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Die Polymerisation - auch Polyreaktion genannt, ist eine Synthesereaktion. Polymerisation ist lediglich ein Oberbegriff von diesen Synthesereaktionen, bei denen Monomere zu Polymeren umgewandelt werden.
Eine Synthese ist ein Vorgang, bei dem aus Ausgangsverbindungen ein neuer Stoff künstlich im Labor hergestellt wird.
Das Wort Monomer beschreibt dabei einen Baustein des späteren Kunststoffs, das können beispielsweise Alkene sein. Ein Polymer hingegen ist die synthetisch hergestellte Form von Kunststoff, die aus langen Ketten eines oder zweier Monomere, gegebenenfalls auch mit Verzweigungen, besteht.
Man unterscheidet natürliche, wie Wolle, Seide oder Kautschuk und die syntetischen Kunststoffe, die entweder aus einem oder zwei Bausteinen bestehen. Es gibt zwei Arten von Polymeren: Die Additionspolymere und die Kondensationspolymere. Diese Kunststoffe sind genau das, was du zum Beispiel in Form von Verpackungen im Supermarkt vorfinden kannst.
Die Polymere werden entweder nach den Namen ihrer Monomere oder der funktionellen Gruppe im gebildeten Polymer benannt. Erstes ist bei den Additionspolymeren der Fall, während zweites auf die Kondensationspolymere, wie Polyether, Polyester, Polyamide, et cetera zutrifft.
Die Einteilung der verschiedenen Polymere erfolgt über ihre verschiedenen mechanischen Eigenschaften. Thermoplaste sind dabei Kunststoffe, die ab einer gewissen Temperatur verformbar sind. Duroplaste sind nach dem Aushärten nicht mehr verformbar, da sie eine dreidimensionale Struktur ausbauen. Die letzte Kategorie sind die Elastomere, die sich auch bei Raumtemperatur gummiartig verhalten.
Der Polymerisationsgrad einer Verbindung sagt Dir die Anzahl an Monomermolekülen, aus denen das Polymer aufgebaut ist. In der Regel bestehen Polymere aus Gemischen unterschiedlicher Polymerisationsgrade und somit auch Molekulargewichte. Aus diesem Grund werden die Mittelwerte aus diesen Größen angegeben.
Je nach Polymerisationsgrad verändert sich der Aggregatzustand der Polymere. Bei niedrigeren Stufen hat man meist noch Flüssigkeiten, deren Viskosität, sprich das Fließverhalten, mit dem Polymerisationsgrad variiert. Hier kann es problematisch werden, da bei exothermen Reaktionen die entstehende Wärme nicht ausreichend entweichen kann. In der Folge kommt es zu einer explosionsartigen Reaktion. Bei höheren Polymerisationsgraden hingegen findest Du meist Feststoffe vor.
Additionspolymere entstehen wenn reaktive Monomere, meist Alkene wie Ethen, Propen oder Butadien, mit Hilfe von Initiatoren oder Katalysatoren zu Polymeren umgesetzt werden. Der Oberbegriff dieser Stoffe lautet Vinylpolymere, weil die Bindungen über Doppelbindungen zustande kommen. Diese Reaktion läuft in Kettenreaktionen ab.
Ein Initiator ist ein Stoff, der die Polymerisationsreaktion, die ja eine Kettenreaktion ist, einleitet und dabei an das Polymer gebunden wird. Ein Katalysator hingegen ist ein Stoff, der die Reaktion einleitet, aber zurückgewonnen werden kann.
Die Additionspolymerisation kann in weitere Untergruppen unterteilt werden, die von der Wahl des Katalysators oder Initiators bestimmt wird. Die Wahl derer hängt wiederum von den Substituenten an den Monomeren ab.
Wenn elektronenreiche Substituenten vorliegen, dann werden elektrophile Katalysatoren oder Initiatoren hinzugegen. Das können Protonen (H+) oder Lewis-Säuren, also Moleküle mit einem Elektronenmangel sein. Ein Beispiel ist die Polymerisation von Isobuten mit Hilfe von H+.
Der Kettenstart erfolgt dabei durch die Addition eines Protons am Molekül. Dadurch kann ein weiteres Molekül Isobuten als nucleophil addiert werden. So setzt sich die Kette fort, bis ein Protonenakzeptor, wie beispielsweise H2O (Wasser) hinzugegeben wird. Das wird als Kettenabbruch bezeichnet.
Bei elektronenarmen Substituenten werden nucleophile Katalysatoren oder Initiatoren hinzugefügt. Das sind dann beispielsweise Carbanionen, also Kohlenwasserstoffe mit einem Elektronenüberschuss. Ausgangsstoffe sind hierbei beispielsweise Methacrylsäure-methylester oder Styrol. Auch hier verläuft die Kettenreaktion analog.
Eine weitere Art der Additionspolymerisationen ist die radikalische Polymerisation. Als Radikale dienen beispielsweise Peroxide
(
). Als Ausgangsstoffe dienen Tetrafluorethen, Vinylacetat, Styrol und Methacrylsäure-methylester. Wie Du siehst, werden die letzten beiden sowohl bei der anionischen, als auch bei der radikalischen Polymerisation verwendet.
Da die verwendeten Radikale nicht gut stabilisiert sind, benötigt die Reaktion hohe Drücke und hohe Temperaturen. Nach dem Ketten, geht die Reaktion in die Wachstumsreaktion über: in dieser Phase beginnt das Monomer mit Hilfe des Katalysators oder Initiators zu wachsen und eine makromolekulare Kette, das Polymer, auszubilden.
Anschließend kommt es zur Abbruchreaktion. In diesem Schritt wird die Wachstumsreaktion beendet, ausgelöst durch eine irreversible Kombination zweier Radikale unter Disproportionierung.
Eine Disproportionierung ist eine Reaktion bei der zwei Moleküle mit gleichen Oxidationszahlen zu zwei Molekülen mit unterschiedlichen Oxidationszahlen reagieren.
Die radikalische Polymerisation kann sehr gezielt gestoppt werden: Das Hinzugeben eines Radikalfängers unterbricht die Kettenreaktion. Man beachte, dass die Anlagerung an das jeweilige Kettenende nur deshalb funktioniert, weil es reaktiv ist. Es ist also in der Lage mit einem Monomer zu reagieren, wodurch sich dieses überhaupt erst anlagern kann.
Das Produkt hat Verzweigungen an der Kette und hat somit eine relaltiv niedrige Dichte aufweist, weshalb es als "low density polyethylene" (LDPE) bezeichnet wird. Die Verkettungen entstehen aus der Reaktion eines radikalischen Zentrums auf eine abgeschlossene Kette.
Die letzte Art zur Herstellung von Vinylpolymeren ist die koordinative Polymerisation von Alkenen, wie Ethen oder Propen. Diese gelingt nämlich auch mit Gemischen aus TiCl4 (Titan(IV)-chlorid) und Al(C2H5)3. Im Gegensatz zur radikalischen Polymerisation verläuft die koordinative bei Normaldruck oder etwas darüber und bei Raumtemperatur ab.
Das resultierende Polymer aus Ethen ist dabei unverzweigt und weist eine höhere Dichte und somit auch höheren Schmelzpunkt (130-135°C) als das Produkt der radikalischen Polymerisation auf. Es trägt den Namen "high density polyethylene" (HDPE).
Bisher hast Du die Vinylpolymere kennengelernt, die aus einer Sorte von Bausteinen besteht und deswegen auch Homopolymere genannt werden. Im Gegensatz dazu heißen Moleküle, die aus zwei oder mehr Sorten von Bausteinen bestehen, Copolymere. Innerhalb der Copolymere gibt es weitere Unterteilungen, je nach Anordnung der verschiedenen Bausteine.
Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Polykondensation. Bei einer Kondensationsreaktion kommt es in der Regel zur Abspaltung eines kleinen Moleküls, wie Wasser, unter Ausbildung einer neuen Bindung zwischen zwei größeren Molekülen. Damit diese Art der Reaktion funktioniert, werden als Basis mindestens zwei funktionelle Gruppen der Monomere benötigt, welche unabhängig voneinander reagieren können. Diese Reaktion läuft in Stufen ab.
Benötigt werden hierfür Oligomere, welche miteinander reagieren und sich zusammenschließen. Oligomere bestehen aus mehreren strukturell gleichen Einheiten. Du fragst dich jetzt, was mit dem Wasser passiert, das abgespalten wurde? Nichts. Es ist lediglich ein Nebenprodukt der Reaktion, muss jedoch regelmäßig abgeführt werden, da die Polykondensation sonst abgebrochen wird.
Die wohl bekannteste Polykondensation ist die von Terephtalsäure und Ethylenglykol in Gegenwart eines sauren Katalysators. Als Produkt entsteht das PET (Polyethylenterephtalat). Im Gegensatz zu den anderen Reaktionen, ist dies die einzige bei der ein Nebenprodukt anfällt.
Das Endprodukt kann als Polykondensat bezeichnet werden. Dieser Kunststoff wird beispielsweise für Plastikflaschen, in denen Getränke oder sonstige Flüssigkeiten aufbewahrt werden können. Ein weiterer großer Teil der weltweiten PET-Produktion wird für das Spinnen von Kunstfasern genutzt, die in Sportkleidung verwendet werden.
Außerdem können nicht nur synthetisch hergestellte Polymere durch das Verfahren Polykondensation entstehen. Polykieselsäure beispielsweise ist ein natürliches Polymer, entsteht jedoch ebenfalls durch die Polykondensation.
Ihr habt bis jetzt nur die synthetische Art und Weise der Polymerisation kennengelernt. Es besteht allerdings ebenfalls eine natürliche Form der Polymerisation:
diese erfüllen den Lebewesen allerdings einen anderen Zweck: Organismen nutzen die Polymerisationsreaktion unter anderem zur Synthese von DNA und Proteinen. Die dabei ablaufenden Reaktionen bei der Herstellung von Kunststoff sind jedoch viel komplizierter als die synthetischen Reaktionen.
Aufgrund der hohen Komplexität der Reaktionen, bestimmen sie auch das Aussehen des finalen Polymers. Gerade in Bezug auf die DNA ist das auch notwendig.
Da die natürliche Polymerisation so genau abläuft, versuchen Forscher diese Abläufe technisch nachzustellen.
Bei einer Polymerisation werden Monomere in Polymere umgewandelt. Die Polymere können aus ein, zwei oder mehreren verschiedenen Bausteinen aufgebaut werden.
Das sind zum einen Alkene, die aufgrund ihrer Doppelbindungen gut geeignet sind und zum anderen Moleküle mit funktionellen Gruppen, die miteinander unter Abspaltung eines kleinen Moleküls reagieren können.
Die gebildeten Produkte heißen Polymere.
Polymere bilden sich entweder über Additionsreaktionen oder Kondensationsreaktionen.
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