Substanzklassen

Polymere aus Vinyl- und Dienmonomeren

Polypropylen, Polystyrol, PVC, Polyacrylnitril, PMMA und die Kautschuke: Monomer, Wiederholungseinheit und Kettenstruktur im Überblick.

Prüfungsrelevanz: relevant ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Vinylpolymere entstehen aus Monomeren \(\ce{H2C=CR1R2}\) und haben eine gesättigte C-Kette, Dienpolymere aus konjugierten Dienen und tragen bei 1,4-Verknüpfung Doppelbindungen in der Kette.
  • Polypropylen besteht aus \(\ce{-CH2-CH(CH3)-}\)-Einheiten mit einer Methylgruppe an jedem zweiten C-Atom.
  • Divinylbenzen vernetzt Polystyrol: Der para-Phenylenring sitzt direkt an Methin-C-Atomen zweier Ketten.
  • PVC stammt aus Vinylchlorid, PMMA (Plexiglas) aus Methylmethacrylat, Polyacrylnitril aus Acrylnitril.
  • Naturkautschuk ist cis-1,4-Polyisopren, Neopren ist Polychloropren aus 2-Chlorbuta-1,3-dien.

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Worum es geht

Viele Massenkunststoffe entstehen durch Kettenpolymerisation von Monomeren mit C=C-Doppelbindung. Wer das Monomer kennt, kann die Kette zeichnen und umgekehrt. In der Pharmazie begegnen dir diese Polymere als Packmittel, Spritzenkörper, Stopfen und Ionenaustauscher.

Polypropylen

Die einfachste Gruppe bilden Polymere aus Monomeren des Typs \(\ce{H2C=CH-R}\). Bei der Polymerisation öffnet sich die Doppelbindung. Jede Einheit verknüpft sich über ihre beiden ehemaligen Doppelbindungs-C-Atome mit den Nachbarn.

📖 Definition: Vinylpolymer

Ein Vinylpolymer entsteht aus einem Monomer \(\ce{H2C=CR1R2}\). Seine Hauptkette ist gesättigt und besteht nur aus C-Atomen, die Substituenten hängen an jedem zweiten C-Atom.

Polypropylen (PP) ist das Musterbeispiel. Aus Propen \(\ce{H2C=CH-CH3}\) wird die Wiederholungseinheit \(\ce{-CH2-CH(CH3)-}\). Die Methylgruppe sitzt also an jedem zweiten C-Atom der gesättigten Kette. Wie diese Methylgruppen räumlich angeordnet sind, beschreibt die Taktizität.

Strukturformel von Propen und ein Kettenausschnitt von Polypropylen mit abwechselnden CH2- und CH(CH3)-Gruppen

Aus Propen wird Polypropylen: Die Methylgruppe sitzt an jedem zweiten C-Atom der gesättigten Kette.

Polystyrol und Vernetzung

Polystyrol entsteht aus Styrol (Vinylbenzol, \(\ce{H2C=CH-C6H5}\)). Es ist ebenfalls ein Vinylpolymer: Die Kette \(\ce{-CH2-CH(C6H5)-}\) trägt eine Phenylgruppe an jedem zweiten C-Atom und enthält keine Estergruppen. Polystyrol ist nicht wasserlöslich. Styropor ist geschäumtes Polystyrol.

Setzt man bei der radikalischen Polymerisation etwas Divinylbenzen zu, entsteht ein vernetztes Copolymer. Divinylbenzen trägt zwei Vinylgruppen am Ring. Beide werden in Ketten eingebaut, oft in zwei verschiedene. Man kann sich das wie eine Leitersprosse vorstellen, die zwei Holme verbindet.

Daraus folgt das Vernetzungsmuster. Jede Vinylgruppe wird zu \(\ce{-CH2-CH(Ar)-}\). Der para-Phenylenring hängt deshalb direkt an Methin-C-Atomen zweier Ketten. Beide ehemaligen Vinyl-C-Atome gehören zur Hauptkette, zwischen Ring und Kette liegt keine zusätzliche \(\ce{CH2-CH2}\)-Brücke.

Ausschnitt aus Styren-Divinylbenzen-Copolymer mit zwei Polystyrolketten und einem verbrückenden para-Phenylenring

Divinylbenzen als Vernetzer: Der para-Phenylenring hängt direkt an Methin-C-Atomen zweier Ketten.

Bei einer Auswahl aus Strukturformeln prüfst du also: Sitzt der Ring in beiden Ketten genau dort, wo sonst die Phenylgruppe eines Styrols säße? Formeln mit Ethylenbrücken zwischen Ring und Kette scheiden aus.

PVC, Polyacrylnitril, PMMA

Drei weitere Vinylpolymere unterscheiden sich nur im Substituenten. Alle haben eine gesättigte Kette ohne Doppelbindungen.

Polymer Monomer Wiederholungseinheit
PVC (Polyvinylchlorid) Vinylchlorid \(\ce{H2C=CH-Cl}\) \(\ce{-CH2-CHCl-}\)
Polyacrylnitril (Orlon®) Acrylnitril \(\ce{H2C=CH-CN}\) \(\ce{-CH2-CH(CN)-}\)
PMMA (Plexiglas) Methylmethacrylat \(\ce{H2C=C(CH3)COOCH3}\) \(\ce{-CH2-C(CH3)(COOCH3)-}\)

Polyacrylnitril entsteht durch radikalische Polymerisation. Auch die übrigen Polymethacrylsäureester sind Vinylpolymere, denn ihre Estergruppe sitzt in der Seitenkette. Anders als Phenoplaste wird Plexiglas nicht aus Phenol und Formaldehyd gewonnen. Diese gehören zu den Polykondensaten.

PVC enthält Chlor, ein Polyvinylether nicht. Die Beilstein-Probe mit glühendem Kupferdraht zeigt Halogen durch eine grüne Flammenfärbung an und trennt so beide.

Dienpolymere und Kautschuk

Ein Dienpolymer entsteht aus einem konjugierten Dien wie Buta-1,3-dien oder seinen Derivaten. Bei der 1,4-Verknüpfung wandert die Doppelbindung in die Mitte der Einheit: Die Kette bleibt ungesättigt. Bei 1,2-Verknüpfung reagiert nur eine Doppelbindung, die andere bleibt als Vinylseitenkette erhalten.

Naturkautschuk ist cis-1,4-Polyisopren. Isopren ist 2-Methylbuta-1,3-dien. Die Einheit \(\ce{-CH2-C(CH3)=CH-CH2-}\) trägt die Methylgruppe an der cis-konfigurierten Doppelbindung. Naturkautschuk enthält kein Chlor.

Polymer Monomer Merkmal der Einheit
Naturkautschuk Isopren \(\ce{CH3}\) an C2, cis
trans-1,4-Polyisopren Isopren \(\ce{CH3}\) an C2, trans
Polychloropren (Neopren) 2-Chlorbuta-1,3-dien \(\ce{-CH2-C(Cl)=CH-CH2-}\)
Polybutadien Buta-1,3-dien ohne Substituent, cis- oder trans-1,4 oder 1,2 mit Vinylgruppe

Copolymerisiert man Styren mit Buta-1,3-dien, erhält man Synthesekautschuk.

Fünf Strukturausschnitte von Dienpolymeren mit unterschiedlichen Substituenten und cis- bzw. trans-Doppelbindungen

Dienpolymere im Vergleich: Naturkautschuk trägt Methyl an der cis-konfigurierten Doppelbindung.
💡 Merke

Naturkautschuk erkennst du an drei Merkmalen zugleich: Doppelbindung in der Kette (1,4), Methylgruppe an C2 und cis-Konfiguration. Fehlt die Methylgruppe, ist es Polybutadien, steht dort Chlor, ist es Neopren.

Quiz

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richtig oder falsch iWarum nur Aussagen? Fragen mit fünf Antworten löst man am sichersten, indem man jede Aussage einzeln bewertet: ✓✓ sicher richtig, ✓ eher richtig, 0 unsicher, ✗ eher falsch, ✗✗ sicher falsch. Mit dem Ausschlussprinzip ergibt sich daraus die Lösung. Dieses einzelne Bewerten ist der wichtigste Handgriff fürs Examen, und genau den übst du hier.

Aussage 1

In Polypropylen trägt jedes zweite C-Atom der gesättigten Hauptkette eine Methylgruppe.

Die Wiederholungseinheit \(\ce{-CH2-CH(CH3)-}\) stammt aus Propen, die Methylgruppe sitzt an jedem zweiten C-Atom.

Aussage 2

Im Styren-Divinylbenzen-Copolymer ist der Phenylenring über \(\ce{CH2-CH2}\)-Brücken mit den beiden Polystyrolketten verbunden.

Beide Vinyl-C-Atome werden Teil der Hauptkette. Der para-Phenylenring hängt direkt an Methin-C-Atomen zweier Ketten.

Aussage 3

Plexiglas ist ein Polykondensat aus Phenol und Formaldehyd.

Plexiglas ist Polymethylmethacrylat (PMMA), ein Vinylpolymer aus Methylmethacrylat.

Aussage 4

Naturkautschuk ist cis-1,4-Polyisopren und unterscheidet sich von 1,4-Polybutadien durch die Methylgruppe an C2 der Wiederholungseinheit.

Isopren ist 2-Methylbuta-1,3-dien. Polybutadien fehlt diese Methylgruppe.

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