立體規則性(tacticity)
許多高分子鏈的每隔一個主鏈原子就掛著一個小基團——聚丙烯上的甲基、聚苯乙烯上的苯環。想像一根長長的圍欄橫桿,每隔一根柱子就釘著一面小旗。每面旗可以指向橫桿的左邊或右邊,而立體規則性就是這些左右選擇沿著鏈延伸的模式:旗子是全在同一側、嚴格交替、還是隨意亂插?
有三種標準模式。全同立構(isotactic):每個側基都指向同一邊,所有旗子在同一側。間同立構(syndiotactic):以完美的左-右-左-右節奏交替。無規立構(atactic):隨機分布在兩側、毫無規律。關鍵在於這是組態(configuration)的問題、而非構形——每個帶取代基碳原子的掌性由聚合時形成的鍵所鎖定,所以你無法靠加熱或拉伸把無規立構鏈變成全同立構鏈;那得打斷再重接碳-碳鍵才行。得到哪種模式由觸媒決定:一般自由基聚合給出隨機(無規立構)鏈,而齊格勒-納塔(Ziegler-Natta)與金屬茂(metallocene)觸媒能極精準地強制出全同或間同立構的規則性。
立體規則性是高分子結晶的守門人,而同一材料內部的對比讓這點令人難忘。全同立構聚丙烯規則到足以整齊堆疊,於是會結晶、在約攝氏 165 度熔化,是瓶蓋、繩索、食品容器裡那種堅韌又便宜的塑膠。無規立構聚丙烯化學組成完全相同,但甲基隨機散落,根本無法讓相鄰的鏈對位進晶格——它從不結晶,只是一坨柔軟、發黏、幾乎沒用的膠。規則的鏈能結晶,是因為完全相同的重複單元可以被擺進完全相同的位置;不規則的鏈不能,因為沒有可讓晶體咬合的重複形狀。
聚丙烯有兩種個性,卻共用同一化學式。全同立構 PP(甲基全在同一側)結晶度約 50 到 60 個百分點,在約攝氏 165 度熔化,是全世界產量最大的塑膠之一。無規立構 PP(甲基隨機)從不結晶;它是軟塌發黏的材料,只能當低階添加劑用。唯一的差別就是立體規則性——一個小基團的左右模式。
立體規則性是側基的左右模式:規則(全同/間同立構)的鏈會結晶,隨機(無規立構)的鏈不能。
立體規則性是組態、不是構形:它在合成時由鍵所決定,無法藉退火消除。別指望加熱或拉伸能讓無規立構鏈結晶——除了打斷鍵,沒有什麼能改變它的立體模式。