Μονομερή και πολυμερή στη χημεία

Ένα μονομερές είναι ένα μικρό μόριο που έχει την ικανότητα να συνδέεται χημικά με ένα άλλο μονομερές ή με τον εαυτό του πολλές φορές, σχηματίζοντας μια αλυσίδα που ονομάζεται πολυμερές .

Στην ίδια γραμμή, ένα πολυμερές είναι ένα μακρομόριο, δηλαδή ένα μόριο που αποτελείται από εκατοντάδες ή χιλιάδες άτομα, το οποίο δημιουργείται από τη διαδοχική ένωση ενός μικρού μορίου που ονομάζεται μονομερές . Η χημική ένωση των μονομερών για να σχηματιστεί ένα πολυμερές γίνεται συνήθως μέσω ομοιοπολικών δεσμών. Ο όρος «πολυμερές» προέρχεται από το συνδυασμό του ελληνικού προθέματος poli , που σημαίνει «πολύ», με το επίθημα mer , που σημαίνει «μέρος». Έτσι, ετυμολογικά πολυμερές σημαίνει «πολλά μέρη». Η λέξη επινοήθηκε από τον Σουηδό χημικό Jons Jacob Berzelius το 1833. Από την πλευρά του, το μονομερές προέρχεται από το ελληνικό πρόθεμα mono , που σημαίνει “ένα” και από το προαναφερθέν ελληνικό επίθημα mer .

Πολλά πολυμερή μπορεί να είναι φυσικά και ονομάζονται βιοπολυμερή και παράγονται με βιοχημικές διεργασίες. Τα βιοπολυμερή είναι τα κύρια συστατικά της βιομάζας του πλανήτη και ταυτόχρονα αποτελούν βασικά μόρια σε πολλές βιολογικές διεργασίες, όπως το DNA και οι πρωτεΐνες. Από την άλλη πλευρά, τα τεχνητά ή συνθετικά πολυμερή αποτελούν την τεράστια ποικιλία υλικών που γνωρίζουμε ως πλαστικά, εκ των οποίων το πολυαιθυλένιο, το συνθετικό καουτσούκ, το πολυστυρένιο, το νεοπρένιο ή το νάιλον είναι μερικά παραδείγματα.

Μερικές φορές τα πολυμερή είναι μόρια που αποτελούνται μόνο από μερικές δεκάδες μονομερή. Σε αυτή την περίπτωση ονομάζονται ολιγομερή ( το oligo είναι ένα ελληνικό πρόθεμα που σημαίνει “λίγο”). Η διαφοροποίηση βασίζεται σε μια σημαντική αλλαγή στις ιδιότητες του υλικού με τροποποίηση του μορίου σε λίγες δομικές μονάδες (οι μονάδες που σχηματίζουν το μονομερές και που επαναλαμβάνονται για να σχηματίσουν το πολυμερές). Παραδείγματα ολιγομερών είναι το κολλαγόνο και η υγρή παραφίνη.

Τα μονομερή δεν είναι μόνο σημαντικά για το σχηματισμό πολυμερών, αλλά πολλά μονομερή έχουν σχετικούς βιοχημικούς ρόλους. Αυτή είναι η περίπτωση της γλυκόζης, του μονομερούς πολλών βιοπολυμερών όπως η κυτταρίνη και το άμυλο, και που είναι η κύρια πηγή ενέργειας για τα κύτταρα.

πολυμερισμός

Μια απλή προσέγγιση για το σχηματισμό ενός πολυμερούς, ο πολυμερισμός, είναι να θεωρηθεί ότι είναι μια χημική αντίδραση στην οποία δημιουργούνται δύο δεσμοί σε ένα μικρό μόριο, γενικά ομοιοπολικοί δεσμοί, στους οποίους ενώνονται άλλες μονάδες του ίδιου μορίου. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται πολλές φορές σχηματίζοντας μια μακριά αλυσίδα ατόμων. Όπως ήδη αναφέρθηκε, το μόριο από το οποίο προέρχεται το πολυμερές ονομάζεται μονομερές και η μονάδα που επαναλαμβάνεται για να σχηματιστεί το πολυμερές ονομάζεται δομική μονάδα. Το απλούστερο παράδειγμα πολυμερισμού είναι ο σχηματισμός πολυαιθυλενίου, ενός ευρέως χρησιμοποιούμενου πλαστικού.

Το μονομερές του πολυαιθυλενίου είναι το αιθυλένιο, ένα απλό οργανικό μόριο που έχει δύο άτομα άνθρακα συνδεδεμένα με διπλό δεσμό, μαζί με δύο άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα σε κάθε άτομο άνθρακα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Οι δεσμοί άνθρακα είναι ομοιοπολικοί. Εάν ο διπλός δεσμός σπάσει, καθένα από τα άτομα άνθρακα έχει διαθέσιμο ομοιοπολικό δεσμό για να ενώσει άλλα άτομα που αποτελούν τη δομική μονάδα που θα σχηματίσει το πολυμερές. Η επαναλαμβανόμενη ένωση αυτής της δομικής μονάδας δημιουργεί ένα μακρύ γραμμικό μόριο, χωρίς διακλαδώσεις: πολυαιθυλένιο.

Ένα άλλο παράδειγμα δημιουργίας τεχνητού πολυμερούς είναι ο σχηματισμός πολυστυρενίου, ενός πλαστικού με πολλαπλές εφαρμογές. Το μονομερές του πολυστυρενίου είναι το στυρένιο, ένα μόριο που έχει έναν δακτύλιο βενζολίου συνδεδεμένο με δύο άτομα άνθρακα με διπλό δεσμό. Όπως και στην περίπτωση του πολυαιθυλενίου, το σπάσιμο του διπλού δεσμού δημιουργεί τη δομική μονάδα που, όταν ενώνεται επανειλημμένα, αποτελεί μια μακριά αλυσίδα που σχηματίζει πολυστυρόλιο.

Τα τεχνητά πολυμερή μπορούν να ληφθούν από ένα μείγμα στερεών ουσιών ή από ένα διάλυμα. Και στα δύο, ο πολυμερισμός προκαλείται με θερμότητα ή με εφαρμογή ακτινοβολίας γάμμα, σε μια αντίδραση που είναι μη αναστρέψιμη. Τα τεχνητά πολυμερή ομαδοποιούνται σε δύο κατηγορίες. θερμοπλαστικά και θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή. Μόλις ολοκληρωθεί η αντίδραση πολυμερισμού, τα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή τείνουν να είναι άκαμπτα και να αποικοδομούνται ή να αποσυντίθενται χωρίς να μαλακώνουν όταν θερμαίνονται πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία. Οι εποξειδικές ρητίνες, ο πολυεστέρας, οι ακρυλικές ρητίνες και η πολυουρεθάνη είναι θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή, όπως ο Βακελίτης, το Kevlar και το βουλκανισμένο καουτσούκ. Τα θερμοπλαστικά πολυμερή, σε αντίθεση με τα θερμοσκληρυνόμενα, είναι εύκαμπτα και μαλακώνουν και λιώνουν πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία. που τους επιτρέπει να καλουπωθούν. Μερικά παραδείγματα θερμοπλαστικών πολυμερών είναι το νάιλον, το τεφλόν, το πολυαιθυλένιο και το πολυπροπυλένιο.

βιοπολυμερή

Τα βιοπολυμερή είναι ίσως λιγότερο γνωστά από τα τεχνητά, αλλά αποτελούν θεμελιώδη συστατικά της ζωής. Τα λιπίδια είναι βιοπολυμερή, σε αυτή την περίπτωση τα τριγλυκερίδια των οποίων τα μονομερή είναι η γλυκερίνη και τα λιπαρά οξέα. Και οι πρωτεΐνες είναι πολυπεπτίδια των οποίων τα μονομερή είναι αμινοξέα. Ένα άλλο παράδειγμα είναι τα νουκλεϊκά οξέα: δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, DNA, και ριβονουκλεϊκό οξύ, RNA, του οποίου τα μονομερή είναι νουκλεοτίδια που με τη σειρά τους αποτελούνται από αζωτούχες βάσεις, η ριβόζη, η οποία είναι ένα σάκχαρο (ένας μονοσακχαρίτης τύπου πεντόζης, δηλαδή με πέντε άτομα άνθρακα) και μια φωσφορική ομάδα. Οι υδατάνθρακες είναι επίσης βιοπολυμερή, είτε πολυσακχαρίτες, όπως η κυτταρίνη και το άμυλο, είτε ολιγοπολυμερή δισακχαριτών, όπως η σακχαρόζη (κοινή ζάχαρη) και η λακτόζη, τα οποία είναι πολυμερή των οποίων οι μονοσακχαρίτες είναι μονοσακχαρίτες, δηλαδή

Ένα παράδειγμα βιοπολυμερούς: κυτταρίνη

Το πιο άφθονο βιοπολυμερές είναι η κυτταρίνη, καθώς αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της βιομάζας της Γης καθώς αποτελεί συστατικό του κυτταρικού τοιχώματος των περισσότερων φυτών. Βρίσκεται στην πιο αγνή του μορφή στο βαμβάκι και είναι το κύριο συστατικό του χαρτιού και πολλών άλλων προϊόντων που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή ζωή.

Το μονομερές κυτταρίνης είναι η βήτα γλυκόζη (C6H12O6 , _{βλέπε σχήμα} παρακάτω ) _. Όταν μια ομάδα υδροξυλίου στις πλευρές δύο βενζολικών δακτυλίων βήτα γλυκόζης αντικαθίσταται από μια γέφυρα οξυγόνου, απελευθερώνοντας ένα μόριο νερού (H 2 O), εμφανίζεται μια αντίδραση που, όταν επαναλαμβάνεται εκατοντάδες έως χιλιάδες φορές, σχηματίζει τις μακριές _{αλυσίδες} κυτταρίνης . Ο τύπος για την κυτταρίνη είναι (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _n , όπου η ελάχιστη τιμή του n είναι 200.

Πηγές

Cowie, JMG, Arrighi, V. Polymers: Chemistry and Physics of Modern Materials. Third Edition, CRC Press, Boca Raton, 2007.

Πολυμερές: Περιγραφή, Παραδείγματα και Τύποι . Εγκυκλοπαίδεια Britannica , 2020.

Sperling, Leslie H. Introduction to Physical Polymer Science. Τέταρτη Έκδοση, εκδότης Hoboken, NJ., John Wiley & Sons, 2006.

Jensen, W.B. The Origin of the Polymer Concept . Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.

Young, RJ, Lovell PA Εισαγωγή στα πολυμερή. Τρίτη έκδοση. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.