性質を持つ高分子をエラストマー (Elastomer)と呼び、その代表が合成ゴム (Synthetic Rubber) です。

合成ゴムの化学は、共役ジエンの付加重合と、複数のモノマーを組み合わせる共重合、そして弾性を発現させるための加硫という、3つの重要な概念に基づいています。

10.1. ゴム弾性の基本：加硫

天然ゴムも合成ゴムも、重合したままの状態（生ゴム）では、高分子鎖が独立しているため、温度が上がると軟化・流動し、力で引き伸ばすと元に戻らない、粘土のような性質しかありません。

加硫 (Vulcanization):
- この問題を解決するために、1839年にチャールズ・グッドイヤーが発見したのが加硫です。
- 生ゴムに少量の硫黄 (Sulfur) を加えて加熱すると、高分子鎖の間に硫黄原子による架橋構造 (-S-S-)が形成されます。
- この架橋によって、高分子鎖は三次元的な網目構造となり、互いに滑り動くことができなくなります。
弾性の発現:
- 力を加えて引き伸ばすと、ランダムに丸まっていた高分子鎖が伸びます。
- 力を除くと、架橋点が「記憶」の役割を果たし、高分子鎖はエントロピーが増大する元のランダムな状態に戻ろうとします。これがゴム弾性の源泉です。
条件: 加硫が可能なためには、高分子の主鎖に、硫黄と反応できるC=C二重結合が残っている必要があります。

10.2. 共役ジエンの付加重合

合成ゴムのモノマーとして中心的な役割を果たすのが、1,3-ブタジエンのような共役ジエンです。

1,4-付加重合:
- 1,3-ブタジエン (\(\text{CH}_2\text{=CH-CH=CH}_2\)) が付加重合する際には、主に1,4-付加と呼ばれる特殊な形式で反応が進行します。
- モノマーの両端の炭素（C1とC4）で新しい結合が形成され、中央のC2とC3の間に新たに二重結合が1つ生成します。
- \( n(\text{CH}_2\text{=CH-CH=CH}_2) \rightarrow -[\text{CH}_2\text{-CH=CH-CH}_2]_n- \)
意義: このようにして生成したポリブタジエンの主鎖には、繰り返し単位ごとに1つのC=C二重結合が残ります。この二重結合が、後の加硫反応の足場となるのです。

10.3. 共重合：性質をデザインする

単一のモノマーから作られるホモポリマーでは、達成できる物性には限界があります。そこで、2種類以上の異なるモノマーを混ぜて重合させる共重合 (Copolymerization) という手法が、ゴムの性質を多様にデザインするために広く用いられます。

10.3.1. スチレン-ブタジエンゴム (Styrene-Butadiene Rubber, SBR)

モノマー: スチレンと1,3-ブタジエン
構造: スチレン単位とブタジエン単位が、不規則に連なった共重合体。
性質:
- 天然ゴムに性質が似ており、耐摩耗性や耐老化性に優れています。
- 弾性や強度は天然ゴムにやや劣りますが、安価に大量生産できます。
用途:
- 自動車用タイヤの原料として、最も大量に生産・消費されている合成ゴムです。カーボンブラックなどを配合して、強度をさらに高めて使用されます。

10.3.2. アクリロニトリル-ブタジエンゴム (Acrylonitrile-Butadiene Rubber, NBR)

モノマー: アクリロニトリルと1,3-ブタジエン
構造:
- アクリロニトリル (\(\text{CH}_2\text{=CH-CN}\)) は、極性の高いシアノ基 (-C≡N) を持っています。
性質:
- この極性の高いシアノ基のおかげで、分子間に強い双極子-双極子相互作用が働き、無極性のガソリンや石油系の**油（オイル）**とはなじみにくくなります。
- その結果、極めて優れた耐油性を示します。
用途:
- その耐油性を活かして、ガソリン用のホース、オイルシール、パッキン、印刷用のロール、使い捨てのゴム手袋など、油に触れる環境で使用される部品に不可欠な材料です。

合成ゴムの化学は、モノマーの選択（共役ジエン）、重合の戦略（共重合）、そして後処理（加硫）という、複数の化学的要素を組み合わせることで、特定の用途（タイヤ、耐油ホース）に最適化された高機能材料をいかにして創り出すかを示す、高分子設計の集大成と言えるでしょう。

Module 12：合成高分子化合物（1）付加重合の総括：モノマーから創る現代社会の物質基盤

このモジュールで、私たちは有機化学の知識が、いかにして私たちの日常生活を形作るプラスチックやゴムといった合成高分子化合物を生み出すか、その壮大な物語の前半を探求しました。旅の主役は、モノマーが次々と連鎖して巨大分子を形成する「付加重合」という、ダイナミックなプロセスでした。

まず私たちは、広大な高分子の世界を、熱に対する振る舞いから熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂に分類する、基本的な地図を手にしました。そして、付加重合が、モノマーのπ結合がドミノ倒しのように開いていく、原子の損失を伴わない効率的な連鎖反応であることを、そのメカニズムから理解しました。

各論では、最も単純なモノマーであるエチレンから、構造のわずかな違い（分岐の有無）だけで全く異なる性質を持つ高密度(HDPE)と低密度(LDPE)のポリエチレンが生まれる様を見ました。これは、「構造が物性を決定する」という高分子科学の中心原理を学ぶ、最初のレッスンでした。ポリプロピレンでは、側鎖の向きを揃える立体規則性という新しい概念が登場し、触媒化学がいかにして材料の性能を飛躍させるかを目の当たりにしました。

ポリ塩化ビニルでは、塩素原子がもたらす極性が、可塑剤という「助っ人」を得て、硬質から軟質まで自在に性質を変える多様性を示しました。ポリスチレンは、かさ高いベンゼン環がもたらす透明性と硬さ、そして発泡させることで「発泡スチロール」という全く新しい断熱・緩衝機能を得る、物理的加工の妙を見せてくれました。

さらに、ポリビニルアルコールの物語は、モノマーからは直接作れない高分子を、別の高分子（ポリ酢酸ビニル）からの化学変換（高分子反応）によって創り出すという、化学の迂回戦略の巧みさを教えてくれました。**PMMA（アクリル樹脂）**は、透明性という一つの性質を極限まで追求した分子設計の成果であり、合成ゴムの世界では、複数のモノマーを組み合わせる「共重合」によって、耐摩耗性（SBR）や耐油性（NBR）といった、特定の目的に特化した機能をいかにして付与するかを学びました。

このモジュールを通じて見えてきたのは、現代社会を支える多様な合成材料が、決して無秩序なプラスチックの塊ではなく、それぞれが明確な化学的個性を与えられた、精密な分子の集合体であるということです。モノマーの構造を選択し、重合のプロセスを制御し、時には後処理を加えることで、人類は望みの機能を持つ材料を創り出してきたのです。

【基礎 化学(有機)】Module 12：合成高分子化合物（1）付加重合