Monomeerit ja polymeerit kemiassa

Monomeeri on pieni molekyyli, jolla on kyky sitoutua kemiallisesti toiseen monomeeriin tai itseensä useita kertoja muodostaen ketjun, jota kutsutaan polymeeriksi .

Samoin polymeeri on makromolekyyli, toisin sanoen molekyyli, joka koostuu sadoista tai tuhansista atomeista ja joka syntyy monomeeriksi kutsutun pienen molekyylin peräkkäisestä liitosta . Monomeerien kemiallinen liitto polymeerin muodostamiseksi tapahtuu yleensä kovalenttisten sidosten kautta. Termi ”polymeeri” tulee kreikan etuliitteestä poli , joka tarkoittaa ”paljon”, ja jälkiliitteen mer , joka tarkoittaa ”osaa”. Siten etymologisesti polymeeri tarkoittaa ”monia osia”. Sanan loi ruotsalainen kemisti Jons Jacob Berzelius vuonna 1833. Hänen puolestaan ​​monomeeri on peräisin kreikkalaisesta etuliitteestä mono , joka tarkoittaa ”yksi”, ja edellä mainitusta kreikkalaisesta jälkiliitteestä mer .

Monet polymeerit voivat olla luonnollisia, ja niitä kutsutaan biopolymeereiksi , ja niitä tuotetaan biokemiallisilla prosesseilla. Biopolymeerit ovat planeetan biomassan pääkomponentteja, ja samalla ne ovat avainmolekyylejä monissa biologisissa prosesseissa, kuten DNA:ssa ja proteiineissa. Toisaalta keinotekoiset tai synteettiset polymeerit muodostavat valtavan valikoiman materiaaleja, joita tunnemme muoveina, joista polyeteeni, synteettinen kumi, polystyreeni, neopreeni tai nailon ovat esimerkkejä.

Joskus polymeerit ovat molekyylejä, jotka koostuvat vain muutamasta kymmenestä monomeerista; tässä tapauksessa niitä kutsutaan oligomeereiksi ( oligo on kreikkalainen etuliite, joka tarkoittaa ”pientä”). Erottaminen perustuu materiaalin ominaisuuksien merkittävään muutokseen modifioimalla molekyyliä muutamassa rakenneyksikössä (yksiköissä, jotka muodostavat monomeerin ja jotka toistuvat muodostaen polymeerin). Esimerkkejä oligomeereistä ovat kollageeni ja nestemäinen parafiini.

Monomeerit eivät ole tärkeitä vain polymeerien muodostamisessa, vaan monilla monomeereillä on olennainen biokemiallinen rooli. Tämä koskee glukoosia, joka on monien biopolymeerien, kuten selluloosan ja tärkkelyksen, monomeeri ja joka on solujen tärkein energialähde.

polymerointi

Yksinkertainen lähestymistapa polymeerin muodostukseen, polymerointi, on ajatella, että se on kemiallinen reaktio, jossa pienessä molekyylissä syntyy kaksi sidosta, yleensä kovalenttisia sidoksia, joissa saman molekyylin muut yksiköt liittyvät yhteen. Tämä prosessi toistetaan useita kertoja muodostaen pitkän atomiketjun. Kuten jo mainittiin, molekyyliä, josta polymeeri on peräisin, kutsutaan monomeeriksi ja yksikköä, joka toistuu polymeerin muodostamiseksi, kutsutaan rakenneyksiköksi. Yksinkertaisin esimerkki polymeroinnista on polyeteenin, laajalti käytetyn muovin, muodostuminen.

Polyeteenin monomeeri on eteeni, yksinkertainen orgaaninen molekyyli, jossa on kaksi kaksoissidoksella kytkettyä hiiliatomia sekä kaksi vetyatomia, jotka on kiinnittynyt kuhunkin hiiliatomiin, kuten alla olevassa kuvassa näkyy. Hiilisidokset ovat kovalenttisia. Jos kaksoissidos katkeaa, kullakin hiiliatomilla on kovalenttinen sidos, joka voi liittyä muihin atomeihin, jotka muodostavat polymeerin muodostavan rakenneyksikön. Tämän rakenneyksikön toistuva yhdistäminen synnyttää pitkän lineaarisen molekyylin ilman haarautumia: polyeteeniä.

Toinen esimerkki keinotekoisen polymeerin tuottamisesta on polystyreenin, muovin, jolla on useita käyttökohteita, muodostaminen. Polystyreenin monomeeri on styreeni, molekyyli, jossa on bentseenirengas, joka on kiinnittynyt kahteen hiiliatomiin kaksoissidoksella. Kuten polyeteenin tapauksessa, kaksoissidoksen katkeaminen synnyttää rakenneyksikön, joka toistuvasti liitettynä muodostaa pitkän ketjun, joka muodostaa polystyreeniä.

Keinotekoisia polymeerejä voidaan saada kiinteiden aineiden seoksesta tai liuoksesta. Molemmissa polymerisaatio indusoidaan lämmöllä tai gammasäteilyllä reaktiossa, joka on peruuttamaton. Keinotekoiset polymeerit on ryhmitelty kahteen luokkaan; termoplastiset ja lämpökovettuvat polymeerit. Kun polymerointireaktio on valmis, lämpökovettuvilla polymeereillä on taipumus olla jäykkiä ja hajoavat tai hajoavat pehmenemättä kuumennettaessa tietyn lämpötilan yläpuolelle. Epoksihartsit, polyesteri, akryylihartsit ja polyuretaani ovat lämpökovettuvia polymeerejä, kuten bakeliitti, kevlar ja vulkanoitu kumi. Termoplastiset polymeerit, toisin kuin kertamuovi, ovat joustavia ja pehmenevät ja sulavat tietyn lämpötilan yläpuolella. mikä mahdollistaa niiden muovauksen. Joitakin esimerkkejä termoplastisista polymeereistä ovat nailon, teflon, polyeteeni ja polypropeeni.

biopolymeerit

Biopolymeerit ovat ehkä vähemmän tunnettuja kuin keinotekoiset, mutta ne ovat elämän peruskomponentteja. Lipidit ovat biopolymeerejä, tässä tapauksessa triglyseridejä, joiden monomeerit ovat glyseroli ja rasvahapot. Ja proteiinit ovat polypeptidejä, joiden monomeerit ovat aminohappoja. Toinen esimerkki ovat nukleiinihapot: deoksiribonukleiinihappo, DNA ja ribonukleiinihappo, RNA, joiden monomeerit ovat nukleotideja, jotka puolestaan ​​koostuvat typpipitoisista emäksistä, riboosista, joka on sokeri (pentoosityyppinen monosakkaridi, se on viisi hiiliatomia) ja fosfaattiryhmä. Hiilihydraatit ovat myös biopolymeerejä, joko polysakkarideja, kuten selluloosaa ja tärkkelystä, tai disakkaridioligopolymeerejä, kuten sakkaroosia (yleinen sokeri) ja laktoosia, jotka ovat polymeerejä, joiden monosakkaridit ovat monosakkarideja, eli

Esimerkki biopolymeeristä: selluloosa

Yleisin biopolymeeri on selluloosa, koska se muodostaa suurimman osan maapallon biomassasta, koska se on useimpien kasvien soluseinän ainesosa. Sitä löytyy puhtaimmassa muodossaan puuvillasta, ja se on pääkomponentti paperissa ja monissa muissa jokapäiväisessä elämässämme käyttämissämme tuotteissa.

Selluloosamonomeeri on beeta-glukoosi (C6H12O6 , _{katso alla oleva} kuva ). Kun hydroksyyliryhmä kahden beetaglukoosin bentseenirenkaan sivuilla korvataan happisillalla, joka vapauttaa vesimolekyylin (H 2 O), tapahtuu reaktio, joka toistuessaan satoja tai tuhansia kertoja muodostaa pitkät _{selluloosaketjut} . . Selluloosan kaava on (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _n , jossa n:n vähimmäisarvo on 200.

Lähteet

Cowie, JMG, Arrighi, V. Polymeerit: Nykyaikaisten materiaalien kemia ja fysiikka. Kolmas painos, CRC Press, Boca Raton, 2007.

Polymeeri: Kuvaus, esimerkit ja tyypit . Encyclopedia Britannica , 2020.

Sperling, Leslie H. Johdatus fysikaaliseen polymeeritieteeseen. Neljäs painos, kustantaja Hoboken, NJ., John Wiley & Sons, 2006.

Jensen, W.B. Polymeerikonseptin alkuperä . Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.

Young, RJ, Lovell PA Johdatus polymeereihin. Kolmas painos. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.