Πολυμερή &Πολυμερισμός:Ένας ολοκληρωμένος οδηγός για την οργανική χημεία

Τι είναι τα πολυμερή και τα μονομερή;

Ένα πολυμερές είναι ένα μεγάλο μόριο (γνωστό ως μακρομόριο) κατασκευασμένο από πολλαπλές επαναλαμβανόμενες υπομονάδες. Αυτές οι απλές υπομονάδες που αποτελούν κάθε πολυμερές είναι γνωστές ως μονομερή. Στην πραγματικότητα, ο όρος πολυμερές σημαίνει πολλά μονομερή! Τα μονομερή είναι τα δομικά στοιχεία για κάθε πολυμερές. Ο σχηματισμός ενός πολυμερούς ονομάζεται πολυμερισμός.

Καθώς τα πολυμερή σχηματίζονται από μονομερείς υπομονάδες, η δημιουργία μιας αλυσίδας πολυμερούς περιλαμβάνει το συνδυασμό πολλαπλών μονάδων μονομερούς (γνωστές και ως διάδοση) μέχρι να σχηματιστεί το επιθυμητό πολυμερές.

Με δομή που μοιάζει με αλυσίδα, τα πολυμερή βρίσκονται φυσικά μέσα στα κύτταρα και μπορούν επίσης να συντεθούν τεχνητά. Απαραίτητα για την καθημερινή ζωή, τα πολυμερή μπορούν να βρεθούν με οποιαδήποτε δομή, μάζα (μοριακό βάρος) ή λειτουργία.

Τι είναι ο Πολυμερισμός;

Ο πολυμερισμός είναι η διαδικασία σύνδεσης μονομερών για το σχηματισμό πολυμερών αλυσίδων. Με βάση τη διαδικασία πολυμερισμού, τα μονομερή συνδέονται μέσω αντιδράσεων λειτουργικής ομάδας ή δημιουργώντας αντιδραστικά ενδιάμεσα αντιδρώντα (διάδοση ελεύθερων ριζών).

Τα πολυμερή είναι αλυσίδες επαναλαμβανόμενων μονομερών ομάδων που δημιουργούνται συχνά από χιλιάδες μοναδικά μονομερή. Με πολλαπλά είδη πολυμερισμού, η διαδικασία πολυμερισμού μπορεί να σχηματίσει μακρομόρια ως πολυάριθμους δεσμούς μονομερών.

Διαφορετικοί τύποι πολυμερισμού

1. Πολυμερισμός αλυσιδωτής αντίδρασης (προσθήκης)

Ο πολυμερισμός προσθήκης είναι όταν ένα μονομερές και ο καταλύτης αντιδρούν μεταξύ τους σε μια διαδικασία τριών σταδίων. Τα τρία βήματα είναι η έναρξη, η διάδοση και ο τερματισμός.

Το πρώτο βήμα, η έναρξη, περιλαμβάνει το μονομερές που υφίσταται αντίδραση προσθήκης αλκενίου. Για πολυμερισμό προσθήκης, τα μονομερή συνήθως έχουν έναν διπλό δεσμό άνθρακα-άνθρακα. Ο καταλύτης είναι συνήθως ένα υπεροξείδιο ελεύθερων ριζών.

Πολυμερισμός χλωριούχου βινυλίου σε χλωριούχο πολυβινύλιο (PVC)

Για παράδειγμα, η διάδοση του μορίου αιθυλενίου με έναν καταλύτη σχηματίζει πολυαιθυλένιο/πολυαιθυλένιο.

2. Πολυμερισμός σταδιακής αντίδρασης (συμπύκνωσης)

Αντί για το βήμα διάδοσης ελεύθερων ριζών, ο πολυμερισμός συμπύκνωσης περιλαμβάνει μονομερή με δύο δραστικές λειτουργικές ή ακραίες ομάδες που αντιδρούν άμεσα μεταξύ τους. Αυτές οι αντιδράσεις συχνά δημιουργούν διπροϊόντα όπως νερό, αμμωνία ή HCl.

Αφού αντιδράσουν οι λειτουργικές ομάδες, τα δύο μονομερή σχηματίζουν δεσμούς και συνεχίζουν να συνδέονται με άλλες λειτουργικές ομάδες.

Σε σύγκριση με τον πολυμερισμό προσθήκης, ο πολυμερισμός συμπύκνωσης απαιτεί υψηλότερες θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα πολυμερή με χαμηλότερο μοριακό βάρος.

Για παράδειγμα, τα μονομερή σε πολυεστέρες (κατηγορία πολυμερών) συνδέονται με τη λειτουργική ομάδα εστέρα.

Σύνθεση νάιλον

Μονομερή σε πολυμερή

Όταν σχηματίζονται πολυμερή από μονομερή, ο πολυμερισμός είναι συνήθως μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων που περιλαμβάνει πολλαπλές αντιδράσεις που διαδίδουν το μήκος της αλυσίδας του πολυμερούς.

Για παράδειγμα, ο Πολυμερισμός προσθήκης ξεκινά μεέναρξη , όπου ο διπλός δεσμός του μονομερούς αντιδρά με τον καταλύτη, σπάζοντας τον διπλό δεσμό και σχηματίζοντας μια ελεύθερη ρίζα (εκλογή σθένους). Το στάδιο έναρξης μπορεί επίσης να σχηματίσει μια ελεύθερη ρίζα με απορρόφηση θερμότητας και ακτινοβολία φωτός

Στη συνέχεια, το μονομερές υφίσταται διάδοση βήμα. Τα μονομερή συνδέονται συνεχώς με την ελεύθερη ρίζα που σχηματίζεται στο στάδιο της έναρξης, δημιουργώντας έτσι την αλυσίδα του πολυμερούς. Η διάδοση επαναλαμβάνει το στάδιο έναρξης, διατηρώντας το σχηματισμό της ελεύθερης ρίζας και αντιδρώντας με περισσότερα μονομερή.

Το τελευταίο βήμα για την ολοκλήρωση του πολυμερούς είναι ο τερματισμός βήμα, το οποίο απενεργοποιεί τη διάδοση των ελεύθερων ριζών. Είτε με ένα υποπροϊόν ελεύθερων ριζών που αντιδρά με το άκρο του πολυμερούς είτε με δύο ατελείς αλυσίδες πολυμερούς που αντιδρούν μεταξύ τους, το στάδιο τερματισμού σταματά τη διάδοση των ελεύθερων ριζών και παράγει ένα πλήρες πολυμερές.

Πολυμερισμός Thiol Michael

Κατηγορίες δομικών πολυμερών

Όλα τα πολυμερή δεν μπορούν να ταξινομηθούν στο ίδιο σύστημα λόγω των διαφορετικών χαρακτηριστικών και συμπεριφορών τους. Καθώς τα πολυμερή ορίζονται ως οποιαδήποτε αλυσίδα που αποτελείται από επαναλαμβανόμενες μονομερείς ομάδες, τα πολυμερή περιλαμβάνουν διάφορα μακρομόρια με διαφορετικούς σκοπούς.

Επομένως, υπάρχουν πολλές διαφορετικές ταξινομήσεις πολυμερών – από τη φυσική διαθεσιμότητα, την αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες έως τις μοριακές δυνάμεις. Παρακάτω παρατίθενται κατηγορίες πολυμερών με βάση τη δομή της αλυσίδας μονομερών τους.

• Γραμμικά πολυμερή

Σύμφωνα με το όνομα, τα γραμμικά πολυμερή είναι μακριές, ευθείες αλυσίδες πολυμερών που συγκρατούνται μεταξύ τους από αδύναμο Van Der Waals και δεσμούς υδρογόνου.

Αυτά τα πολυμερή συσκευάζονται πυκνά μεταξύ τους, με υψηλά σημεία βρασμού και τήξης. Μερικά παραδείγματα γραμμικών πολυμερών περιλαμβάνουν το πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC), το τεφλόν και το πολυστυρόλιο.

Γραμμικό PEI

• Πολυμερή Διακλαδισμένης Αλυσίδας

Τα πολυμερή διακλαδισμένης αλυσίδας είναι γραμμικά πολυμερή με συνδεδεμένες δευτερεύουσες αλυσίδες πολυμερούς. Αντί για μια ευθεία αλυσίδα πολυμερούς, τα πολυμερή διακλαδισμένης αλυσίδας μοιάζουν με κλαδιά δέντρων, με άλλες αλυσίδες που εκτείνονται από την κύρια ραχοκοκαλιά.

Λόγω των διακυμάνσεων στο μήκος του κλάδου, τα πολυμερή διακλαδισμένης αλυσίδας έχουν χαμηλότερη πυκνότητα και σημεία τήξης/βρασμού. Μερικά παραδείγματα περιλαμβάνουν άμυλο και γλυκογόνο.

Υποκατάστημα PEI

• Πολυμερή με σταυροειδείς δεσμούς

Τα διασυνδεδεμένα πολυμερή είναι ομάδες αλυσίδων πολυμερών που συνδέονται μεταξύ τους με ομάδες ομοιοπολικού δεσμού. Αυτά τα πολυμερή συχνά μοιάζουν με σκάλα. Πολλά ελατά πολυμερή υφίστανται χημική διασύνδεση (την προσθήκη ενός σκληρυντικού ανυδρίτη) που ενώνει τις πολυμερείς αλυσίδες με έναν ομοιοπολικό δεσμό.

Μετά τη διαδικασία διασύνδεσης, το μόριο έχει πλέον μια πιο άκαμπτη και σταθερή δομή που διατηρεί τη μορφή του. Μερικά παραδείγματα περιλαμβάνουν βουλκανισμένο καουτσούκ, υαλοβάμβακα, εποξειδικές και ακρυλικές ρητίνες.

Αντίδραση πολυμερισμού εποξειδίου-αμίνης

Πολυμερισμός και πολυμερή στην καθημερινή ζωή

Μερικά παραδείγματα πολυμερών που χρησιμοποιούνται συχνά περιλαμβάνουν χλωριούχο πολυβινύλιο (PVC), πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LDPE), νάιλον, τεφλόν και μεθακρυλικό πολυμεθυλεστέρα (ακρυλικό). Τα πολυμερή είναι διαδεδομένα σχεδόν σε κάθε καθημερινό περιβάλλον – είτε πρόκειται για κουζίνες, εργοστάσια, αίθουσες διδασκαλίας ή εργοτάξια.

Με την εφεύρεση των πολυμερών το 1869, η βιομηχανία πολυμερών άνθησε, κατασκευάζοντας πλαστικά, βουλκανισμένο καουτσούκ και άλλες ουσίες για τη βελτίωση της καθημερινής ζωής. Όλα τα πλαστικά, τα συνθετικά υφάσματα και η ακρυλική κατασκευή εξαρτώνται από τη διαδικασία πολυμερισμού, καθιστώντας τα πολυμερή κρίσιμη βάση στη σύγχρονη ζωή.

Κατασκευή πολυμερών