Makromoleküle: Polymere, Typen, Klassifizierung und Anwendungen

Makromoleküle: Polymere und ihre Vielfalt

Inhalt über Polymere oder Makromoleküle: Typen und Eigenschaften

Makromoleküle sind sehr große Moleküle mit einem Molekulargewicht, das Millionen von UMA erreichen kann. Sie bestehen aus einer oder mehreren Wiederholungen von einfachen Einheiten, den Monomeren, die durch kovalente Bindungen verbunden sind. Diese Monomere bilden lange Ketten, die durch Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen oder hydrophobe Wechselwirkungen zusammengehalten werden.

Klassifizierung von Makromolekülen

Makromoleküle lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren:

Abhängig von der Herkunft:

• Natürlich: Gummi, Polysaccharide (Cellulose, Stärke), Proteine, Nukleinsäuren...
• Künstlich: Kunststoffe, synthetische Fasern, Polyurethan, Bakelit...

Je nach Zusammensetzung:

• Homopolymere: Bestehen aus einem einzelnen Monomer
• Copolymere: Bestehen aus zwei oder mehr Monomeren

Nach ihrer Struktur:

• Linear: Die Monomere sind an zwei Stellen (Kopf und Schwanz) miteinander verbunden.
• Verzweigt: Ein Monomer kann an drei oder mehr Stellen angebracht werden.

Nach ihrer Reaktion auf Hitze:

• Thermoplaste: Werden weich, wenn sie erhitzt werden, und nehmen ihre Eigenschaften nach dem Abkühlen wieder an. Sie können wiederholt erhitzt und geformt werden.
• Duroplaste: Sind nach dem Formen durch Erhitzen schwer wieder abzukühlen, bilden neue Verbindungen und können nicht neu geformt werden.

Eine allgemeine Klassifizierung könnte die folgende Tabelle sein:

Fasern können zu feinen Drähten gewebt werden, und Elastomere besitzen eine hohe Elastizität, sodass sie sich mehrfach in ihrer Länge dehnen können. Ein natürliches Elastomer ist Gummi.

Copolymerisation

Die Copolymerisation wird durch Polymerisation von zwei oder mehr Monomeren hergestellt. Diese können sein:

• Alternierend
• Blockartig
• Statistisch (Random)
• Verzweigt oder gepfropft

Arten der Polymerisation

Es gibt zwei grundlegende Arten der Polymerisation:

• Additionspolymerisation
• Kondensationspolymerisation

Additionspolymerisation

Die molekulare Masse des Polymers ist ein exaktes Vielfaches der molekularen Masse des Monomers, da bei der Bildung der Kette Monomere ohne Verlust von Atomen verbunden werden.

In der Regel folgt ein Drei-Stufen-Mechanismus mit homolytischer Spaltung:

• Initiation: CH₂=CHCl + Katalysator → ·CH₂-CHCl·
• Fortpflanzung oder Wachstum: 2·CH₂-CHCl· → ·CH₂-CHCl-CH₂-CHCl·
• Terminierung: Die radikalischen Enden verbinden sich mit Verunreinigungen oder verbinden sich mit zwei Ketten, wobei ein Terminal neutralisiert wird.

In der folgenden Tabelle sind einige der wichtigsten Polymerisate mit ihren wichtigsten Anwendungen sowie den Monomeren, aus denen sie stammen, aufgeführt. Beachten Sie, dass die Nomenklatur der Polymere auf der handelsüblichen Bezeichnung der Monomere basiert.

Wenn Sie Quicktime haben, können Sie einen Videoclip über eine Addition unter folgendem Link finden: http://fresno.pntic.mec.es/~fgutie6/quimica2/Videoclips/polimerizacion.qt

Polymer Monomer WICHTIGE ANWENDUNGEN

CH₂=CH₂ → -CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂- Taschen, Flaschen, Spielzeug...

Ethen (Ethylen), Polyethylen

CH₂=CH-CH₃ → -CH₂-CH-CH₂-CH- Filme, Küchengeräte, elektrisch isolierend...

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CH₃ CH₃

Propen (Propylen), Polypropylen

CH₂=CHCl → -CHCl-CH₂-CH₂-CHCl- Fenster, Sitze, Isolierung

Chlorethen (Vinylchlorid), Polyvinylchlorid

CH₂=CH- → -CH₂-CH-CH₂-CH- Spielzeug, Verpackungen, Wärme- und Schalldämmung

Phenylethen (Styrol), Polystyrol

CF₂=CF₂ → -CF₂-CF₂-CF₂-CF₂- Antihaftbeschichtungen, Isolation...

Tetrafluorethen, PTFE (Teflon)

CH₂=CCl-CH=CH₂ → -CH₂-CCl=CH-CH₂- Wärmedämmung, Reifen

2-Chlorbutadien, Chloropren (Neopren)

CH₂=CH-CN → -CH₂-CH-CH₂-CH- Polsterungen, Teppiche, Stoffe

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CN CN

Propenenitril (Acrylnitril), Polyacrylnitril

CH₂=C-COOCH₃ → -CH₂-C-CH₂-C- Möbel, optische Linsen und Zubehör

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CH₃ CH₃

COOCH₃ COOCH₃

Methyl-2-methylpropenoat (Methylmethacrylat), PMMA (Plexiglas)

Beispiel:

Eine Probe von Polybutadien hat eine durchschnittliche Molmasse von ca. 10.000 UMA. Wie viele Monomereinheiten sind in der Probe enthalten?

Monomer Molekulargewicht: 4 x 12 + 6 x 1 = 54 AMU → n = 10000/54 = 185

Geometrie bei der Polymerisation

Cis-trans-Polymerisation

Stereopolimerisation

Isotaktische, syndiotaktische Polymerisation wird mit dem Einsatz von Stereokatalysatoren erreicht, wie z. B. TiCl₄.

Polykondensation

Bei jeder Verbindung von zwei Monomeren wird ein kleines Molekül, z. B. Wasser, abgespalten. Daher ist das Molekulargewicht des Polymers kein exaktes Vielfaches der molekularen Masse der Monomere. Die wichtigsten Kondensationspolymere sind:

• Homopolymere:
  • Polyethylenglykol
  • Silikone
• Copolymere:
  • Bakelit
  • Polyester
  • Polyamide

Polyethylenglykol

Entsteht in der Regel durch den Verlust eines Wassermoleküls zwischen zwei (OH)-Gruppen, wodurch Sauerstoffbrücken entstehen:

Silikone

Sie entstehen aus Monomeren des Typs R₂Si(OH)₂

Dichtstoffe werden aufgrund ihres hydrophoben Charakters verwendet.

Bakelit

Wird durch Copolymerisation zwischen Phenol und Formaldehyd (Methanal) gewonnen. Es bilden sich Ketten, die durch die Hydroxymethylgruppe in Position miteinander verbunden sind.

Es wird in verschiedenen Geräten wie Fernsehgehäusen verwendet...

Polyester

Sie werden durch aufeinanderfolgende Veresterungsreaktionen (Alkohol und Säure) hergestellt.

Sie bilden Gewebe, von denen das bekannteste Tergal aus Terephthalsäure (p-Benzoldicarbonsäure) und Ethylenglykol (Ethandiol) ist.

Polyamide

Sie werden durch aufeinanderfolgende Reaktionen zwischen einer Säure und einer Aminogruppe unter Bildung von Amiden hergestellt.

Die Fasern sind sehr widerstandsfähig. Das bekannteste Polyamid ist Nylon 6.6, das durch Copolymerisation von Adipinsäure (Hexandisäure) und 1,6-Hexandiamin gebildet wird:

Beispiel (Selectividad. Madrid im Juni 1994)

Die folgenden Reaktionen zeigen die Vielfalt der Polymere: Polyester, Neopren und Polyethylen. A) Ordnen Sie jede zu. B) Begründen Sie, ob es sich um Additions- oder Kondensationspolymere handelt. C) Nennen Sie jede der funktionellen Gruppen, die in ihren Molekülen vorkommen. D) Hängen die Eigenschaften von der Länge der Kette und dem Grad der Vernetzung ab?

I. ... CH₂=CH₂ + CH₂=CH₂ ... → -CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-

a) I = Polyethylen, II = Polyester, III = Neopren

b) Polyethylen und Neopren sind Additionspolymere, da das Molekulargewicht des Polymers ein Vielfaches des entsprechenden Monomers ist, während Nylon ein Kondensationspolymer ist, da bei jeder Verbindung ein Wassermolekül abgespalten wird.

c) = (Doppelbindung) → Alken, -OH → Hydroxyl (Alkohol), -COOH → Carbonsäure, -Cl → Halogenid (Chlorid), -COOR (Ester), -C₆H₅ → Phenyl

d) Der Grad der Vernetzung beeinflusst die Eigenschaften viel stärker als die Länge der Kette, da er eine dreidimensionale Struktur mit vielen neuen Verbindungen schafft, die die Einheitlichkeit des Polymers beeinträchtigen.

Übung A (Selectividad. Madrid im Juni 1997)

Gegeben sind diese polymeren Strukturen: Polyvinylchlorid, Teflon (Tetrafluorethylen), Chloropren (Neopren), Silikon und Polyester: I) (-CH₂-CHCl-)_n, II) (-CH₂-CCl=CH-CH₂-)_n; III) (R-OOC-R-COO-)_n, IV) (-SiR₂-O-)_n, V) (-CF₂-CF₂-)_n a) Ordnen Sie jedem seinen Namen und den Typ des Polymers (Thermoplast, Elastomer) zu. b) Nennen Sie mindestens eine häusliche oder industrielle Verwendung für jedes von ihnen. c) Finden Sie mindestens zwei Polymere, deren Polymerisationsmechanismus durch Addition erfolgt. http://fresno.pntic.mec.es/~fgutie6/quimica2/ArchivosWORD/Ej_10_sol.doc

Natürliche Polymere

• Gummi
• Polysaccharide
• Stärke
• Cellulose
• Glykogen
• Proteine
• Nukleinsäuren

Polysaccharide

Sie werden durch Kondensation von Glucose in den beiden zyklischen Zuständen α und β gebildet.

Wenn α-Glucose kondensiert, entsteht das Disaccharid Maltose, und wenn die Polymerisation weitergeht, entsteht Stärke. Wenn β-Glucose kondensiert, entsteht Cellulose. Die dreidimensionalen Strukturen sind:

http://www.ehu.es/biomoleculas/HC/SUGAR34.htm

Polypeptide und Proteine

Sie werden durch Kondensation von Aminosäuren gebildet und bilden zwei Arten von Strukturen: eine spiralförmige, die α-Helix genannt wird, und eine flache Struktur, die β-Faltblatt genannt wird.

Bilder entnommen aus: (http://fai.unne.edu.ar/biologia/macromoleculas/structup.htm)

Polynukleotide und Nukleinsäuren

Sie werden durch Kondensation von Nukleotiden gebildet, die wiederum durch die Kondensation von Phosphorsäure, einem Monosaccharid (Ribose oder Desoxyribose) und einer stickstoffhaltigen Base (Cytosin, Guanin, Adenin, Thymin bzw. Uracil) gebildet werden.

Die DNA wird durch die Vereinigung von zwei Ketten von Desoxyribonukleotiden über Wasserstoffbrückenbindungen gebildet, die die verschiedenen Basen bilden: Adenin mit Thymin und Cytosin mit Guanin. Dies bildet eine Doppelhelixstruktur, in der die stickstoffhaltigen Basen die Sprossen bilden.