Monomères et polymères en chimie

Un monomère est une petite molécule qui a la capacité de se lier chimiquement à un autre monomère ou à elle-même plusieurs fois, formant une chaîne appelée polymère .

Dans le même ordre d’idées, un polymère est une macromolécule, c’est-à-dire une molécule composée de centaines ou de milliers d’atomes, qui est générée par l’union successive d’une petite molécule appelée monomère . L’union chimique des monomères pour former un polymère se fait généralement par des liaisons covalentes. Le terme « polymère » vient de la conjonction du préfixe grec poli , qui signifie « beaucoup », avec le suffixe mer , qui signifie « partie ». Ainsi, polymère signifie étymologiquement « plusieurs parties ». Le mot a été inventé par le chimiste suédois Jons Jacob Berzelius en 1833. De son côté, monomère dérive du préfixe grec mono , signifiant « un », et du suffixe grec susmentionné mer .

De nombreux polymères peuvent être naturels et sont appelés biopolymères et sont produits par des processus biochimiques. Les biopolymères sont les principaux composants de la biomasse de la planète, et en même temps, ils sont des molécules clés dans de nombreux processus biologiques, tels que l’ADN et les protéines. D’autre part, les polymères artificiels ou synthétiques constituent l’immense variété de matériaux que nous appelons les plastiques, dont le polyéthylène, le caoutchouc synthétique, le polystyrène, le néoprène ou le nylon sont quelques exemples.

Parfois, les polymères sont des molécules composées de quelques dizaines de monomères seulement ; dans ce cas, ils sont appelés oligomères ( oligo est un préfixe grec signifiant « peu »). La différenciation repose sur une modification significative des propriétés du matériau en modifiant la molécule en quelques unités structurales (les unités qui forment le monomère et qui se répètent pour former le polymère). Des exemples d’oligomères sont le collagène et la paraffine liquide.

Les monomères ne sont pas seulement importants pour la formation de polymères, mais de nombreux monomères ont des rôles biochimiques pertinents. C’est le cas du glucose, monomère de nombreux biopolymères comme la cellulose et l’amidon, et qui est la principale source d’énergie des cellules.

polymérisation

Une approche simple de la formation d’un polymère, la polymérisation, consiste à considérer qu’il s’agit d’une réaction chimique dans laquelle deux liaisons sont générées dans une petite molécule, généralement des liaisons covalentes, dans lesquelles d’autres unités de la même molécule sont jointes. Ce processus est répété un grand nombre de fois formant une longue chaîne d’atomes. Comme déjà mentionné, la molécule à l’origine du polymère est appelée monomère et l’unité répétée pour former le polymère est appelée unité structurelle. L’exemple le plus simple de polymérisation est la formation de polyéthylène, un plastique largement utilisé.

Le monomère du polyéthylène est l’éthylène, une molécule organique simple qui a deux atomes de carbone liés par une double liaison, ainsi que deux atomes d’hydrogène attachés à chaque atome de carbone, comme le montre la figure ci-dessous. Les liaisons carbone sont covalentes. Si la double liaison est rompue, chacun des atomes de carbone a une liaison covalente disponible pour joindre d’autres atomes constituant l’unité structurale qui formera le polymère. L’union répétée de cette unité structurale génère une longue molécule linéaire, sans ramifications : le polyéthylène.

Un autre exemple de génération d’un polymère artificiel est la formation de polystyrène, un plastique aux multiples applications. Le monomère du polystyrène est le styrène, une molécule qui possède un cycle benzénique lié à deux atomes de carbone par une double liaison. Comme dans le cas du polyéthylène, la rupture de la double liaison génère l’unité structurelle qui, lorsqu’elle est jointe à plusieurs reprises, constitue une longue chaîne qui forme le polystyrène.

Les polymères artificiels peuvent être obtenus à partir d’un mélange de substances solides ou à partir d’une solution. Dans les deux cas, la polymérisation est induite par la chaleur ou par l’application d’un rayonnement gamma, dans une réaction irréversible. Les polymères synthétiques sont regroupés en deux catégories ; polymères thermoplastiques et thermodurcissables. Une fois la réaction de polymérisation terminée, les polymères thermodurcissables ont tendance à être rigides et se dégradent ou se décomposent sans ramollir lorsqu’ils sont chauffés au-dessus d’une certaine température. Les résines époxy, le polyester, les résines acryliques et le polyuréthane sont des polymères thermodurcissables, tout comme la bakélite, le kevlar et le caoutchouc vulcanisé. Les polymères thermoplastiques, contrairement aux thermodurcissables, sont flexibles et se ramollissent et fondent au-dessus d’une certaine température. qui permet de les mouler. Quelques exemples de polymères thermoplastiques sont le nylon, le téflon, le polyéthylène et le polypropylène.

biopolymères

Les biopolymères sont peut-être moins connus que les artificiels, mais ce sont des composants fondamentaux de la vie. Les lipides sont des biopolymères, en l’occurrence des triglycérides dont les monomères sont le glycérol et les acides gras. Et les protéines sont des polypeptides dont les monomères sont des acides aminés. Autre exemple, les acides nucléiques : acide désoxyribonucléique, ADN, et acide ribonucléique, ARN, dont les monomères sont des nucléotides eux-mêmes constitués de bases azotées, le ribose, qui est un sucre (un monosaccharide de type pentose, c’est-à-dire avec cinq atomes de carbone) et un groupe phosphate. Les glucides sont aussi des biopolymères, soit des polysaccharides, comme la cellulose et l’amidon, soit des oligopolymères disaccharidiques, comme le saccharose (sucre commun) et le lactose, qui sont des polymères dont les monosaccharides sont des monosaccharides, c’est-à-dire

Un exemple de biopolymère : la cellulose

Le biopolymère le plus abondant est la cellulose, car elle forme la majeure partie de la biomasse terrestre car elle est un constituant de la paroi cellulaire de la plupart des plantes. On le trouve sous sa forme la plus pure dans le coton, et c’est le principal composant du papier et de nombreux autres produits que nous utilisons au quotidien.

Le monomère de cellulose est le bêta-glucose (C ₆ H ₁₂ O ₆ , voir figure ci-dessous). Lorsqu’un groupe hydroxyle sur les côtés de deux cycles benzéniques du bêta-glucose est remplacé par un pont oxygène, libérant une molécule d’eau (H 2 O), une réaction se produit qui, lorsqu’elle est répétée des centaines à des milliers de fois, forme les longues chaînes _de cellulose . La formule de la cellulose est (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _n , où la valeur minimale de n est 200.

Sources

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Jensen, W.B. L’origine du concept de polymère . Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.

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