Właściwości monomerów
Monomery są małocząsteczkowymi związkami chemicznymi, z których na drodze reakcji polimeryzacji z cząsteczkami identycznych lub innych związków (komonomerów) powstają polimery – wielkocząsteczkowe związki o różnej długości i budowie przestrzennej (polimery linowe, rozgałęzione i usieciowane przestrzennie). Monomery różnią się od powstających z nich polimerów właściwościami chemicznymi, fizycznymi oraz biologicznymi.Polimeryzacja zachodzi dzięki obecności w cząsteczce monomerów centrów aktywnych – wiązań nienasyconych (podwójnych i potrójnych), nietrwałego pierścienia, chemicznie aktywnych grup funkcyjnych (np. grup aminowych, grup karboksylowych) oraz ruchliwego atomu wodoru.
Cząsteczki monomerów mogą tworzyć w strukturze cząsteczki polimeru jedną lub więcej jednostek konstytucyjnych – merów. Mer stanowi najprostszy, powtarzalny fragment cząsteczki polimeru, bądź w przypadku polimerów syntetycznych – fragment cząsteczki pochodzący bezpośrednio od monomeru.
Cząsteczka mannozy – monomeru cukrowego wchodzącego w skład mannanów – polimerów występujących w hemicelulozach i śluzach roślinnych, fot. shutterstock
Klasyfikacja monomerów
Monomery klasyfikuje się ze względu na mechanizm reakcji polimeryzacji, pochodzenie oraz strukturalną budowę cząsteczki.Na podstawie mechanizmu reakcji polimeryzacji wyróżnia się:
- monomery ulegające homopolimeryzacji (polimeryzacji z cząsteczkami tych samych związków chemicznych), np. monosacharydy budujące homoglikany (cząsteczki glukozy budujące skrobię, glikogen lub celulozę); oraz monomery ulegające kopolimeryzacji (polimeryzacji z cząsteczkami innych związków chemicznych), np. nukleotydy budujące kwasy nukleinowe, aminokwasy budujące białka;
- monomery ulegające polimeryzacji addycyjnej (poliaddycji) przebiegającej bez wytworzenia produktów ubocznych (związki cykliczne lub zawierające w cząsteczce wiązania nienasycone, np. chlorek winylu, etylen) oraz monomery ulegające polimeryzacji kondensacyjnej (polikondensacji) z utworzeniem produktów ubocznych (związki zawierające w cząsteczce co najmniej dwie reaktywne chemicznie grupy funkcyjne, np. diole i kwasy dikarboksylowe tworzące poliestry).
Na podstawie pochodzenia monomerów wyróżnia się:
- monomery naturalne tworzące polimery naturalne (biopolimery), np. cukry proste (monosacharydy) tworzące wielocukry (polisacharydy); reszty aminokwasowe wchodzące w skład białek (polipeptydów), nukleotydy budujące kwasy nukleinowe (RNA i DNA) oraz reszty izoprenowe tworzące poliizopren (kauczuk naturalny);
- monomery syntetyczne wykorzystywane do syntezy polimerów syntetycznych (tworzyw sztucznych), np. etylen (monomer polietylenu) i jego pochodne – chlorek winylu (monomer polichlorku winylu, PCV), tetrafluoroetylen (monomer teflonu) oraz styren (monomer polistyrenu); propylen (monomer polipropylenu); akrylamid (monomer poliakrylamidu); epoksydy (monomery żywic epoksydowych); bisfenol A (BPA) (monomer poliwęglanów).
Na podstawie budowy cząsteczki monomeru wyróżnia się:
- monomery winylowe – zawierające w cząsteczce wiązania nienasycone (np. etylen, propylen, chlorek winylu);
- monomery cykliczne – zawierające w cząsteczce atomy tworzące jeden lub więcej zamkniętych pierścieni (np. cyklobutan, laktamy, laktony);
- monomery funkcyjne – zawierające w cząsteczce co najmniej dwie reaktywne chemicznie grupy funkcyjne (np. izocyjaniany i poliole tworzące w wyniku polimeryzacji poliuretany).
Wzór strukturalny i model cząsteczki izoprenu – monomeru naturalnego wykorzystywanego do otrzymywania kauczuku syntetycznego (kopolimeru izoprenu i izobutanu), fot. shutterstock
Polimeryzacja
Polimeryzacja jest procesem łączenia się małocząsteczkowych związków chemicznych (monomerów) w związki wielkocząsteczkowe (polimery – liniowe, rozgałęzione lub usieciowane przestrzennie). Polimeryzacja z udziałem monomerów stanowiących te same związki chemiczne określana jest mianem homopolimeryzacji; z udziałem różnego rodzaju monomerów określana jest mianem kopolimeryzacji).Polimeryzacja addycyjna (poliaddycja) jest reakcją łańcuchową przebiegającą bez utworzenia produktów ubocznych. Skład chemiczny otrzymanych polimerów jest taki sam jak biorących udział w reakcji monomerów. Wyróżnia się trzy etapy reakcji poliaddycji – inicjację (zapoczątkowanie tworzenia łańcucha polimeru), elongację (wydłużanie łańcucha polimeru) oraz terminację (zakończenie wydłużania łańcucha polimeru). Reakcji tej podlegają głównie monomery cykliczne oraz monomery zawierające w cząsteczce wiązanie podwójne. Przykładem polimeryzacji addycyjnej jest polimeryzacja chlorku winylu, w wyniku której powstaje polichlorek winylu (PCV) oraz polimeryzacja etylenu, w wyniku której powstaje polietylen.
Polimeryzacja kondensacyjna (polikondensacja) jest reakcją o przebiegu stopniowym, zachodzącą z utworzeniem małocząsteczkowych produktów ubocznych (np. wody). Skład otrzymanych polimerów różni się od składu biorących udział w reakcji monomerów. Monomery muszą zawierać w swej cząsteczce co najmniej dwie reaktywne chemicznie grupy funkcyjne. Reakcja polimeryzacji kondensacyjnej polega na kondensacji między grupami funkcyjnymi cząsteczek monomerów, w wyniku czego w łańcuchu polimeru powstaje nowa grupa funkcyjna. Monomery zawierające dwie grupy funkcyjne tworzą polimery liniowe, monomery o większej liczbie grup funkcyjnych mogą tworzyć polimery o łańcuchach rozgałęzionych bądź cząsteczki polimerów o usieciowaniu przestrzennym. Przykładem polimeryzacji kondensacyjnej jest polimeryzacja dioli i kwasów dikarboksylowych, w wyniku której powstają poliestry, oraz polimeryzacja diamin i kwasów dikarboksylowych, w wyniku której powstają poliamidy.
Wzór strukturalny i model cząsteczki chlorku winylu – monomeru sztucznego, z którego na drodze polimeryzacji otrzymuje się tworzywo sztuczne – polichlorek winylu (PCV), fot. shutterstock
Bibliografia
- Mostafa A. Radwan Hany A. Elazab; “An Introduction to Polymer Chemistry”; LAP Lambert Academic Publishing, 2019;
- Tadeusz Gałamon; “Chemia – repetytorium dla maturzystów i kandydatów na wyższe uczelnie na kierunkach przyrodniczych i akademiach medycznych ”; Wydawnictwo Medyk, Warszawa 2004;
- Loretta Jones, Peter Atkins; “Chemia ogólna – cząsteczki, materia, reakcje”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009;
- John McMurry; “Chemia organiczn”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005;
- Jan Pielichowski, Andrzej Puszyński ; “Chemia polimerów”; Fosze, Rzeszów 2015.;
- Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia biologiczna T. VII”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1999;
- promil
