PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 1 PŘÍRODNÍ POLYMERY RNDr. Ladislav Pospíšil, CSc. UČO:29716 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 2 Kdo jsem a odkud přicházím 19. 9. 2018 •Od 1. 10. 1974 do 31. 12. 2014 –POLYMER INSTITUTE BRNO, spol. s r.o. •GASCONTROL PLAST a.s., Havířov –pospisil@gascontrolplast.cz •Soukromá firma •Učím ještě na: •VUT FCH, Ústav chemie materiálů, •Občas UTB Zlín, Fakulta technologická •Spolupracuji i s VUT FAST, Ústav stavebních hmot a dílců PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 3 Předmět kurzu je: 19. 9. 2018 •Předmět poskytne studentům ZÁKLADNÍ PŘEHLED o přírodních polymerních materiálech využitelných pro aplikace v chemii konzervátora a restaurátora i jiných oblastech chemie polymerů, o jejich historii a současnosti. •Studenti budou schopni VYBRAT VHODNÉ POLYMERNÍ MATERIÁLY, případně jejich kombinace pro aplikace v chemii konzervátora a restaurátora i jiných oblastech chemie polymerů. •POROZUMĚT CHEMICKÝM REAKCÍM PŘÍRODNÍCH POLYMERŮ a chápat jejich vliv na vlastnosti takto modifikovaných přírodních polymerů. •Seznámit studenty i s PRŮMYSLOVÝM ZPRACOVÁNÍM PŘÍRODNÍCH POLYMERŮ. •Pochopit ROZDÍLY MEZI PŘÍRODNÍMI A SYNTETICKÝMI POLYMERY. •Být schopen samostatně ANALYZOVAT ROLI PŘÍRODNÍCH POLYMERŮ V SOUČASNÉM SVĚTĚ. •Podnítit v studentech zájem o další studium chemie přírodních polymerů. •Schopnost SAMOSTATNÉHO DOPLŇOVÁNÍ ZNALOSTÍ v oboru. • PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 4 Jak zařadit tuto přednášku do souvislosti s další výukou a specializací? 19. 9. 2018 Časový plán 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 5 LEKCE téma 1 Úvod do předmětu - Struktura a názvosloví přírodních polymerů, literatura 2 Deriváty kyselin, - přírodní pryskyřice, vysýchavé oleje, šelak 3 Vosky 4 Polyterpeny – přírodní kaučuk, získávání, zpracování a modifikace 5 Polyyfenoly – lignin, huminové kyseliny 6 Polysacharidy I – škrob 7 Polysacharidy II – celulóza 8 Bílkovinná vlákna I 9 Bílkovinná vlákna II 10 Kasein, syrovátka, vaječné proteiny 11 Identifikace přírodních látek 12 Laboratorní metody hodnocení přírodních polymerů 13 EXKURZE – ŠKROBÁRNA, VÝROBA A ZPRACOVÁNÍ ŠKROBŮ 14 EXKURZE – KOŽELUŽNA, VÝROBA KLIHU A ŽELATINY Systém studia •Přednášky budou vloženy do informačního systému •Zkouška jen písemná •TERMÍNY zkoušky – dle dohody • • PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 6 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 7 E - LEARNING Přednášky Budou vystaveny na e-learning Chřipková epidemie a podobné problémy Přednáška bude vystavena na e-learning Dotazy a připomínky Zasílat na moje Internetové adresy nebo do informačního systému MU 19. 9. 2018 Výuka předmětu PŘÍRODNÍ POLYMERY na MU a na jiných školách (není úplným výčtem) Škola Předmět MU, PřF, obor chemie Makromolekulární chemie, lekce 12 SVŠT Bratislava, fakulta chemická Prírodné polyméry (4 kredity, 2 hodiny přednášek týdně) VUT, FCH, Ústav chemie materiálů Polymery pro medicínské aplikace (3 kredity, 2 hodiny přednášek týdně) UTB, fakulta technologická, chemie a technologie materiálů, inženýrství polymerů Technologie přírodních polymerů Aplikace přírodních polymerů Polymerní kompozity přírodní a syntetické VŠCHT Praha, fakulta potravinářské a biochemické technologie Chemie přírodních látek – studijní obor VFU Brno, fakulta farmaceutická Ústav přírodních léčiv 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 8 Výuka předmětu PŘÍRODNÍ POLYMERY na MU a na jiných školách (POKRAČOVÁNÍ) Škola Předmět VUT, FCH, Ústav chemie potravin a biotechnologií Technologie biopolymerů (5 kreditů, 2 hodiny přednášek týdně). Naše přednášky jsou těmto dosti obsahově podobné, ale u nás nejsou zařazeny nukleové kyseliny, enzymy ani hormony 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 9 Výuka předmětu PŘÍRODNÍ POLYMERY (LÁTKY) na MU Škola Předmět MU, PřF, obor chemie Bioorganická chemie 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 10 img459.jpg img460.jpg Inženýrské specializace v oblasti přírodních polymerů Předmět Papír a celulóza Polysacharidy - škrob Koželužství Přírodní textilní vlákna (celulózová a bílkovinná) Bioplyn, dřevoplyn ……………………… 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 11 Biomasa Biomasa je souhrn látek tvořících těla všech organismů, jak rostlin, bakterií, sinic a hub, tak i živočichů. Tímto pojmem často označujeme rostlinnou biomasu využitelnou pro energetické účely. Energie biomasy má svůj prapůvod ve slunečním záření a fotosyntéze, proto se jedná o obnovitelný zdroj energie. Celková hmotnost biomasy je obvykle stanovena vážením, popřípadě též odhadem z objemu nebo délky těla. U čerstvě nalovených organismů je stanovena živá nebo čerstvá biomasa. Přesnější je stanovení biomasy suché (sušiny) a sušiny bez popelovin. Energetická hodnota biomasy je stanovena buď spálením v joulometru, nebo na základě podílu proteinů, cukrů a tuků. Rozeznáváme především zbytkovou (odpadní) biomasu - dřevní odpady z lesního hospodářství a celulózo-papírenského, dřevařského a nábytkářského průmyslu, rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny, komunální bioodpad a odpady z potravinářského průmyslu - a cíleně pěstovanou biomasu - energetické byliny a rychlerostoucí dřeviny PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 12 19. 9. 2018 Soubor:Špalek na štípání.jpg Soubor:Boletus erythropus 2010 G3.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/Spirulina_farm.jpg/220px-Spirulina_farm.jp g Doporučená literatura – nespecializované učebnice •Předmět nemá žádné tzv. PREREQUISITIES •J. Mleziva, J. Šňupárek: POLYMERY výroba, struktura, vlastnosti a použití (kapitola 21: Celulosa a její deriváty) •J. Mleziva, J. Kálal: Základy makromolekulární chemie (kapitola 6: Přírodní polymery) •J. McMurry: Organická chemie (kapitola 25: Biomolekuly: Sacharidy, kapitola 26: Biomolekuly:Aminokyseliny, peptidy a bílkoviny, kapitola 27: Biomolekuly:Lipidy) • 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 13 Nově sehnaná literatura 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 14 img631.jpg img632.jpg V češtině a slovenštině asi jediná literatura věnovaná výhradně PŘÍRODNÍM POLYMERŮM, ale nedostupná 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 15 162739.JPG 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 16 img451.jpg RSC Green Chemistry No. 16 Natural Polymers, Volume 1: Composites Edited by Maya J John and Thomas Sabu © The Royal Society of Chemistry 2012 Published by the Royal Society of Chemistry, www.rsc.org Tuto skutečně moderní knihu se podařilo s prof. Příhodou zakoupit 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 17 img033.jpg img035.jpg 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 18 img034.jpg img186.jpg 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 19 img269.jpg img268.jpg 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 20 img295.jpg img270.jpg 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 21 img242.jpg img389.jpg 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 22 img454.jpg img452.jpg 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 23 img453.jpg img455.jpg Čemu se věnovat budeme a čemu ne? •Budeme se věnovat •Přírodní oligomery •Vosky •Přírodní polymery •Modifikace přírodních polymerů •Využití přírodních polymerů •Nebudeme se věnovat •Enzymy •Hormony •Nukleové kyseliny •Nízkomolekulární přírodní látky 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 24 Přírodní polymery – HISTORICKÝ základ chemie polymerů a plastů •Celuloid > nitrocelulóza s kafrem •Galalit > kasein s formaldehydem •Viskózové vlákno > regenerovaná celulóza •………………. 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 25 NOVÝ PŘEDMĚT od tohoto semestru: Laboratorní cvičení z chemie přírodních polymerů 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 26 •C3807 Cvičení z chemie přírodních polymerů (podzim 2018) •Učit to budou Dr. et ing. Radka Bačovská a Mgr. Gabriela Vyskočilová Syntetické produkty •Přírodní produkty •Modifikované přírodní produkty •Syntetické produkty 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 27 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 28 img633.jpg Textilní vlákna jsou často přírodní polymery! Modifikované přírodní produkty 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 29 Textilní vlákna Přírodní vlákna Umělá vlákna Živočišná vlákna Rostlinná vlákna Minerální vlákna Modifikovaná přírodní vlákna Celulózová vlákna Bílkovinná vlákna Živočišná vlákna Rostlinná vlákna Kaseinovávlákna Zeinová vlákna Vlákna z podzemnice olejné Viskózová vlákna Měďnaté hedvábí Di a Triacetátové hedvábí RŮZNÉ Alginátová vlákna (není celulóza, ale je to POLYSACHARID) 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 30 Textilní vlákna Přírodní vlákna Umělá vlákna Živočišná vlákna Rostlinná vlákna Minerální vlákna Modifikovaná přírodní vlákna Vlákna ze srsti Vlákna ze sekretu Vlna Mohér Přírodní hedvábí Azbest Semenná vlákna Stonková (lýková) vlákna Listová vlákna Vlákna z plodů (ovoce) Bavlna Juta, Konopí, Len, ramie Sisal, ananas Kokosové vlákno Přírodní produkty 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 31 •Po izolaci a případném vyčištění je lze použít tak, jak jsou získány z přírodních zdrojů •PŘÍKLADY: –Celulózová vlákna > bavlna (cca. 98 % hmot. Celulózy) –Škrob > izolace z rostlin (brambory, pšenice, kukuřice) –Kolagen • Modifikované přírodní produkty 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 32 •Po izolaci a případném vyčištění jsou podrobeny chemické reakci (reakcím), čímž je získán výsledný produkt •PŘÍKLADY: –Celulózová vlákna > xantogenát > srážení > textilní vlákna –Škrob > kyselina + teplo > dextrinové lepidlo –Kolagen > denaturace > klíh a želatina • Syntetické produkty 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 33 •Výsledný produkt je získán záměrnou lidskou činností z látek (monomerů) •PŘÍKLADY: –Etylén > polyetylén –Butadien + styrén > butadien-styrénový kaučuk –Dimetyltereftalát + etylénglykol > PETP (PET) Význam přírodních polymerů v minulosti, současnosti a budoucnosti 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 34 •Minulost: dominance přírodních polymerů •Současnost: minoritní role jako technický plast, konkurence v oblasti lepidel trvá, přesun významu do potravinářství, kosmetiky a léčiv •BUDOUCNOST: –Rozvoj modifikovaných přírodních polymerů (asi kromě papíru) –Snahy o chemické využití biomasy –Energetické využití (bioplyn, dřevoplyn) Má KAŽDÉ využití přírodních surovin smysl? 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 35 •Co soudíte o těchto využitích: –Bionafta, –Kyselina polymléčná (PLA), –Biolíh, –Etylén z biolihu, –……………. Co je vhodné si oživit 1 ? 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 36 Fischer projection of D-Glyceraldehyde D-glucose-chain-2D-Fischer.png Fischer projection of D-Glucose img461.jpg Fischerova projekce D-Glukosy ještě jednou: • C1 je nahoře, • -OH na C5 je napravo Co je vhodné si oživit 2 ? 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 37 Mutarotace je jev, kdy se za určitý čas ve vodném roztoku monosacharidů vytvoří různé formy těchto monosacharidů (tzv. anomery). Dochází ke štěpení poloacetálové vazby a molekula sacharidu se mění na lineární. Z lineární molekuly se mění na jiné anomery (formy heterocyklických sacharidů). Příklad Pokud uvažujeme o vodném roztoku α-D-glukopyranosy, pak se po rozštěpení na lineární D-glukosu může přeměnit na své jiné anomery: α-D-glukopyranosu, β-D-glukopyranosu, α-D-glukofuranosu a β-D-glukofuranosu. V roztoku se však současně vyskytuje malé množství linéární D-glukosy, která v tu chvíli přechází do jiné formy monosacharidu. Co je vhodné si oživit 3 ? 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 38 img462.jpg img463.jpg Vazby -OH na C1 a vazba C5-C6 jsou TRANS Vazby -OH na C1 a vazba C5-C6 jsou CIS a – D – glukopyranosa (cyklická forma glukosy) b – D – glukopyranosa (cyklická forma glukosy) Co je vhodné si oživit 4 ? •a – D – glukopyranosa (cyklická forma glukosy, má jí být cca. 37 % molárních ) je v rovnováze s •b – D – glukopyranosa (cyklická forma glukosy , má jí být cca. 63 % molárních ) a tyto obě formy ještě koexistují s formou lineární (té má být jen cca. 0,002 % molárních) •Forma D v přírodě převažuje • 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 39 Biopolymery v AV ČR •Ústav chemických procesů AV ČR v Centrum kompetence pro výzkum biorafinací –Centra poskytne kupříkladu podklady, aby se průmysloví účastníci stali např. dodavateli stravitelných kolagenních a proteinových hydrolyzátů pro výživu –Projekt nyní probíhá 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 40 Cesta od nápadu k realizaci je PŘEDLOUHÁ 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 41 PERMÍN008.jpg Z knížky MLADÝ TECHNIK 5, vydané již v roce 1962! Co jsem pro vás udělal navíc •Souhrn o názvosloví sacharidů •SCAN „Didaktické problémy výuky sacharidů“ z Chemických listů 19. 9. 2018 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 1 2018 42