Grundbegriffe, Struktur und Taktizität von Polymeren
Wie man Polymere über Wiederholungseinheit, Polymerisationsgrad, Verknüpfungsgruppe, Vernetzung und Taktizität beschreibt und an Formeln erkennt.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Polymer ist ein Makromolekül aus vielen Wiederholungseinheiten, abgeschlossen durch Endgruppen.
- Der Polymerisationsgrad \(n\) ist die Anzahl der Monomereinheiten, die Einheiten an den Kettenenden zählen mit.
- Polyethylenglycol hat die allgemeine Summenformel \(\ce{C_{2n}H_{4n+2}O_{n+1}}\): \(n\) mal \(\ce{C2H4O}\) plus \(\ce{H2O}\) aus den Endgruppen.
- Die Polymerklasse folgt aus der Verknüpfungsgruppe: Amid für Polyamide, Ester für Polyester, Urethan für Polyurethane.
- Thermoplaste wie PE, PS, PVC und POM sind unter Druck und Hitze verformbar, Duroplaste sind hoch kovalent vernetzt.
- Isotaktisch bedeutet alle R auf einer Seite, syndiotaktisch regelmäßig abwechselnd, ataktisch unregelmäßig.
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Worum es geht
Polymere sind Makromoleküle aus vielen gleichen Bausteinen. In der Pharmazie begegnen sie dir als Salbengrundlage, Tablettenhilfsstoff oder Packmittel. Die hier eingeführten Begriffe brauchst du für alle weiteren Seiten über synthetische Polymere.
Monomer, Wiederholungseinheit, Polymerisationsgrad
Die Ausgangsverbindung eines Polymers heißt Monomer. Der Strukturabschnitt, der sich in der Kette ständig wiederholt, ist die Wiederholungseinheit. Die Kette wird an beiden Enden durch Endgruppen abgeschlossen. Kurze Ketten aus wenigen Einheiten nennt man Oligomere.
Der Polymerisationsgrad \(n\) gibt an, wie viele Monomereinheiten ein Molekül enthält. Beim Abzählen an einer Oligomerformel zählen die Einheiten an den Kettenenden mit. Das Propen-Oligomer \(\ce{H[CH2CH(CH3)]4H}\) hat also \(n = 4\) und die Summenformel \(\ce{C12H26}\).
Aus Wiederholungseinheit und Endgruppen lässt sich die allgemeine Summenformel ableiten. Am Beispiel der Polyethylenglycole \(\ce{HO[CH2CH2O]_{n}H}\) geht das so:
- Wiederholungseinheit: \(\ce{-CH2-CH2-O-}\) enthält \(\ce{C2H4O}\), mal \(n\) ergibt \(\ce{C_{2n}H_{4n}O_{n}}\).
- Endgruppen: \(\ce{H}\) und \(\ce{OH}\) ergeben zusammen ein \(\ce{H2O}\).
- Summieren: \(\ce{C_{2n}H_{4n+2}O_{n+1}}\). Probe mit \(n = 1\): Ethylenglycol \(\ce{C2H6O2}\).
Polymerklasse erkennen
Die Polymerklasse erkennt man an der funktionellen Gruppe, die die Wiederholungseinheiten verknüpft. Man sucht im Kettenausschnitt die Gruppe, die in jeder Einheit wiederkehrt. Bei Carbonylgruppen lohnt der Blick auf beide Nachbarn des Carbonyl-C-Atoms: Stehen dort N und O, liegt ein Urethan vor, anders als beim Amid mit nur einem N.
| Verknüpfungsgruppe | Polymerklasse | Beispiel |
|---|---|---|
| Amid \(\ce{-CO-NH-}\) | Polyamid | Nylon-6,6, Perlon |
| Ester \(\ce{-CO-O-}\) | Polyester | PET |
| Urethan \(\ce{-NH-CO-O-}\) | Polyurethan | Schaumstoffe |
| Harnstoff \(\ce{-NH-CO-NH-}\) | Polyharnstoff | Beschichtungen |
| Ether \(\ce{-O-}\) | Polyether | PEG |
Die Bildung dieser Klassen behandeln die Seiten zu Polyestern und Polyamiden und zu Polyurethanen.
Thermoplaste und Duroplaste
Nach der Vernetzung unterscheidet man zwei Gruppen. Thermoplaste bestehen aus linearen oder wenig verzweigten Ketten, die nur zwischenmolekulare Kräfte zusammenhalten. Unter Druck und Hitze gleiten die Ketten aneinander vorbei, der Kunststoff lässt sich leicht verformen. Beispiele sind Polyethylen, Polystyrol, PVC, Polyoxymethylen (Polyformaldehyd) und Polymethylacrylat.
Duroplaste entstehen durch hohe kovalente Vernetzung der Ketten. Das Netz lässt sich nach dem Aushärten nicht mehr aufschmelzen. Ein Beispiel ist hochvernetztes Bakelit.
Taktizität
In Polymeren aus Monomeren des Typs \(\ce{CH2=CHR}\) trägt jedes zweite C-Atom der Hauptkette einen Substituenten R. Diese Atome sind Stereozentren.
Die Taktizität beschreibt die räumliche Abfolge der Konfigurationen an den Stereozentren entlang der Hauptkette.
- isotaktisch: alle Stereozentren gleich konfiguriert, alle R auf derselben Seite
- syndiotaktisch: Stellung der R wechselt von Zentrum zu Zentrum regelmäßig ab
- ataktisch: Konfiguration und Stellung der R folgen keinem Muster
Zum Erkennen legt man die Hauptkette als Zickzack in die Papierebene. Die Substituenten zeigen dann als Keil nach vorn oder als Strichkeil nach hinten. Beim Polypropylen ist R eine Methylgruppe. Isotaktisch gezeichnet stehen alle Methylgruppen als Keil.
Quiz
Aussage 1
In der Zickzackformel von isotaktischem Polypropylen stehen alle Methylgruppen auf derselben Seite, etwa alle als Keil.
Isotaktisch heißt: alle Stereozentren gleich konfiguriert, alle Substituenten auf derselben Seite der Hauptkette.
Aussage 2
Polystyrol gehört wegen seiner starken kovalenten Vernetzung zu den Duroplasten.
Polystyrol ist ein Thermoplast aus unvernetzten Ketten. Duroplaste wie Bakelit sind hoch kovalent vernetzt.
Aussage 3
Für Polyethylenglycol \(\ce{HO[CH2CH2O]_{n}H}\) lautet die allgemeine Summenformel \(\ce{C_{2n}H_{4n+2}O_{n+1}}\).
Die Wiederholungseinheit liefert \(\ce{C_{2n}H_{4n}O_{n}}\), die Endgruppen H und OH kommen als \(\ce{H2O}\) hinzu.
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