Monomery i polimery w chemii

Monomer to mała cząsteczka, która ma zdolność wielokrotnego chemicznego wiązania się z innym monomerem lub ze sobą, tworząc łańcuch zwany polimerem .

Na tej samej zasadzie polimer jest makrocząsteczką, to znaczy cząsteczką złożoną z setek lub tysięcy atomów, która powstaje w wyniku kolejnego połączenia małej cząsteczki zwanej monomerem . Związek chemiczny monomerów w celu utworzenia polimeru odbywa się zwykle poprzez wiązania kowalencyjne. Termin „polimer” pochodzi od połączenia greckiego przedrostka poli , co oznacza „dużo”, z przyrostkiem mer , co oznacza „część”. Zatem etymologicznie polimer oznacza „wiele części”. Słowo to zostało ukute przez szwedzkiego chemika Jonsa Jacoba Berzeliusa w 1833 roku. Z kolei monomer pochodzi od greckiego przedrostka mono , co oznacza „jeden”, oraz od wspomnianego greckiego przyrostka mer .

Wiele polimerów może być naturalnych i są one nazywane biopolimerami i są wytwarzane w procesach biochemicznych. Biopolimery są głównymi składnikami biomasy planety, a jednocześnie są kluczowymi cząsteczkami w wielu procesach biologicznych, takich jak DNA i białka. Z drugiej strony sztuczne lub syntetyczne polimery stanowią ogromną różnorodność materiałów, które znamy jako tworzywa sztuczne, z których przykładami są polietylen, kauczuk syntetyczny, polistyren, neopren lub nylon.

Czasami polimery to cząsteczki złożone z zaledwie kilkudziesięciu monomerów; w tym przypadku nazywane są oligomerami ( oligo to grecki przedrostek oznaczający „mały”). Zróżnicowanie opiera się na istotnej zmianie właściwości materiału poprzez modyfikację cząsteczki w kilku jednostkach strukturalnych (jednostkach tworzących monomer i powtarzających się tworząc polimer). Przykładami oligomerów są kolagen i ciekła parafina.

Monomery są nie tylko ważne dla tworzenia polimerów, ale wiele monomerów ma istotne role biochemiczne. Tak jest w przypadku glukozy, monomeru wielu biopolimerów, takich jak celuloza i skrobia, która jest głównym źródłem energii dla komórek.

polimeryzacja

Prostym podejściem do tworzenia polimeru, polimeryzacji, jest rozważenie, że jest to reakcja chemiczna, w której w małej cząsteczce powstają dwa wiązania, na ogół wiązania kowalencyjne, w których łączą się inne jednostki tej samej cząsteczki. Proces ten powtarza się wiele razy, tworząc długi łańcuch atomów. Jak już wspomniano, cząsteczka, z której pochodzi polimer, nazywana jest monomerem, a jednostka, która jest powtarzana w celu utworzenia polimeru, nazywana jest jednostką strukturalną. Najprostszym przykładem polimeryzacji jest tworzenie polietylenu, szeroko stosowanego tworzywa sztucznego.

Monomerem polietylenu jest etylen, prosta cząsteczka organiczna, która ma dwa atomy węgla połączone podwójnym wiązaniem oraz dwa atomy wodoru przyłączone do każdego atomu węgla, jak pokazano na poniższym rysunku. Wiązania węglowe są kowalencyjne. Jeśli podwójne wiązanie zostanie zerwane, każdy z atomów węgla ma wiązanie kowalencyjne dostępne do łączenia się z innymi atomami tworzącymi jednostkę strukturalną, która utworzy polimer. Powtarzające się połączenie tej jednostki strukturalnej generuje długą liniową cząsteczkę, bez rozgałęzień: polietylen.

Innym przykładem wytwarzania sztucznego polimeru jest tworzenie polistyrenu, tworzywa sztucznego o wielu zastosowaniach. Monomerem polistyrenu jest styren, cząsteczka, która ma pierścień benzenowy połączony z dwoma atomami węgla wiązaniem podwójnym. Podobnie jak w przypadku polietylenu, zerwanie podwójnego wiązania tworzy jednostkę strukturalną, która przy wielokrotnym łączeniu tworzy długi łańcuch tworzący polistyren.

Sztuczne polimery można otrzymać z mieszaniny substancji stałych lub z roztworu. W obu polimeryzacja jest indukowana ciepłem lub promieniowaniem gamma w reakcji nieodwracalnej. Sztuczne polimery dzielą się na dwie kategorie; polimery termoplastyczne i termoutwardzalne. Po zakończeniu reakcji polimeryzacji polimery termoutwardzalne stają się sztywne i degradują lub rozkładają się bez mięknięcia po podgrzaniu powyżej określonej temperatury. Żywice epoksydowe, poliester, żywice akrylowe i poliuretan są polimerami termoutwardzalnymi, podobnie jak bakelit, kevlar i wulkanizowana guma. Polimery termoplastyczne, w przeciwieństwie do termoutwardzalnych, są elastyczne, miękną i topią się powyżej określonej temperatury. co pozwala na ich formowanie. Niektóre przykłady polimerów termoplastycznych to nylon, teflon, polietylen i polipropylen.

biopolimery

Biopolimery są być może mniej znane niż sztuczne, ale są podstawowymi składnikami życia. Lipidy to biopolimery, w tym przypadku triglicerydy, których monomerami są glicerol i kwasy tłuszczowe. A białka to polipeptydy, których monomerami są aminokwasy. Innym przykładem są kwasy nukleinowe: kwas dezoksyrybonukleinowy, DNA i kwas rybonukleinowy, RNA, których monomerami są nukleotydy, które z kolei składają się z zasad azotowych, ryboza, która jest cukrem (monosacharyd typu pentozy, to znaczy z pięć atomów węgla) i grupę fosforanową. Węglowodany to także biopolimery, albo polisacharydy, takie jak celuloza i skrobia, albo oligopolimery disacharydów, takie jak sacharoza (zwykły cukier) i laktoza, które są polimerami, których monosacharydy są monosacharydami, to znaczy

Przykład biopolimeru: celuloza

Najobficiej występującym biopolimerem jest celuloza, ponieważ stanowi większość biomasy Ziemi, ponieważ jest składnikiem ściany komórkowej większości roślin. Występuje w najczystszej postaci w bawełnie i jest głównym składnikiem papieru i wielu innych produktów, których używamy w życiu codziennym.

Monomerem celulozy jest beta glukoza (C ₆ H ₁₂ O ₆ , patrz rysunek poniżej). Kiedy grupa hydroksylowa po bokach dwóch pierścieni benzenowych beta-glukozy zostanie zastąpiona mostkiem tlenowym, uwalniając cząsteczkę wody (H 2 O), zachodzi reakcja, która powtarzana setki do tysięcy razy tworzy długie _łańcuchy celulozy . Wzór celulozy to (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _n , gdzie minimalna wartość n wynosi 200.

Źródła

Cowie, JMG, Arrighi, V. Polimery: chemia i fizyka nowoczesnych materiałów. Wydanie trzecie, CRC Press, Boca Raton, 2007.

Polimer: opis, przykłady i typy . Encyklopedia Britannica , 2020.

Sperling, Leslie H. Wprowadzenie do nauki o polimerach fizycznych. Wydanie czwarte, wydawca Hoboken, NJ., John Wiley & Sons, 2006.

Jensen, WB Pochodzenie koncepcji polimeru . Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.

Young, RJ, Lovell PA Wprowadzenie do polimerów. Trzecia edycja. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.