Kationische Polymerisation

Die kationische Polymerisation ist eine Art der Polymerisation. Neben der kationischen Polymerisation gibt es noch die anionische und radikalische Polymerisation. Bei dieser Form der Polymerisation stehen positiv geladene Ionen im Mittelpunkt. Diese Kationen werden für die Kettenreaktion benötigt, sodass als Produkt der Reaktion ein Polymer entsteht. Die kationische Polymerisation wird hauptsächlich zur Herstellung von Kunststoffen genutzt.

Kationische Polymerisation – Definition

Die kationische Polymerisation erfolgt über Kationen, also positiv geladene Ionen. Zur Einleitung der Reaktion ist ein Initiator notwendig. Dieser sorgt dafür, dass ein initiales Kation entsteht. Dieses positiv geladene Ion greift elektrophil an einem Monomer an. Somit ist die Reaktion zur Erzeugung einer Kette aus Monomeren gestartet.

Die kationische Polymerisation wird auch als elektrophile Polymerisation bezeichnet. Grund für diese Bezeichnung ist der elektrophiler Angriff des Kations auf das Monomer.

Kationische Polymerisation – Monomere

Für die kationische Polymerisation ist es wichtig, dass die Monomere eine Mehrfachbindung und (funktionelle) Gruppen besitzen, die einen +M-Effekt ausüben können. Im Folgenden wird vereinfacht von einer Doppelbindung gesprochen.

Bei einer kationischen Polymerisation greift ein Kation an einem Monomer an. Die positive Ladung wird von diesem Monomer übernommen. Ein +M-Effekt ist an dieser Stelle wichtig, da dieser Effekt das positiv geladene Monomer-Ion stabilisieren kann.

Beispiele für Monomere, die für die kationische Polymerisation geeignet sind, sind Verbindungen mit einer Doppelbindung, die eine Alkoxy- oder Phenyl-Gruppe aufweisen.

Ein bekanntes Beispiel für ein Monomer ist Isobuten. Dessen Polymerisationsprodukt ist der Kunststoff Polyisobuten - lange Kette aus Isobuten. Butylkautschuk ist ein weiterer bedeutender Kunststoff. Dieser Kunststoff besteht aus den Monomeren Isobuten und Isopren.

Kationische Polymerisation – Initiator

Zur Einleitung der Reaktion wird ein Initiator benötigt. Als Initiator der Reaktion werden starke Brönsted- oder Lewis-Säuren eingesetzt.

Brönsted-Säuren wirken als Initiator der Reaktion, indem sie ein Proton abgeben. Dieses Proton bindet sich an die Doppelbindung des Monomers. Somit ist das Monomer positiv geladen und kann als Kation die Kettenreaktion starten. Beispiele für Brönsted-Säuren sind Perchlorsäure (HClO₄) und Trifluormethansulfonsäure (CF₃SO₃H).

Lewis-Säuren benötigen zum Start der Reaktion noch Wasser. Es findet eine Hydrolyse statt und es werden Oxonium-Ionen ausgebildet. Diese Oxonium-Ionen können, wie bei den Brönsted-Säuren, das Monomer protonieren. Somit entsteht auch hier das nötige Kation. Lewis-Säuren sind beispielsweise Bortrifluorid (BF₃) und Aluminiumchlorid (AlCl₃).

Kationische Polymerisation – Mechanismus

Zur Einleitung der Reaktion wird ein Initiator benötigt. Im folgenden Beispiel kommt dafür eine Brönsted-Säure zum Einsatz.

Diese Säure gibt ihr Proton ab, welches schließlich die Doppelbindung des Monomers protoniert. Das Proton wird gebunden, wodurch die Doppelbindung aufgelöst wird. Durch diese Reaktion entsteht eine positive Ladung an einem Kohlenstoffatom. Das Monomer wird zu einem Kation. Ein Ion, welches eine positive Ladung am Kohlenstoffatom besitzt, wird in der Chemie als Carbo-Kation bezeichnet.

Abbildung 1: Ein Monomer wird von einer Brönsted-Säure protoniert

Das Carbo-Kation startet schließlich die eigentliche Kettenreaktion. Das positiv geladene Monomer-Ion greift weitere Monomer-Moleküle an. Durch diese Reaktionen entsteht eine Kette aus Monomeren.

Abbildung 2: Das positiv geladene Monomer-Ion greift ein weiteres Monomer an

Die Kettenübertragung stellt eine Nebenreaktion dar. Bei der Kettenübertragung wird ein Proton von einem Polymer-Ion auf ein Monomer übergeben. Somit entstehen ein Polymer und ein Monomer-Kation, welches eine Reaktion eingehen kann.

Ein Abbruch der Kettenreaktion ist durch zwei Szenarien möglich. Zum einen kann durch Zugabe von negativ geladenen Ionen oder Basen ein Abbruch der Reaktion erzeugt werden. Zum anderen kann sich auch ein Abbruch der Reaktion ereignen, wenn sich ein Proton von einem Monomer-Ion abspaltet.

Kationische Polymerisation am Beispiel Styrol

Polystyrol ist ein Kunststoff, der unter anderem über eine kationische Polymerisation hergestellt werden kann. Zum Einleiten der Reaktion wird zunächst der Initiator vorbereitet. Der Initiator der Reaktion ist in diesem Fall Eisentrichlorid (FeCl₃). Durch Zugabe von Wasser entsteht ein Proton, welches das Monomer Styrol protonieren kann.

Abbildung 3: Styrol wird protoniert

Es entsteht ein positiv geladenes Styrol-Ion. Die positive Ladung im Styrol kann hier durch mesomere Grenzstrukturen delokalisiert werden. Das heißt die positive Ladung kann keinem einzelnen Atom zugeordnet werden. Dieses Phänomen kommt durch den aromatischen Ring zustande. Diese mesomeren Effekte stabilisieren das positiv geladene Styrol-Ion.

Abbildung 4: Die positive Ladung wird über Mesomerie delokalisiert.

Das positiv geladene Styrol-Ion kann, kann nun weitere Reaktionen eingehen. Es greift andere Styrol-Moleküle an. Es entsteht eine Kettenreaktion, sodass schließlich Ketten aus Styrol-Molekülen entstehen. Diese Kette aus Styrol-Molekülen wird Polystyrol genannt.

Abbildung 5: Das Styrol-Ion greift ein weiteres Styrol-Molekül an.

Zu einem Abbruch der Kettenreaktion kann es kommen, wenn sich ein Proton aus dem Molekül abspaltet.

Abbildung 6: Abbruch der Kettenreaktion durch Abspaltung eines Protons

Eine andere Möglichkeit für einen Abbruch der Reaktion ist die Zugabe von Basen beziehungsweise Anionen. Diese Anionen können auch bereits im Gemisch der Reaktion vorliegen. Die Anionen können als Säurerest-Ion durch den Initiator existent sein.