Polymerisation

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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Die weitere Bedeutung ist unter Polymerisation (Begriffsklärung) aufgeführt.
Einteilung der Polyreaktionen

Polymerisation (auch Polymerbildungsreaktion, nach IUPAC Polymerization[1] genannt) ist eine allgemeine Sammelbezeichnung für Synthesereaktionen, die gleichartige oder unterschiedliche Monomere in Polymere überführen.[2][3]

Technische Polymerisationsreaktionen dienen meist der Synthese von Kunststoffen, sie lassen sich in Kettenpolymerisationen und Stufenwachstumsreaktionen einteilen (siehe Abbildung):

  • Kettenpolymerisationen (auch Kettenwachstumsreaktionen, in der engl. Literatur chain-growth polymerization genannt) erfolgen über ein aktives Kettenende. Sie lassen sich in radikalische, kationische, anionische und koordinative Kettenpolymerisationen unterteilen.
  • Stufenwachstumsreaktionen (in der engl. Literatur step-growth polymerization genannt) erfolgt über Polykondensation (auch Kondensationpolymerisationen) oder Polyaddition (auch Additionspolymerisationen genannt).[4]

Biologische Polymerisationsreaktionen verlaufen nach gänzlich anderen Mechanismen und sind wesentlich komplexer, siehe Abschnitt Biologische Polymerisationen

Begriff[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es entstehen häufig Missverständnisse durch uneinheitliche Wortwahl und Begriffsbedeutungen in der deutschen und englischen Fachliteratur, sowie durch die in der Literatur oft abweichende Begriffsverwendung von den Vorschlägen der IUPAC. So bezeichnet in der deutschen (und besonders älteren) Literatur Polymerisation oft Kettenpolymerisationen im heutigen Sinne. Zunehmend wird jedoch dem Vorschlag der IUPAC[1] gefolgt und der Begriff Polymerisation als Oberbegriff für verschiedene Polymerbildungsreaktionen verwendet, so auch in diesem Artikel.

Die Bezeichnung Kettenpolymerisation (nach IUPAC chain polymerization[5]) ist in der deutschen Literatur – im Gegensatz zum klassischen Wort Polymerisation (siehe Begriffsklärung) – weitgehend IUPAC-konform.

Der Begriff Polyreaktion wird gelegentlich als Synonym zu Polymerisation im modernen (hier definierten) Sinn verwendet, um eine Alternative zu dem doppeldeutig verwendeten Begriff zu haben. Polyreaktion besitzt keine englische Entsprechung.

Einteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Polymerbildungsreaktionen verlaufen grundsätzlich ausgehend von niedermolekularen Ausgangsverbindungen (Monomeren) zu langkettigen, oft auch verzweigten, hochmolekularen Molekülen (Makromoleküle). In der Kunststoffchemie ist der Verlauf des Wachstums bei der Polymerbildung wichtig und lässt sich in Kettenwachstum und Stufenwachstum unterteilen.

Kettenwachstumsreaktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Kettenpolymerisation

Beim Kettenwachstum (Kettenpolymerisation) erfolgt nach einer Startreaktion (Initiierung) eine fortwährende Anbindung von Monomeren (M) an die wachsende Polymerkette die aus i Monomereinheiten entstanden ist (Pi):

Pi + M → Pi+1

In dieser Gleichung kann i alle ganzzahligen Werte ≥ 2 haben, da nicht zwischen Dimeren, Oligomeren oder Polymeren unterschieden werden soll. Ein solches Wachstum tritt auf, wenn nur die wachsende Polymerkette eine reaktionsaktivierende Funktionalität trägt. Es kann sich dabei um ein Radikal (radikalische Kettenpolymerisation), ein Kation (kationische Kettenpolymerisation), ein Anion (anionische Kettenpolymerisation) oder um einen koordinativen Komplex (koordinative Kettenpolymerisation) handeln. Die Bildung der Polymere verlaufen alle als (unverzweigte) Kettenreaktionen. Dieses Wachstum hat zur Folge, dass schon bei sehr niedrigen Umsätzen sich Makromoleküle bilden und große Mengen an Monomere unverändert vorliegen.

Stufenwachstumsreaktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Stufenwachstum erfolgt, wenn die Monomere mindestens zwei funktionelle Gruppen tragen, die beide unabhängig voneinander reaktionsfähig sind; sie verlaufen nicht als Kettenwachstumsreaktionen. Bei diesem Wachstum bilden sich bei niedrigen und mittleren Umsätzen nur Dimere, Trimere und Oligomere. Erst bei fast vollständigem Umsatz der funktionellen Gruppen bilden sich hochmolekulare Produkte. In der folgenden Abbildung werden Monomere als Kreise symbolisiert.

Stufenwachstum

Die grünen Segmente der Kreise stellen zwei reaktive funktionelle Gruppen dar, die alle Monomere zu Beginn der Reaktion (0 % Umsatz) tragen. Bei 25 % Umsatz haben sich im Wesentlichen nur Dimere gebildet; reaktiven Gruppen haben sich unter Ausbildung einer chemischen Bindung vereinigt. Selbst bei 75 % Umsatz liegen nur Oligomere vor. Um hochmolekulare Verbindungen zu bilden, ist ein fast vollständiger Umsatz nötig. Stufenwachstum lässt sich in Polyaddition und Polykondensation unterteilen.

Polyaddition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Polyaddition

Bei der Polyaddition (Additionspolymerisation, IUPAC: polyaddition) erfolgt das Wachstum über Additionsreaktionen. Als Erstes bilden sich aus den Monomeren (M) Dimere (P2) und Trimere (P3):

M + M → P2
P2 + M → P3

Bei Fortschritt des Wachstums reagieren Addukte mit beliebigen Polymerisationsgrad miteinander. In der Reaktionsgleichung können i und j daher alle ganzzahligen Werte ≥ 2 tragen.

Pi + Pj → Pi+j

Polykondensation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Polykondensation

Polykondensation (Kondensationpolymerisation, IUPAC: polykondensation) verläuft über Kondensationsreaktionen. Daher wird bei jeder Reaktion ein Molekül (L), wie z. B. Wasser, abgespalten. Der Fortschritt des Wachstums ist ansonsten ähnlich der Polyaddition:

M + M → P2 + L
P2 + M → P3 + L
Pi + Pj → Pi+j + L

Verlauf des Kettenwachstums[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schematische Darstellung von Polyreaktionen: Verlauf des mittlerer Polymerisationsgrad bei fortschreitendem Umsatz .

Der maximale, mittlere Polymerisationsgrad wird bei der Kettenpolymerisation (1) schon bei geringen Umsätzen erreicht; das schnelle Wachstum wird durch Abbruchreaktionen beendet. Es liegt ein Gemisch aus dem (gewünschten) Polymer und vielen Monomeren vor. Im Verlauf der Reaktion erfolgt durch neue, zögerlich ablaufende Initiierung (Propagation) die Bildung von neuen, wiederum schnell wachsenden Polymerketten, die zu vollständigen Umsetzungen der Monomere führen können. Bei der Stufenpolymerisation (2) bilden sich bei fortschreitendem Umsatz nur Oligomere. Erst bei fast vollständigem Umsatz wird der maximale, mittlere Polymerisationsgrad erreicht. Bei der Lebenden Polymerisation (3), einem Sonderfall der Kettenpolymerisation, wächst der Polymerisationsgrad kontinuierlich zum maximalen, mittleren Polymerisationsgrad an, da keine Abbruchreaktionen das Wachstum stoppen.

Biologische Polymerisationen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In Lebewesen dienen Polymerisationsreaktionen u. a. zur Synthese von DNA und Proteinen. Sie verlaufen nach anderen und wesentlich komplexeren Mechanismen als zuvor aufgeführt. Sie beinhaltet in der Regel eine temporäre Komplex-Bildung mit einem Templat. So dient etwa in der Protein-Biosynthese die t-RNA als Templat, die einen Komplex mit Ribosomen eingeht. In der Folge wird die Sequenz der Templates auf das neu gebildete Polymer übertragen. Die äußerst komplexen Mechanismen erlauben ein hohes Maß an Kontrolle über das finale Polymer.[6][7]

Biologische Polymerisationsreaktionen sind bislang nur in einigen Fällen technisch nutzbar gemacht worden, etwa in der Polymerase-Kettenreaktion[8] oder in der enzymatischen Polymerisation von technischen Polymeren.[9]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Eintrag zu polymerization. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). doi:10.1351/goldbook.P04740 Version: 2.3.2.
  2. Eintrag zu Polyreaktionen. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 20. Juni 2014.
  3. M. D. Lechner, K. Gehrke, E. H. Nordmeier: Makromolekulare Chemie. 4. Auflage. Birkhäuser Verlag, 2010, ISBN 978-3-7643-8890-4, S. 48–170.
  4. Wolfgang Kaiser: Kunststoffchemie für Ingenieure. 3. Auflage, Carl Hanser, München 2011, Seite 37.
  5. Eintrag zu chain polymerization. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). doi:10.1351/goldbook.C00958 Version: 2.3.2.
  6. Nezha Badi, Jean-François Lutz: Sequence control in polymer synthesis. In: Chemical Society Reviews. 38, Nr. 12, 2009, S. 3383. doi:10.1039/b806413j.
  7. J.-F. Lutz, M. Ouchi, D. R. Liu, M. Sawamoto: Sequence-Controlled Polymers. In: Science. 341, Nr. 6146, 8. August 2013, S. 1238149–1238149. doi:10.1126/science.1238149.
  8. JohnM.S. Bartlett, David Stirling: A Short History of the Polymerase Chain Reaction. In: Humana Press (Hrsg.): PCR Protocols. 1. Januar 2003, S. 3–6. doi:10.1385/1-59259-384-4:3.
  9. Shiro Kobayashi, Hiroshi Uyama, Shunsaku Kimura: Enzymatic Polymerization. In: Chemical Reviews. 101, Nr. 12, December 2001, S. 3793–3818. doi:10.1021/cr990121l.