Monomerek és polimerek a kémiában

A monomer egy kis molekula, amely képes sokszor kémiailag kötődni egy másik monomerhez vagy önmagához, polimernek nevezett láncot képezve .

Ugyanezen elvek mentén a polimer egy makromolekula, azaz több száz vagy több ezer atomból álló molekula, amely egy monomernek nevezett kis molekula egymás utáni egyesüléséből jön létre . A monomerek polimert képező kémiai egyesülése általában kovalens kötéseken keresztül történik. A „polimer” kifejezés a görög poli előtag kötőszójából származik , amely „sok”-ot jelent, a mer utótaggal , amely „rész”-et jelent. Így a polimer etimológiailag „sok részt” jelent. A szót Jons Jacob Berzelius svéd kémikus alkotta meg 1833-ban. A monomer a görög mono előtagból , azaz „egy” és a fent említett görög mer utótagból származik .

Sok polimer lehet természetes, ezeket biopolimereknek nevezik , és biokémiai folyamatokkal állítják elő. A biopolimerek a bolygó biomasszájának fő alkotóelemei, ugyanakkor számos biológiai folyamat kulcsmolekulái, mint például a DNS és a fehérjék. Másrészt a mesterséges vagy szintetikus polimerek alkotják az általunk műanyagként ismert anyagok rendkívül sokféleségét, amelyek közül néhány példa a polietilén, a szintetikus gumi, a polisztirol, a neoprén vagy a nylon.

Néha a polimerek csak néhány tucat monomerből álló molekulák; ebben az esetben oligomereknek nevezzük őket ( az oligo egy görög előtag, ami „kicsit” jelent). A megkülönböztetés alapja az anyag tulajdonságainak jelentős változása a molekula néhány szerkezeti egységben történő módosításával (a monomert alkotó egységekben, amelyek ismétlődően képezik a polimert). Az oligomerekre példa a kollagén és a folyékony paraffin.

A monomerek nemcsak a polimerek képzésében fontosak, hanem sok monomernek fontos biokémiai szerepe is van. Ez a glükóz esete, amely számos biopolimer, például a cellulóz és a keményítő monomerje, és amely a sejtek fő energiaforrása.

polimerizáció

A polimer képzésének egyszerű megközelítése, a polimerizáció, ha figyelembe vesszük, hogy ez egy kémiai reakció, amelyben két kötés jön létre egy kis molekulában, általában kovalens kötések, amelyekben ugyanannak a molekulának más egységei kapcsolódnak össze. Ez a folyamat számos alkalommal megismétlődik, hosszú atomláncot képezve. Amint már említettük, a polimert kiváltó molekulát monomernek, a polimert alkotó egységet pedig szerkezeti egységnek nevezzük. A polimerizáció legegyszerűbb példája a polietilén, egy széles körben használt műanyag képzése.

A polietilén monomerje az etilén, egy egyszerű szerves molekula, amelyben két szénatom van kettős kötéssel összekapcsolva, valamint minden szénatomhoz két hidrogénatom kapcsolódik, amint az az alábbi ábrán látható. A szénkötések kovalensek. Ha a kettős kötés megszakad, mindegyik szénatomnak van kovalens kötése, amely a polimert alkotó szerkezeti egységet alkotó többi atomhoz kapcsolódhat. Ennek a szerkezeti egységnek az ismételt egyesülése egy hosszú lineáris molekulát hoz létre, elágazás nélkül: polietilént.

A mesterséges polimer előállításának egy másik példája a polisztirol, egy többszörösen alkalmazható műanyag képzése. A polisztirol monomerje a sztirol, egy olyan molekula, amelynek benzolgyűrűje kettős kötéssel kapcsolódik két szénatomhoz. Akárcsak a polietilén esetében, a kettős kötés felszakadása során keletkezik az a szerkezeti egység, amely többszöri összekapcsoláskor hosszú láncot alkot, amely polisztirolt képez.

Mesterséges polimerek nyerhetők szilárd anyagok keverékéből vagy oldatból. Mindkét esetben a polimerizációt hővel vagy gamma-sugárzással indukálják olyan reakcióban, amely visszafordíthatatlan. A mesterséges polimereket két kategóriába sorolják; hőre lágyuló és hőre keményedő polimerek. A polimerizációs reakció befejeződése után a hőre keményedő polimerek hajlamosak merevek lenni, és egy bizonyos hőmérséklet fölé hevítve lágyulás nélkül lebomlanak vagy lebomlanak. Az epoxigyanták, a poliészter, az akrilgyanták és a poliuretán hőre keményedő polimerek, akárcsak a bakelit, a kevlár és a vulkanizált gumi. A hőre lágyuló polimerek, a hőre keményedő polimerekkel ellentétben, rugalmasak, és egy bizonyos hőmérséklet felett lágyulnak és megolvadnak. amely lehetővé teszi azok formázását. Néhány példa a hőre lágyuló polimerekre a nejlon, a teflon, a polietilén és a polipropilén.

biopolimerek

A biopolimerek talán kevésbé ismertek, mint a mesterségesek, de az élet alapvető alkotóelemei. A lipidek biopolimerek, ebben az esetben trigliceridek, amelyek monomerjei glicerin és zsírsavak. A fehérjék pedig olyan polipeptidek, amelyek monomerjei aminosavak. Egy másik példa a nukleinsavak: dezoxiribonukleinsav, DNS és ribonukleinsav, RNS, amelyek monomerei nukleotidok, amelyek viszont nitrogénbázisokból, ribózból állnak, ami cukor (pentóz típusú monoszacharid, azaz öt szénatom) és egy foszfátcsoport. A szénhidrátok szintén biopolimerek, vagy poliszacharidok, például cellulóz és keményítő, vagy diszacharid oligopolimerek, például szacharóz (közönséges cukor) és laktóz, amelyek olyan polimerek, amelyek monoszacharidjai monoszacharidok, azaz

Példa biopolimerre: cellulóz

A legelterjedtebb biopolimer a cellulóz, mivel ez alkotja a Föld biomasszájának nagy részét, mivel a legtöbb növény sejtfalának alkotóeleme. A legtisztább formában a pamutban található, és a papír és sok más, a mindennapi életben használt termék fő alkotóeleme.

A cellulóz monomer a béta-glükóz (C ₆ H ₁₂ O ₆ , lásd az alábbi ábrát). Ha a béta-glükóz két benzolgyűrűjének oldalán lévő hidroxilcsoportot egy oxigénhíd helyettesíti, amely vízmolekulát (H 2 O) szabadít fel, olyan reakció megy végbe, amely több száz-ezerszer megismétlődik, és hosszú cellulózláncokat hoz _létre . . A cellulóz képlete (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _n , ahol az n legkisebb értéke 200.

Források

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

Polimer: leírás, példák és típusok . Encyclopedia Britannica , 2020.

Sperling, Leslie H. Bevezetés a fizikai polimertudományba. Negyedik kiadás, kiadó Hoboken, NJ., John Wiley & Sons, 2006.

Jensen, W.B. A polimer koncepció eredete . Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.

Young, RJ, Lovell PA Bevezetés a polimerekbe. Harmadik kiadás. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.