第十章课件lin

1、 天然大分子天然大分子 淀粉、蛋白质淀粉、蛋白质 、纤维素、核酸、纤维素、核酸 和各种生物大分子等。和各种生物大分子等。 人工合成大分子人工合成大分子 合成橡胶、聚烯烃、树脂和合合成橡胶、聚烯烃、树脂和合 成纤维等。成纤维等。 合成的功能合成的功能 大大分子材料有分子材料有 光敏光敏大大分子、导电性分子、导电性大大分子、医用分子、医用 大大分子和分子和大大分子膜等。分子膜等。大分子分类大分子分类 一般平均摩尔质量大于一般平均摩尔质量大于104 kg mol-1的物质称之为大的物质称之为大分子，主要有：分子，主要有： 性质性质大分子溶液大分子溶液溶胶溶胶粒子大小粒子大小10-710-9m10-7

2、10-9m通过半透膜通过半透膜不能不能不能不能热力学系统热力学系统稳定稳定不稳定不稳定扩散速率扩散速率慢慢慢慢丁铎尔效应丁铎尔效应弱弱强强渗透压渗透压大大小小粘度粘度大大小小溶剂亲和力溶剂亲和力大大小小外加电解质外加电解质不敏感不敏感敏感敏感一、大分子的结构一、大分子的结构1. 近程结构近程结构主要研究大分子的组成与构型主要研究大分子的组成与构型 包括高分子结构单元的化学组成和键接方式、空包括高分子结构单元的化学组成和键接方式、空间排列以及支化和交联等；近程结构是高分子最基础间排列以及支化和交联等；近程结构是高分子最基础的微观结构的微观结构交替共聚物交替共聚物 -A-B-A-B-A-B-A-B

3、-A-B-A-B-A-嵌段共聚物嵌段共聚物 -A-A-A-A-B-B-B-B-B-A-A-A-A-CCCCHHCH3CH3HHHHOOCCCCHHCH3CH3HHHHOOOCCCCHHCH3CH3HHHHOOCCCCHHCH3CH3HHHHOOOCCCCHHCH3CH3HHHHOOCCCCHHCH3CH3HHHHOOO全同全同间同间同无规无规2.远程结构远程结构包括大分子的大小和形态包括大分子的大小和形态 是指整个分子链范围内的结构状态，是指整个分子链范围内的结构状态，又称二次结构。形成二次结构的单元又称二次结构。形成二次结构的单元是由若干重复单元组成的链段。是由若干重复单元组成的链段。构象与

4、构型不同构象与构型不同，构象改变不引起化，构象改变不引起化学键断裂，它是由单键内旋转造成的。学键断裂，它是由单键内旋转造成的。由于内旋的结果，使具有同一构型的由于内旋的结果，使具有同一构型的分子中的原子相互的空间位置发生变分子中的原子相互的空间位置发生变化，产生了各种内旋异构体，称为分化，产生了各种内旋异构体，称为分子的构象。子的构象。3.分子的内旋转及柔顺性分子的内旋转及柔顺性1个大分子中所含的链段越多，链段长度越短，分子个大分子中所含的链段越多，链段长度越短，分子柔顺性越强；反之，大分子的刚性越强。柔顺性越强；反之，大分子的刚性越强。C1C2C3C4链段链段：独立运动的小单元，链段：独立运

5、动的小单元，链段是由一定数量相互影响的链节所是由一定数量相互影响的链节所组成的活动单元。组成的活动单元。 影响因素影响因素主链结构主链结构取代基取代基交联交联温度温度溶剂溶剂二、大分子的平均摩尔质量二、大分子的平均摩尔质量 由于聚合过程中，每个分子的聚合程度可以不一由于聚合过程中，每个分子的聚合程度可以不一样，所以聚合物的摩尔质量只能是一个平均值。而且，样，所以聚合物的摩尔质量只能是一个平均值。而且，测定和平均的方法不同，得到的平均摩尔质量也不同。测定和平均的方法不同，得到的平均摩尔质量也不同。常用有常用有4 4种平均方法，因而有四种表示法：种平均方法，因而有四种表示法： 数均摩尔质量数均摩尔

6、质量 Mn 质均摩尔质量质均摩尔质量 Mm z均摩尔质量均摩尔质量 Mz 粘均摩尔质量粘均摩尔质量 M数均摩尔质量可以用端基分析法和渗透压法测定。数均摩尔质量可以用端基分析法和渗透压法测定。 有一大分子溶液，各组分的分子数分别为有一大分子溶液，各组分的分子数分别为N1，N2，, NB ,其对应的摩尔质量为其对应的摩尔质量为M1，M2，MB。则数均摩尔质量的定义为则数均摩尔质量的定义为1122BBn12BBBBN MN MN MMNNNN MN数均摩尔质量数均摩尔质量Mn质均摩尔质量质均摩尔质量Mm质均摩尔质量可以用光散射法测定。质均摩尔质量可以用光散射法测定。 设设B B组分的分子质量为组分的

7、分子质量为mB，则质均摩尔质量的定义为，则质均摩尔质量的定义为 BB2BBBBBB11BB2211m MNMNmMmmmmMmMmMmMz均摩尔质量均摩尔质量Mz 在光散射法中利用在光散射法中利用Zimm图从而计算的高分子摩尔图从而计算的高分子摩尔质量称为质量称为z z均摩尔质量，它的定义是均摩尔质量，它的定义是用超离心沉降法测得的平均摩尔质量为用超离心沉降法测得的平均摩尔质量为z均摩尔质量均摩尔质量 BBB2BB3BBBB2BBz zMzMNMNMmMmM粘均摩尔质量粘均摩尔质量M 用粘度法测定的摩尔质量称为粘均摩尔质用粘度法测定的摩尔质量称为粘均摩尔质量。它的定义是量。它的定义是用粘度法测

8、得的平均摩尔质量为粘均摩尔质量用粘度法测得的平均摩尔质量为粘均摩尔质量 1BB1BB)1(B mMmMNMNMBB溶胀溶胀：溶剂小分子钻到大分子化合物分子间的空隙中：溶剂小分子钻到大分子化合物分子间的空隙中去，导致大分子化合物体积胀大。去，导致大分子化合物体积胀大。有限溶胀：若溶胀进行到一定程度就不再继续进行有限溶胀：若溶胀进行到一定程度就不再继续进行下去，则称之为有限溶胀下去，则称之为有限溶胀 ；无限溶胀：溶胀不断地进行下去直至大分子物质完无限溶胀：溶胀不断地进行下去直至大分子物质完全溶解成大分子溶液，这种溶胀称为无限溶胀全溶解成大分子溶液，这种溶胀称为无限溶胀 ；溶解溶解：大分子进入溶剂（

9、无限）。例煤油溶橡胶：大分子进入溶剂（无限）。例煤油溶橡胶溶胀可以看成是溶解的第一阶段，溶解是溶胀的继续，溶胀可以看成是溶解的第一阶段，溶解是溶胀的继续，达到完全溶解也就是无限溶胀。溶解一定经过溶胀，达到完全溶解也就是无限溶胀。溶解一定经过溶胀，但是溶胀并不一定必然溶解。但是溶胀并不一定必然溶解。 一、大分子的溶解特征一、大分子的溶解特征先溶胀后溶解先溶胀后溶解 线型大分子线型大分子均匀的溶液均匀的溶液良溶剂良溶剂无限溶胀无限溶胀体型大分子具有体型大分子具有三维网状结构三维网状结构 两相平衡状态两相平衡状态良溶剂良溶剂有限溶胀有限溶胀只溶胀不溶解只溶胀不溶解二、溶剂的选择二、溶剂的选择 极性相

10、近原则极性相近原则 溶度参数溶度参数近似原则近似原则溶剂化原则溶剂化原则 0 互溶形成理想溶液互溶形成理想溶液 1.5 溶解过程方能进行溶解过程方能进行 1.5 难溶或不能溶解难溶或不能溶解 匹配（亲电、亲核；强度）匹配（亲电、亲核；强度）考虑使用目的考虑使用目的无规线团无规线团 链链折叠链折叠链螺旋链螺旋链三、大分子在溶液中的形态三、大分子在溶液中的形态 渗透压渗透压Osmotic pressure SolutionSolventSemipermeable membrane 半透膜：半透膜：允许溶剂小分子通过，不允许溶质大分子通过允许溶剂小分子通过，不允许溶质大分子通过。一、大分子溶液的渗透

11、压一、大分子溶液的渗透压 大分子溶液的渗透压公式可用浓度的幂级数展开大分子溶液的渗透压公式可用浓度的幂级数展开式表示式表示 =RT（A1cA2c2A3c3） 式中式中A1、A2 、A3称作维利系数称作维利系数。 对大分子稀溶液，对大分子稀溶液，c c3 3项后往往可以忽略不计项后往往可以忽略不计 c=RTMnRTA2c二、渗透压的测量方法二、渗透压的测量方法 渗透平衡法渗透平衡法 速率终点法速率终点法 升降中点法升降中点法 渗透压法测量技术的渗透压法测量技术的关键是关键是半透膜的选择半透膜的选择。理。理想的半透膜应是物理化学想的半透膜应是物理化学性质稳定，不被溶解，仅性质稳定，不被溶解，仅溶剂

12、分子能很快透过并在溶剂分子能很快透过并在短时间内达到平衡。短时间内达到平衡。 1）渗透压法测定大分子）渗透压法测定大分子摩尔质量的范围是摩尔质量的范围是10 103kg mol-1, 摩尔质量太小时摩尔质量太小时, 容易通过容易通过半透膜半透膜, 制膜有困难制膜有困难; 太大时渗透压很低太大时渗透压很低, 测量测量误差大误差大. 2）只适用于）只适用于不能电离不能电离的大分子化合物的大分子化合物. 对于对于蛋白质水溶液蛋白质水溶液, 只有在等电点时才能适用只有在等电点时才能适用, 对对于可电离的大分子化合物于可电离的大分子化合物, 求出的摩尔质量往求出的摩尔质量往往偏低往偏低. 唐南唐南(Do

13、nnan)提出的离子隔膜平衡理提出的离子隔膜平衡理论论, 令人满意地解释了许多这类实验的情况令人满意地解释了许多这类实验的情况.一、涨落现象与光散射一、涨落现象与光散射 20世纪初，世纪初，Smoluchowski和和Einstein提出了光散提出了光散射的涨落理论射的涨落理论 大分子溶液的光散大分子溶液的光散射由两方面涨落产射由两方面涨落产生的生的 溶剂的密度涨落溶剂的密度涨落 大分子的浓度涨落大分子的浓度涨落 Debye根据涨落理论导出的大分子溶液散射光强根据涨落理论导出的大分子溶液散射光强I，r计算公式为计算公式为式中式中L为为Avogadro常数，常数，n0为溶剂折射率，为溶剂折射率，

14、c为溶液浓度，为溶液浓度，nc为折射率随浓度的变化率，为折射率随浓度的变化率，为入射光的波长，为入射光的波长， r为观测散射光的距离，为观测散射光的距离，为观测散射光与入射光的夹角，为观测散射光与入射光的夹角，c为渗透压随浓度的变化率，为渗透压随浓度的变化率，I0为入射光强。此式为入射光强。此式适用于入射光的波长大于大分子的情况适用于入射光的波长大于大分子的情况。 02224202,ccos12IcRTcnrLnIr 式中式中R称为称为Rayleigh比，代表散射光对入射光的相对强度，比，代表散射光对入射光的相对强度，是光散射实验中最重要的测量参数。是光散射实验中最重要的测量参数。1KcRcR

15、T Rayleigh比比常数常数K是把溶液的光学性质和其他常数合并成的一个常数。是把溶液的光学性质和其他常数合并成的一个常数。对稀溶液对稀溶液 212K cA cRM 用光散射法可以测定用光散射法可以测定质均摩尔质量质均摩尔质量 通常总是在通常总是在=90=90测定散射光强度，故测定散射光强度，故上式又可写成上式又可写成 o29012K cA cRM=+ 在不同浓度下测定在不同浓度下测定R90，以，以KcR90对对c作图作图得一直线，外推至得一直线，外推至c=0处，其截距为处，其截距为1M，即可，即可求得大分子的分子质量。求得大分子的分子质量。 一、一、Newton流体与粘度流体与粘度 大分子

16、溶液的流变性大分子溶液的流变性 大分子溶液在外力作用下大分子发生粘性流动大分子溶液在外力作用下大分子发生粘性流动和形变的性质。和形变的性质。 粘度粘度 流体流动时的内流体流动时的内摩擦力大小的量度摩擦力大小的量度 粘度的单位是粘度的单位是 Pas 或或Nm-2s 切变及切力切变及切力 流体在管道中呈层流流动流体在管道中呈层流流动时流速的径向分布时流速的径向分布yxy 对处于层流状态下的一定液体，切力对处于层流状态下的一定液体，切力F与两与两液层之间的接触面积液层之间的接触面积A及速度梯度及速度梯度dv/dx 成正比成正比 dvFAdx 如果用如果用表示单位面积上的切表示单位面积上的切力，力，D

17、表示速度梯度亦称切速率，表示速度梯度亦称切速率，则则FdvDAdx粘度系数粘度系数 物理意义是使单位面积的液层，保持速度梯度为物理意义是使单位面积的液层，保持速度梯度为1时时所施加的切力所施加的切力 vv=0 xy流变曲线与流型流变曲线与流型Newton型型ddFvDAx塑流型塑流型 -y=pD 假塑流型假塑流型 =KDn（0n1） 胀流型胀流型 =KDn （n1） 触变流型触变流型 ABC三、大分子溶液的粘度与分子质量的测定三、大分子溶液的粘度与分子质量的测定 设纯溶剂的粘度为0 ，大分子溶液的粘度为 ，两者不同的组合得到不同的粘度表示方法 粘度的几种表示方法粘度的几种表示方法 1.相对粘度

18、相对粘度r0 2.增比粘度增比粘度0spr01 3.比浓粘度比浓粘度spcc 4.特性粘度特性粘度 spr00limlimcccc 实验方法是用粘度计测出溶剂和溶液的粘度，再计算相对粘度r 和增比粘度sp。 特性粘度特性粘度是几种粘度中最能反映溶质分子本性的一种物理量，由于它是外推到无限稀释时溶液的性质，已消除了大分子之间相互作用的影响已消除了大分子之间相互作用的影响，而且代表了无限稀释溶液中，单位浓度大分子溶液粘度变化的分数。 当温度、聚合物和溶剂体系选定后，大分子溶液的粘度仅与浓度和聚合物分子的大小有关。 平均摩尔质量的测定平均摩尔质量的测定 以 spc对c 作图，得一条直线，以 lnrc

19、 对c作图得另一条直线。将两条直线外推至浓度c 0，得到特性粘度 。式中 K 和为与溶剂、大分子物质和温度有关的经验常数，有表可查。 从如下经验式求粘均摩尔质量M 。 KM 0.10.30.50.70.91.61.41.21.0spcspcrlncrlnc或或 1924年瑞典物理学家年瑞典物理学家Svedberg发明了超离心机发明了超离心机并用于蛋白质的研究，标志着分子生物学的开始。并用于蛋白质的研究，标志着分子生物学的开始。 离心力场中的沉降速率处理方法与重力场的相离心力场中的沉降速率处理方法与重力场的相似，只是用离心力替换重力。超离心技术分为似，只是用离心力替换重力。超离心技术分为沉降沉降

20、速率法速率法和和沉降平衡法沉降平衡法两种两种。 沉降速率法沉降速率法2120210ln1(1)BBxRTRTSxMD( -V )(t -t )D-V扩散扩散系数系数离心机角离心机角动量动量介质密介质密度度溶质偏比溶质偏比容容沉降系沉降系数数样品离转轴的样品离转轴的距离距离21221ln( - )xxSt tw=测出测出t1和和t2时质点离轴的距时质点离轴的距离离x1和和x2及及值值 S M测得扩散系数测得扩散系数D和和介质密度介质密度0值值 影响沉降速率的因素影响沉降速率的因素 大分子大小、形状和伸展状况大分子大小、形状和伸展状况 大分子浓度、分子间的作用力等大分子浓度、分子间的作用力等 测定

21、不同浓度下测定不同浓度下S和和D值，作图，外推求出值，作图，外推求出c0时的时的沉降系数沉降系数S0和扩散系数和扩散系数D0。 000(1)BSM-VDRT消除了大分子间的相互作用和摩擦阻力的影响消除了大分子间的相互作用和摩擦阻力的影响 SS、D 沉降速率法沉降速率法 沉降平衡法沉降平衡法2122202121BcRT lncMVxxc1、c2分别为距旋转轴分别为距旋转轴x1、x2处的大分子浓度处的大分子浓度 离心机角离心机角动量动量介质密度介质密度溶质偏溶质偏比容比容样品离转轴的样品离转轴的距离距离 在较弱离心力场时，大分子在离心作用下的沉降与浓在较弱离心力场时，大分子在离心作用下的沉降与浓度

22、差作用下的扩散形成一个平衡，沿转轴不同距离处的浓度差作用下的扩散形成一个平衡，沿转轴不同距离处的浓度按一定值分布。从平衡时的浓度分布，可以计算大分子度按一定值分布。从平衡时的浓度分布，可以计算大分子的平均摩尔质量，故称平衡法的平均摩尔质量，故称平衡法。 一、大分子电解质溶液概述一、大分子电解质溶液概述 大分子电解质溶液的分类大分子电解质溶液的分类 按大分子电按大分子电解质分子链解质分子链上所带基团上所带基团的属性的属性 阴离子型阴离子型 阳离子型阳离子型 两性型两性型 按大分按大分子电解子电解质分子质分子结构结构 刚性大分子刚性大分子电解质电解质 柔顺性大分柔顺性大分子电解质子电解质 大分子电

23、解质溶液的电学性质大分子电解质溶液的电学性质 高电荷密度和高度水化高电荷密度和高度水化 水溶液中水溶液中N-甘氨酰甘氨酰-L-缬氨酸溶剂化层表面电荷分布示意图缬氨酸溶剂化层表面电荷分布示意图羟基溶羟基溶剂化区剂化区氨 基 溶氨 基 溶剂化区剂化区疏 水 溶疏 水 溶剂化区剂化区肽键溶剂化区肽键溶剂化区 大分子电解质溶液的电粘效应大分子电解质溶液的电粘效应 由于大分子电解质分子链上的高电荷密度及高度水由于大分子电解质分子链上的高电荷密度及高度水化，在溶液中链段间的相斥力增大，分子链扩展舒张，溶化，在溶液中链段间的相斥力增大，分子链扩展舒张，溶液粘度迅速增加，这种现象称为电粘效应。液粘度迅速增加，

24、这种现象称为电粘效应。 一些大分子电解质溶液的粘度具有明显的一些大分子电解质溶液的粘度具有明显的pHpH依赖性依赖性 大分子电解质溶液的大分子电解质溶液的spsp c cc c曲线出现反常，曲线出现反常，不成线性关系，无法用外推法求不成线性关系，无法用外推法求 （b）（a）cspc举例：果胶酸钠举例：果胶酸钠spc对对c的关系的关系 （a）消除电粘效应的办法是在消除电粘效应的办法是在大分子电解质溶液加入足大分子电解质溶液加入足量的中性电解质，对大分量的中性电解质，对大分子电荷起屏蔽作用。子电荷起屏蔽作用。 在果胶酸钠溶液加入一定在果胶酸钠溶液加入一定量的量的NaCl溶液溶液 ，见（，见（b）。

25、）。一、大分子电解质溶液概述一、大分子电解质溶液概述 二、大分子电解质溶液的电泳现象二、大分子电解质溶液的电泳现象 在电场作用下，大分子电解质溶液会产生电泳在电场作用下，大分子电解质溶液会产生电泳现象。影响电泳速率的因素除了大分子本身所带现象。影响电泳速率的因素除了大分子本身所带电荷电荷多少多少、分子大小分子大小和和形状结构形状结构外，还与外，还与溶液溶液pH值值、离离子强度子强度等有关。等有关。溶液溶液pH值值和和离子强度离子强度的选择对电泳的选择对电泳参数的设置非常关键参数的设置非常关键 移动界面电泳移动界面电泳 区带电泳区带电泳 稳态电泳稳态电泳 区带电泳实验简便、易区带电泳实验简便、易

26、行，样品用量少，分离效率行，样品用量少，分离效率高，是分析和分离蛋白质的高，是分析和分离蛋白质的基本方法。基本方法。 常用的区带电泳有纸上电常用的区带电泳有纸上电泳，圆盘电泳和板上电泳等。泳，圆盘电泳和板上电泳等。 将惰性的固体或凝胶作将惰性的固体或凝胶作为支持物，两端接正、负电为支持物，两端接正、负电极，在其上面进行电泳，从极，在其上面进行电泳，从而将电泳速度不同的各组成而将电泳速度不同的各组成分离。分离。 区带电泳区带电泳 等电聚焦电泳就属于这一类，其等电聚焦电泳就属于这一类，其基本原理基本原理是利用利用是利用利用蛋白质分子或其他两性大分子的等电点的不同，在一个稳蛋白质分子或其他两性大分子

27、的等电点的不同，在一个稳定、连续、线性定、连续、线性pHpH梯度中进行蛋白质的分离和分析。梯度中进行蛋白质的分离和分析。 稳态电泳或称置换电泳是指大分子质点的电泳迁移在稳态电泳或称置换电泳是指大分子质点的电泳迁移在一定时间达到稳态后，带的宽度不再随时间而变化。一定时间达到稳态后，带的宽度不再随时间而变化。 基本方法基本方法是用某些脂肪族多氨基、多羟基混合物的两是用某些脂肪族多氨基、多羟基混合物的两性电解质作为载体，放入支持介质内，在直流电场作用下，性电解质作为载体，放入支持介质内，在直流电场作用下，两性电解质载体形成稳定、连续和线性的两性电解质载体形成稳定、连续和线性的pHpH梯度，当混合梯度

28、，当混合蛋白质样品进入此系统时，便迁移并聚焦于相应的等电点蛋白质样品进入此系统时，便迁移并聚焦于相应的等电点位置，使其分离纯化。位置，使其分离纯化。 稳态电泳稳态电泳 大分子电解质溶液中除了有不能通过半透膜的大分子电解质溶液中除了有不能通过半透膜的大分子离子外，还有可以通过半透膜但又受大分子大分子离子外，还有可以通过半透膜但又受大分子离子影响的小离子。在测定大分子电解质溶液的渗离子影响的小离子。在测定大分子电解质溶液的渗透压时，由于离子分布的不平衡会造成额外的渗透透压时，由于离子分布的不平衡会造成额外的渗透压，影响大分子摩尔质量的测定，称之为压，影响大分子摩尔质量的测定，称之为Donnan效效

29、应，要设法消除。应，要设法消除。 由于膜两边要保持电中性，使得达到渗透平衡时由于膜两边要保持电中性，使得达到渗透平衡时小离子在两边的浓度不等，这种平衡称为膜平衡或小离子在两边的浓度不等，这种平衡称为膜平衡或唐南平衡唐南平衡。 三、大分子电解质溶液的三、大分子电解质溶液的Donnan平衡平衡 Donnan平衡平衡 Donnan平衡平衡 虽然膜两边NaCl的浓度不等，但达到膜平衡时NaCl在两边的化学势应该相等，即 达到膜平衡时（如右（b）下图），为了保持电中性，有相同数量的Na+ 和Cl-扩散到了左边。 在蛋白质钠盐的另一侧加入浓度为c1的小分子电解质，如右（a）图。（a）（b）NaCl,NaCl,(左右） （）NaCl,NaCl,(aa=左右）所以所以 如果要消除如果要消除DonnanDonnan效应，或增加小分子电解质效应，或增加小分子电解质浓度，或降低大分子电解质浓度。浓度，或降低大分子电解质浓度。在稀溶液中，可以用浓度代替活度，则在稀溶液中，可以用浓度代替活度，则 (zc2x) x = (c1-x )2求解并整理得到平衡时膜两边求解并整理得到平衡时膜两边NaCl浓度之比为浓度之比为 121121NaCl,外NaCl,1czccczcxxccc内 大分子电解质溶液的渗透压大分子电解质溶液的渗透压 设有浓度为设有浓度为