Monomere und Polymere in der Chemie

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Ein Monomer ist ein kleines Molekül, das in der Lage ist, sich viele Male chemisch an ein anderes Monomer oder an sich selbst zu binden und eine Kette zu bilden, die als Polymer bezeichnet wird .

In ähnlicher Weise ist ein Polymer ein Makromolekül, dh ein Molekül, das aus Hunderten oder Tausenden von Atomen besteht und aus der sukzessiven Vereinigung eines kleinen Moleküls namens Monomer entsteht . Die chemische Vereinigung der Monomere zur Bildung eines Polymers erfolgt üblicherweise durch kovalente Bindungen. Der Begriff „Polymer“ kommt von der Konjunktion des griechischen Präfixes poli , was „viel“ bedeutet, mit dem Suffix mer , was „Teil“ bedeutet. Polymer bedeutet also etymologisch „viele Teile“. Das Wort wurde 1833 von dem schwedischen Chemiker Jons Jacob Berzelius geprägt. Monomer leitet sich seinerseits von der griechischen Vorsilbe mono ab , was „eins“ bedeutet, und von der bereits erwähnten griechischen Nachsilbe mer .

Viele Polymere können natürlich sein und werden Biopolymere genannt und werden durch biochemische Prozesse hergestellt. Biopolymere sind die Hauptbestandteile der Biomasse des Planeten und gleichzeitig Schlüsselmoleküle in vielen biologischen Prozessen, wie DNA und Proteine. Andererseits bilden künstliche oder synthetische Polymere die immense Vielfalt an Materialien, die wir als Kunststoffe kennen, von denen Polyethylen, synthetischer Kautschuk, Polystyrol, Neopren oder Nylon einige Beispiele sind.

Manchmal sind Polymere Moleküle, die nur aus einigen Dutzend Monomeren bestehen; in diesem Fall werden sie Oligomere genannt ( Oligo ist eine griechische Vorsilbe, die „wenig“ bedeutet). Die Unterscheidung basiert auf einer signifikanten Veränderung der Materialeigenschaften durch Modifikation des Moleküls in wenigen Struktureinheiten (den Einheiten, die das Monomer bilden und die sich wiederholen, um das Polymer zu bilden). Beispiele für Oligomere sind Kollagen und flüssiges Paraffin.

Monomere sind nicht nur für die Bildung von Polymeren wichtig, sondern viele Monomere haben auch relevante biochemische Funktionen. Dies ist der Fall bei Glukose, dem Monomer vieler Biopolymere wie Zellulose und Stärke, die die Hauptenergiequelle für Zellen darstellt.

Polymerisation

Ein einfacher Ansatz zur Bildung eines Polymers, der Polymerisation, ist die Annahme, dass es sich um eine chemische Reaktion handelt, bei der zwei Bindungen in einem kleinen Molekül erzeugt werden, im Allgemeinen kovalente Bindungen, bei denen andere Einheiten desselben Moleküls verbunden werden. Dieser Vorgang wird viele Male wiederholt, wodurch eine lange Kette von Atomen entsteht. Wie bereits erwähnt, wird das Molekül, aus dem das Polymer entsteht, als Monomer und die Einheit, die sich zum Polymer wiederholt, als Struktureinheit bezeichnet. Das einfachste Beispiel für eine Polymerisation ist die Bildung von Polyethylen, einem weit verbreiteten Kunststoff.

Das Monomer von Polyethylen ist Ethylen, ein einfaches organisches Molekül mit zwei Kohlenstoffatomen, die durch eine Doppelbindung verbunden sind, zusammen mit zwei Wasserstoffatomen, die an jedes Kohlenstoffatom gebunden sind, wie in der Abbildung unten gezeigt. Die Kohlenstoffbindungen sind kovalent. Wenn die Doppelbindung gebrochen wird, hat jedes der Kohlenstoffatome eine kovalente Bindung, die verfügbar ist, um andere Atome zu verbinden, die die Struktureinheit bilden, die das Polymer bilden wird. Die wiederholte Vereinigung dieser Struktureinheit erzeugt ein langes lineares Molekül ohne Verzweigungen: Polyethylen.

Polyethylenpolymerisation.
Polymerisation von Ethylen zu Polyethylen.

Ein weiteres Beispiel für die Erzeugung eines künstlichen Polymers ist die Bildung von Polystyrol, einem vielseitig einsetzbaren Kunststoff. Das Monomer von Polystyrol ist Styrol, ein Molekül, das einen Benzolring hat, der mit einer Doppelbindung an zwei Kohlenstoffatome gebunden ist. Wie beim Polyethylen entsteht durch das Aufbrechen der Doppelbindung die Struktureinheit, die bei wiederholter Verknüpfung eine lange Kette zu Polystyrol bildet.

Styrolpolymerisation
Polymerisation von Styrol zu Polystyrol

Künstliche Polymere können aus einem Feststoffgemisch oder aus einer Lösung gewonnen werden. Bei beiden wird die Polymerisation durch Wärme oder durch Anwendung von Gammastrahlung in einer irreversiblen Reaktion induziert. Künstliche Polymere werden in zwei Kategorien eingeteilt; thermoplastische und duroplastische Polymere. Sobald die Polymerisationsreaktion abgeschlossen ist, neigen duroplastische Polymere dazu, steif zu sein und sich zu zersetzen oder zu zersetzen, ohne weich zu werden, wenn sie über eine bestimmte Temperatur erhitzt werden. Epoxidharze, Polyester, Acrylharze und Polyurethan sind duroplastische Polymere, genau wie Bakelit, Kevlar und vulkanisierter Gummi. Thermoplastische Polymere sind im Gegensatz zu Duroplasten flexibel und erweichen und schmelzen oberhalb einer bestimmten Temperatur. wodurch sie geformt werden können. Einige Beispiele für thermoplastische Polymere sind Nylon, Teflon, Polyethylen und Polypropylen.

Biopolymere

Biopolymere sind vielleicht weniger bekannt als künstliche, aber sie sind grundlegende Bestandteile des Lebens. Lipide sind Biopolymere, in diesem Fall Triglyceride, deren Monomere Glycerin und Fettsäuren sind. Und Proteine ​​sind Polypeptide, deren Monomere Aminosäuren sind. Ein weiteres Beispiel sind Nukleinsäuren: Desoxyribonukleinsäure, DNA, und Ribonukleinsäure, RNA, deren Monomere Nukleotide sind, die wiederum aus stickstoffhaltigen Basen bestehen, Ribose, ein Zucker (ein Monosaccharid vom Pentosetyp, das heißt mit fünf Kohlenstoffatome) und eine Phosphatgruppe. Kohlenhydrate sind auch Biopolymere, entweder Polysaccharide wie Cellulose und Stärke oder Disaccharid-Oligopolymere wie Saccharose (gewöhnlicher Zucker) und Lactose, die Polymere sind, deren Monosaccharide Monosaccharide sind, d.h.

Ein Beispiel für ein Biopolymer: Zellulose

Das am häufigsten vorkommende Biopolymer ist Zellulose, da es den größten Teil der Biomasse der Erde bildet, da es Bestandteil der Zellwand der meisten Pflanzen ist. Es kommt in seiner reinsten Form in Baumwolle vor und ist der Hauptbestandteil von Papier und vielen anderen Produkten des täglichen Lebens.

Das Cellulose-Monomer ist Beta-Glucose (C 6 H 12 O 6 , siehe Abbildung unten). Wenn eine Hydroxylgruppe an den Seiten zweier Benzolringe von Beta-Glucose durch eine Sauerstoffbrücke ersetzt wird, wodurch ein Wassermolekül (H 2 O) freigesetzt wird, findet eine Reaktion statt, die bei hundert- bis tausendfacher Wiederholung die langen Zelluloseketten bildet . Die Formel für Zellulose ist (C 6 H 10 O 5 ) n , wobei der Mindestwert von n 200 ist.

Bildung von Cellulose aus der Polymerisation von Beta-Glukose.
Bildung von Cellulose aus der Polymerisation von Beta-Glukose.

Quellen

Cowie, JMG, Arrighi, V. Polymere: Chemie und Physik moderner Materialien. Dritte Auflage, CRC Press, Boca Raton, 2007.

Polymer: Beschreibung, Beispiele und Typen . Enzyklopädie Britannica , 2020.

Sperling, Leslie H. Einführung in die Physikalische Polymerwissenschaft. Vierte Auflage, Verlag Hoboken, NJ., John Wiley & Sons, 2006.

Jensen, W. B. Der Ursprung des Polymerkonzepts . Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.

Young, RJ, Lovell PA Einführung in Polymere. Dritte Edition. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.

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Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

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