Organische Chemie
Polymerisation
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Polymerisation einfach erklärt

Bei der Polymerisation werden kleine Verbindungen durch verschiedene Methoden wie kleine Bausteine aneinander gekettet. Damit diese Bausteine (Monomere) Reaktionen eingehen können, werden Hitze, Radikale oder andere Katalysatoren benötigt.

Die Doppelbindung eines Monomers löst sich auf, sodass es an andere Monomere binden kann. Dadurch wird die Kette an Bausteinen immer größer und du erhältst sogenannte Polymere.

Einfach gesagt kennst du Polymere auch als Kunststoffe. Sie werden zum Beispiel in PET-Flaschen, also Plastikflaschen, verwendet. 

Polymerisation Definition

Die Polymerisation ist eine chemische Reaktion, bei der Monomere (kleine, organische Verbindungen) durch Katalysatoren ihre Mehrfachbindungen auflösen, um Polymere (langkettige Verbindungen) zu bilden. Verschiedene oder gleichartige Monomere werden durch Initiation, Propagation, Kettenübertragung und Termination zu Polymeren zusammengesetzt.

Polymerisationsreaktion

Die Polymerisationsreaktion umfasst die folgenden 4 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)

Im ersten Schritt muss bei der Initiation die C=C-Doppelbindung eines Monomers aufgelöst werden. Das erfolgt auf viele Arten, wie z. B. durch Hitze, Bestrahlung oder der Zufuhr von Radikalen. Dadurch hat dein Monomer ein aktives Zentrum, also eine Bindungsstelle für ein weiteres Monomer.

In Schritt zwei kann durch die Propagation nun eine Kette entstehen. Hier stößt ein weiteres Monomer auf dein aktiviertes Monomer und löst seine eigene C=C-Doppelbindung auf. Das zweite Monomer bindet nun an dein erstes Monomer, wodurch deine Kette wächst. Auf diese Art können sich mehr und mehr Monomere an die Kette binden. %<strong>@Animation</strong>: Hier bitte eine Abbildung so ähnlich wie unten darstellen. Layout an die anderen Abbildungen anpassen :). Beschriftung: Initiation und Propagation; Alt-Text: polymerisation, radikalische polymerisation, polimerisation, initiation, propagation, anionische polymerisation, kationische polymerisation.<img class="aligncenter wp-image-364771 size-full" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2022/05/Polymerisation_Abb.1.2.png" alt="" width="1326" height="713" />

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Invitation und Propagation

Im Verlaufe der Propagation kann es zum dritten Schritt, der Kettenübertragung, kommen. Statt an das aktive Zentrum am Ende der Kette zu binden, wird innerhalb der Kette ein aktives Zentrum erschaffen, sodass es zu Verzweigungen kommt. Das passiert häufig als Nebenreaktion, kann aber gezielt durch Kettenübertragungsmittel herbeigeführt werden.

Im letzten Schritt erfolgt die Termination, wenn zwei Ketten mit aktiven Zentren aufeinandertreffen und ihre Zentren so deaktivieren. %<strong>@Animation</strong>: Hier bitte eine Abbildung so ähnlich wie unten darstellen. Layout an die anderen Abbildungen anpassen :). Beschriftung: Kettenübertragung und Termination; Alt-Text: polymerisation, radikalische polymerisation, polimerisation, kettenübertragung, termination, anionische polymerisation, kationische polymerisation.<img class="aligncenter wp-image-364772 size-full" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2022/05/Polymerisation_Abb.2.png" alt="" width="1326" height="713" />

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Kettenübertragung und Termination

Gibt es also keine Verbindungen mit aktiven Zentren mehr, hört das Kettenwachstum auf.

Polymerisationsarten

Du kannst die Polymerisationsreaktion in die Kettenpolymerisationen und die Stufenwachstumsreaktionen unterteilen. 

Bei der Kettenpolymerisation…

  • brauchst du einen Initiator (z.B. Dibenzoylperoxid) oder Katalysator.
  • werden in der Propagation immer nur Monomere zur Verlängerung der Kette genutzt.
  • können lebende Polymerisationen auftreten, die kontinuierlich wachsen, bis sie ihren maximalen Polymerisationsgrad erreicht haben.
  • können die radikalische, koordinative, kationische sowie die anionische Polymerisation auftreten. 

Bei der Stufenwachstumsreaktion…

  • wird kein Initiator oder Katalysator zum Starten benötigt.
  • reagieren unterschiedlich langkettige Monomere miteinander und bilden verschieden lange Polymere.
  • reagieren kleinere Monomere häufiger. Erst mit der Zeit entstehen lange Ketten.
  • ist der Polymerisationsgrad vom Umsatz (Menge vom Ausgangsstoff) abhängig, sodass keine Abbruchreaktion stattfindet.
  • können die Polyaddition  und die Polykondensation  auftreten.
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Kettenpolymerisation und Stufenwachstumsreaktion

Von allen Polymerisationen tritt die radikalische Polymerisation am häufigsten auf.

Radikalische Polymerisation

Die radikalische Polymerisation 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. Schließlich entsteht so ein Starterradikal oder Primärradikal.

Nun kommt es zur Propagation. An das Primärradikal lagert sich ein Monomer an, anschließend ein zweites Monomer und so weiter.

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Radikalische Polymerisation – 1. Teil

Die Termination erfolgt, wenn ein Initiatorradikal auf die wachsende Kette trifft, wodurch die Radikale sich kombinieren. Dieser Schritt heißt auch Rekombination. Es können auch zwei wachsende Ketten aufeinandertreffen und sich kombinieren. Wenn es also keine aktiven Zentren mehr gibt, ist die Polymerisation beendet.

Polymerisation, radikalische Polymerisation, Styrol
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Radikalische Polymerisation – 2. Teil

Eine weitere Möglichkeit der Termination stellt die Disproportionierung dar. Dabei kann ein Wasserstoffatom zum Beispiel zu einem Alkan übergehen, wobei das zweite Alkan zum Alken wird.

Anionische Polymerisation (nucleophil)

Bei der anionischen Polymerisation werden Monomere durch Hinzugabe von starken Basen zu Carbanionen. Ihre negative Ladung löst die Doppelbindung weiterer Monomere auf, sodass sie durch Elektronenübertragung zu einer stetig wachsenden Monomerkette gebunden werden.

Häufig dienen starke Basen wie Alkoholate, Grignard-Verbindungen oder Alkalimetalle als gute Initiatoren. In der Initiation bildet sich dann ein Carbanion durch Anlagerung der Base an die Mehrfachbindung eines Monomers (z.B. Styrol).

Durch Elektronenübertragung kann die Propagation beginnen und wird erst gestoppt, wenn an die negative Ladung der Monomerkette ein Proton H+ bindet.%<strong>@Animation</strong>: In die Abbildung bitte statt "Anion" lieber "Carbanion" reinschreiben und es genau so dunkelblau machen wie im Artikel. Außerdem vielleicht den Inhalt vergrößern, damit die Abbildung nicht so leer aussieht?...

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Anionische Polymerisation

Die anionische Polymerisation weist häufig keine Termination auf, weshalb du von einer lebenden Polymerisation sprechen kannst.

Kationische Polymerisation (elektrophil)

Neben der anionischen Polymerisation gibt es 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.%<strong>@Animation</strong>: statt "kation" bitte "Carbo-Kation" schreiben und es rot hervorheben. Die Plussymbole dann genau so rot machen, damit diese Abbildung sich von der oberen Abbildung besser hervorhebt :) Außerdem vielleicht den Inhalt vergrößern, damit die Abbildung nicht so leer aussieht?...

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Kationische Polymerisation

Koordinative Polymerisation  

In der koordinativen Polymerisation (auch Polyinsertion genannt) werden Polymere durch Übergangsmetallverbindungen und metallorganische Verbindungen hergestellt. Dadurch kann die Taktizität (räumliche Anordnung der Monomere im Polymer) beeinflusst werden.

Du kannst bei der Taktizität zwischen 3 Grundtypen unterscheiden:

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

Meistens entstehen bei der Polymerisation ataktische Produkte. Um die Taktizität in der Polyinsertion zu steuern, wird die Ziegler-Natta-Polymerisation verwendet.

Dabei verwendest du zwei Arten von Katalysatoren, welche das Monomer sozusagen festhalten, sodass die Kette nur an einer Stelle erweitert werden kann. Der erste Katalysator ist ein Koordinationskatalysator (auch Ziegler-Natta-Katalysatoren genannt). Er besteht aus einer Übergangsmetallverbindung (IV. bis VIII. Nebengruppe) wie zum Beispiel Titantetrachlorid TiCl4.

Anschließend bindet an eine der zwei freien Bindungsstellen deines Titantetrachlorids ein sogenannter Co-Katalysator. Der ist eine metallorganische Verbindung (I. bis III. Hauptgruppe), wie zum Beispiel Trialkylaluminium Al(C2H5)3. Somit wird ein Katalysator-Komplex mit nur noch einer freien Bindungsstelle gebildet.

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Ziegler-Natta-Polymerisation (Polyinsertion) 1. Teil

Nun bindet ein Monomer, wie zum Beispiel Alken, auf koordinative Weise an die übrig gebliebene Bindungsstelle des Titantetrachlorids. Koordinativ bedeutet dabei, dass dein Alken beide Elektronen für diese Bindung bereitstellt, während Titan sich mit keinem Elektron beteiligt.

Als Nächstes wird das Monomer zwischen Titan und dem Co-Katalysator eingeschoben (= Insertion). Die Katalysatoren halten also die wachsende Kette zwischen sich fest, sodass die Propagation nur in bestimmter Orientierung möglich ist.   

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Ziegler Natta Polymerisation (Polyinsertion) 2. Teil

Dadurch erhältst du die gewünschte Taktizität! 

Polykondensation

Jetzt weißt du, wie du aus Monomeren durch die Polymerisation Polymere erhältst! Du kannst Monomere aber auch durch Polykondensation verändern, um Plastikflaschen oder sogar Kleidungsstücke herzustellen! Wenn du mehr über diesen spannenden Prozess erfahren möchtest, dann schau dir dazu unser Video an! %Thumbnail Verweis Polykondensation

Zum Video: Polykondensation
Zum Video: Polykondensation

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