Monomerer och polymerer i kemi

En monomer är en liten molekyl som har förmågan att kemiskt binda till en annan monomer eller till sig själv många gånger och bilda en kedja som kallas en polymer .

På samma sätt är en polymer en makromolekyl, det vill säga en molekyl som består av hundratals eller tusentals atomer, som genereras från den successiva föreningen av en liten molekyl som kallas en monomer . Den kemiska föreningen av monomererna för att bilda en polymer sker vanligtvis genom kovalenta bindningar. Termen ”polymer” kommer från konjunktionen av det grekiska prefixet poli , som betyder ”mycket”, med suffixet mer , som betyder ”del”. Således betyder etymologiskt polymer ”många delar”. Ordet myntades av den svenske kemisten Jons Jacob Berzelius 1833. För hans del härstammar monomer från det grekiska prefixet mono , som betyder ”en”, och från det tidigare nämnda grekiska suffixet mer .

Många polymerer kan vara naturliga och kallas biopolymerer och produceras genom biokemiska processer. Biopolymerer är huvudkomponenterna i planetens biomassa, och samtidigt är de nyckelmolekyler i många biologiska processer, som DNA och proteiner. Å andra sidan utgör konstgjorda eller syntetiska polymerer den enorma mängd material som vi känner som plaster, varav polyeten, syntetiskt gummi, polystyren, neopren eller nylon är några exempel.

Ibland är polymerer molekyler sammansatta av endast några dussin monomerer; i detta fall kallas de oligomerer ( oligo är ett grekiskt prefix som betyder ”liten”). Differentieringen baseras på en betydande förändring av materialets egenskaper genom att modifiera molekylen i ett fåtal strukturella enheter (de enheter som bildar monomeren och som upprepas för att bilda polymeren). Exempel på oligomerer är kollagen och flytande paraffin.

Monomerer är inte bara viktiga för att bilda polymerer, utan många monomerer har relevanta biokemiska roller. Detta är fallet med glukos, monomeren av många biopolymerer som cellulosa och stärkelse, och som är den huvudsakliga energikällan för celler.

polymerisation

Ett enkelt tillvägagångssätt för bildandet av en polymer, polymerisation, är att betrakta att det är en kemisk reaktion där två bindningar genereras i en liten molekyl, vanligtvis kovalenta bindningar, där andra enheter av samma molekyl är sammanfogade. Denna process upprepas ett stort antal gånger och bildar en lång kedja av atomer. Som redan nämnts kallas molekylen som härrör polymeren för en monomer och den enhet som upprepas för att bilda polymeren kallas en strukturell enhet. Det enklaste exemplet på polymerisation är bildningen av polyeten, en allmänt använd plast.

Monomeren av polyeten är eten, en enkel organisk molekyl som har två kolatomer kopplade med en dubbelbindning, tillsammans med två väteatomer fästa till varje kolatom, som visas i figuren nedan. Kolbindningarna är kovalenta. Om dubbelbindningen bryts har var och en av kolatomerna en kovalent bindning tillgänglig för att förena andra atomer som utgör den strukturella enheten som kommer att bilda polymeren. Den upprepade föreningen av denna strukturella enhet genererar en lång linjär molekyl, utan förgreningar: polyeten.

Ett annat exempel på genereringen av en konstgjord polymer är bildandet av polystyren, en plast med flera användningsområden. Monomeren av polystyren är styren, en molekyl som har en bensenring fäst vid två kolatomer med en dubbelbindning. Liksom i fallet med polyeten genererar brytningen av dubbelbindningen den strukturella enheten som, när den sammanfogas upprepade gånger, utgör en lång kedja som bildar polystyren.

Konstgjorda polymerer kan erhållas från en blandning av fasta ämnen eller från en lösning. I båda induceras polymerisation med värme eller genom att applicera gammastrålning, i en reaktion som är irreversibel. Konstgjorda polymerer grupperas i två kategorier; termoplastiska och värmehärdande polymerer. När väl polymerisationsreaktionen är fullbordad tenderar värmehärdande polymerer att vara stela och brytas ned eller sönderdelas utan att mjukna när de värms över en viss temperatur. Epoxihartser, polyester, akrylhartser och polyuretan är värmehärdande polymerer, precis som bakelit, kevlar och vulkaniserat gummi. Termoplastiska polymerer är, till skillnad från härdplaster, flexibla och mjukar och smälter över en viss temperatur. vilket gör att de kan formas. Några exempel på termoplastiska polymerer är nylon, teflon, polyeten och polypropen.

biopolymerer

Biopolymerer är kanske mindre kända än konstgjorda, men de är grundläggande komponenter i livet. Lipider är biopolymerer, i detta fall triglycerider vars monomerer är glycerol och fettsyror. Och proteiner är polypeptider vars monomerer är aminosyror. Ett annat exempel är nukleinsyror: deoxiribonukleinsyra, DNA och ribonukleinsyra, RNA, vars monomerer är nukleotider som i sin tur är uppbyggda av kvävebaser, ribos, som är ett socker (en monosackarid av pentostyp, det vill säga med fem kolatomer) och en fosfatgrupp. Kolhydrater är också biopolymerer, antingen polysackarider, såsom cellulosa och stärkelse, eller disackarid-oligopolymerer, såsom sackaros (vanligt socker) och laktos, som är polymerer vars monosackarider är monosackarider, dvs.

Ett exempel på en biopolymer: cellulosa

Den vanligaste biopolymeren är cellulosa, eftersom den utgör det mesta av jordens biomassa eftersom den är en beståndsdel av cellväggen hos de flesta växter. Det finns i sin renaste form i bomull, och är huvudkomponenten i papper och många andra produkter vi använder i vardagen.

Cellulosamonomeren är betaglukos (C ₆ H ₁₂ O ₆ , se figur nedan). När en hydroxylgrupp på sidorna av två bensenringar av beta-glukos ersätts av en syrebrygga, vilket frigör en vattenmolekyl (H 2 O), uppstår en reaktion som, när den upprepas hundratals till tusentals gånger, bildar de _långa cellulosakedjorna . Formeln för cellulosa är (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _n , där minimivärdet på n är 200.

Källor

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

Polymer: Beskrivning, exempel och typer . Encyclopedia Britannica , 2020.

Sperling, Leslie H. Introduktion till fysikalisk polymervetenskap. Fjärde upplagan, förlag Hoboken, NJ., John Wiley & Sons, 2006.

Jensen, W.B. Ursprunget till polymerkonceptet . Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.

Young, RJ, Lovell PA Introduktion till polymerer. Tredje upplagan. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.