鏈構形(chain conformation)
高分子是一個由數千個小單元(單體)串接成的單一分子,形成一條極長的鏈——想像一串迴紋針或一條很長的珠鏈。現在把這條鏈拿起來:它可以垂成鬆散的圈、捲成一團亂、或幾乎拉直,而且它只要彎折就能在這些形狀之間變來變去。鏈構形就是指這個形狀——一條鏈在空間中所採取的特定排列,是它無需扯斷任何化學鍵、就能流動穿梭其間的無數形狀之一。
關鍵在於主鏈是一串單鍵(C-C sigma 鍵),而單鍵讓分子的兩半可以像轉軸一樣相對旋轉。每個主鏈鍵都有偏好的旋轉角度——常見的是伸直的 trans(反式)或彎折的 gauche(鄰位交叉)——而在整條鏈的每個鍵上選 trans 或 gauche,就決定了一個整體形狀。因為在數千個鍵上每個都有兩三種選擇,可能構形的數目大到天文數字(N 個鍵約為 3^N),而熱擾動讓熔體或溶液中的鏈不斷在它們之間跳動。這正是為什麼構形一定要與組態(configuration)分開:組態(立體化學、雙鍵的順反、立體規則性)由哪些原子鍵結到哪些原子所決定,只有打斷再重接鍵才能改變;而構形的改變是免費的,只要旋轉單鍵即可。
高分子的柔軟正源自構形。在熔體或玻璃態中,鏈以鬆散的無規線團被凍住或蠕動;當你拉一條橡皮筋,就是把這些線團拉向伸直的全反式形狀,而過程中損失的熵就是把它彈回去的回復力。當一條鏈終於結晶時,它必須放棄自由、採取一種規則重複的構形(聚乙烯躺成平坦的全反式鋸齒;全同立構聚丙烯繞成 3/1 螺旋)。所以同一個分子在熔體、橡膠、晶體中穿著不同的構形——而它能到達哪些構形,幾乎決定了軟物質所做的一切。
取一條有 10000 個主鏈碳的聚乙烯鏈。若每個鍵都處在伸直的反式位置,它就攤成一根約 1250 nm 長的剛性鋸齒棒——這是它在晶體內所採取的形狀。把它加熱到熔體,熱能便隨機把鍵翻成鄰位交叉;鏈皺縮成一團只有數十奈米大小的鬆散無規線團。同樣的原子、同樣的鍵——只是換了個構形。
構形是一條鏈的形狀,只要旋轉單鍵就能免費改變;組態則由鍵本身所固定。
別把構形和組態混為一談。構形只靠旋轉鍵就能改變(同一分子的熔體、線團、晶體形狀);組態——立體規則性、順反、立體化學——在合成時就固定,只有打斷化學鍵才能改變。