Organische Chemie

Polymerisation

In diesem Artikel erhältst du einen Überblick über die wichtigsten Polymerisationsreaktionen, darunter die radikalische, die anionische sowie kationische, sowie die Ziegler-Natta-Polymerisation.

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Inhaltsübersicht

Polymerisation einfach erklärt

Eine Polymerisation ist eine Synthesereaktion, bei der viele kleine Einheiten (Monomere) durch sich wiederholende Reaktionsschritte aneinander gekettet werden und somit ein größeres Molekül bilden, das Polymer. Verschiedene oder gleichartige Monomere können durch Initiation, Propagation, Kettenübertragung und anschließender Termination zu Polymeren zusammengesetzt werden. Damit kannst du verschiedene Synthesen durchführen und zum Beispiel Kunststoffe herstellen.

Polymerisation Definition

Eine Polymerisation ist eine Synthesereaktion, bei der aus Monomeren Polymere hergestellt werden. Sie umfasst folgende Reaktionsschritte:

  •  Initiation
  • Propagation
  • Kettenübertragung
  • Termination

Polymerisationsreaktion

Die Polymerisationsreaktion kann unterteilt werden in die Kettenpolymerisationen und die Stufenwachstumsreaktionen, wobei wir in diesem Artikel die Kettenpolymerisationen behandeln werden. Weiterhin solltest du beachten, dass in der Biologie auch Polymerisationsreaktionen auftreten, die jedoch ganz andere Mechanismen haben, weshalb wir sie hier nicht behandeln. 

Bei der Kettenpolymerisation wird zuerst ein Initiator oder Katalysator benötigt. Dann reagiert die wachsende Kette in der Propagation mit einem Monomer, dann mit dem nächsten Monomer und so weiter. Schließlich kommt es durch eine Terminationsreaktion zum Kettenabbruch. Eine Ausnahme bilden die lebenden Polymerisationen, die kontinuierlich wachsen bis sie ihren maximalen Polymerisationsgrad erreicht haben. Zur Kettenpolymerisation zählen die radikalische, die anionische und kationische, sowie die koordinative Polymerisation, zu der auch die Ziegler-Natta-Polymerisation gehört. 

Neben der Kettenpolymerisation gibt es noch die Stufenwachstumsreaktion. Dabei wird kein Initiator oder Katalysator zum Starten benötigt. Die Monomere, Dimere und Oligomere können einfach miteinander reagieren und verschieden lange Polymere bilden. Während bei der Kettenpolymerisation bereits früh lange Ketten vorliegen und der Polymerisationsgrad unabhängig ist vom Umsatz, sieht das bei der Stufenwachstumsreaktion anders aus. Die kleineren Einheiten reagieren vermehrt und erst mit der Zeit entstehen lange Ketten. Dabei ist der Polymerisationsgrad vom Umsatz abhängig, sodass keine Abbruchreaktion stattfindet. Zu den Stufenwachstumsreaktionen gehören die Polyaddition%Videoverweis und die Polykondensation%Videoverweis.

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Kettenpolymerisation und Stufenwachstumsreaktion

 

Die Polymerisation umfasst prinzipiell die folgenden Schritte:

  1. Initiation: Anfang der Polymerisation (= Kettenstart = Primärreaktion)
  2. Propagation: Polymerisation, also Kettenwachstum (= Wachstumsreaktion)
  3. Kettenübertragung: entstandene Ketten können sich verzweigen
  4. Termination: letzter Schritt der Polymerisation (= Kettenabbruch = Abbruchreaktion)

Der 3. Schritt, also die Kettenübertragung, tritt häufig als Nebenreaktion auf, kann aber auch durch Kettenübertragungsmittel herbeigeführt werden. 

Radikalische Polymerisation

Am häufigsten triffst du auf die radikalische Polymerisation%Videoverweis. Dazu haben wir auch einen eigenen Beitrag erstellt.

Sie gehört zu den Kettenpolymerisationen und wird durch einen Initiator gestartet. Durch Wärme oder Licht zerfällt der Initiator in Radikale, welche dann an Doppelbindungen oder anderen Mehrfachbindungen angreifen, wobei schließlich ein Primärradikal oder Starterradikal entsteht. Nun kommt es zur Polymerisation, also der Propagation. An das Primärradikal lagert sich ein Monomer an, anschließend das zweite und so weiter. Wenn ein Initiatorradikal mit der wachsenden Kette aufeinander trifft und sie sich kombinieren, wird die Polymerisation beendet. Dieser Schritt heißt auch Rekombination. Zwei Initiatorradikale oder zwei wachsende Ketten können sich ebenfalls miteinander kombinieren. Eine weitere Möglichkeit der Termination stellt die Disproportionierung dar. Dabei kann ein Wasserstoffatom H zum Beispiel  zum einen Alkan übergehen, wobei das zweite Alkan zum Alken wird.

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Radikalische Polymerisation

Anionische Polymerisation (nucleophil)

Weiterhin gibt es auch ionische Polymerisationen. Die anionische Polymerisation kannst du auch nucleophil nennen. Starke Basen wie Alkoholate oder Grignard-Verbindungen ebenso wie Alkalimetalle dienen als gute Initiatoren. Für den Kettenstart bildet sich dann ein Carbanion durch Anlagerung der Base an eine Mehrfachbindung. Durch Elektronenübertragung kann die Propagation beginnen und wird erst gestoppt, wenn Protonen H+ hinzugefügt werden. Du kannst häufig keine Termination beobachten und deshalb von einer lebenden Polymerisation sprechen. 

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Anionische Polymerisation

Kationische Polymerisation (elektrophil)

Neben der anionischen gibt es natürlich auch eine kationische Polymerisation oder auch elektrophile Polymerisation genannt. Hier kannst du als Initiatoren Lewis-Säuren verwenden, also zum Beispiel Bortrifluorid BF3. Durch Hydrolyse der Lewis-Säure mit Wasser kann ein Proton H+ an einer Mehrfachbindung angreifen und aus dem Alken ein Carbo-Kation machen, also ein positiv geladenes Alkan. Jetzt kann die Propagation durch Reaktion mit weiteren Alkenen beginnen und ein Polymer entsteht. Für die Termination kannst du Basen oder geeignete Anionen einsetzen.

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Kationische Polymerisation

Polyinsertion

Durch eine Polyinsertion (auch koordinative Polymerisation genannt) kannst du die Taktizität beeinflussen. Da normalerweise nur ataktische Produkte entstehen, kannst du vor allem mit der Ziegler-Natta-Polymerisation stereospezifisch die Anordnung der Monomere steuern.

Taktizität

Die Taktizität beschreibt die räumliche Anordnung der asymmetrischen Monomere im Polymer. Du kannst zwischen 3 Grundtypen unterscheiden:

  • isotaktisch: Ein Polymer ist isotaktisch, wenn die Reste der Monomere stets gleich angeordnet sind.
  • syndiotaktisch: Wenn die Reste abwechselnd nach vorne oder hinten angeordnet sind, dann heißt das Polymer syndiotaktisch.
  • ataktisch: Bei ataktischen Polymeren sind die asymmetrischen Monomere komplett zufällig angeordnet.
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Taktizität

Ziegler-Natta-Polymerisation

Die wohl bekannteste Polyinsertion ist die Ziegler-Natta-Polymerisation. Durch deine Wahl an Koordinationskatalysatoren, die auch Ziegler-Natta-Katalysatoren genannt werden, kannst du die Taktizität direkt beeinflussen. Der Katalysator ist dabei eine Übergangsmetallverbindung (IV. bis VIII. Nebengruppe) und der Co-Katalysator eine metallorganische Verbindung (I. bis III. Hauptgruppe). Im folgenden Bild siehst du das Beispiel TiCl4/Al(C2H5)3, wobei Titantetrachlorid TiCl4 an eine der beiden freien Bindungsstellen mit Trialkylaluminium Al(C2H5)3 einen Katalysator-Komplex bildet. Das Alken kann nun koordinativ an die andere freie Bindungsstelle gebunden werden. Das Monomer kann zwischen Titan und dem Co-Katalysator eingeschoben werden (= Insertion). Die Katalysatoren halten also die wachsende Kette zwischen sich fest, sodass die Propagation nur in bestimmter Orientierung möglich ist und du deine gewünschte Taktizität erhältst. 

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Ziegler-Natta-Polymerisation (Polyinsertion) 1. Teil

 

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Ziegler-Natta-Polymerisation (Polyinsertion) 2. Teil

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