Polymerisationsreaktionen

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Was ist eine Polymerisationsreaktion?
• Polykondensation
• Polyaddition
• Radikalische und ionische Polymerisation

Was ist eine Polymerisationsreaktion?

Polyreaktion, auch Polymerbildungsreaktion oder Polymerisation, ist ein Überbegriff für Reaktionen, bei denen aus Monomeren, das sind niedermolekulare Verbindungen, Polymere entstehen. Polyreaktionen dienen unter anderem der Herstellung von Kunststoffen. Polymere sind große Makromoleküle**, die aus einer Art oder auch mehreren Arten von Monomeren aufgebaut sein können.

Es gibt verschiedene Arten von Polymerisationsreaktionen. Sie werden eingeteilt in die Stufenwachstumsreaktionen und in die Kettenwachstumsreaktionen:

• Zu den Stufenwachstumsreaktionen gehören die Polykondensation und Polyaddition. Hier läuft das Wachstum in sich wiederholenden Stufen ab. Dabei ist ein vollständiger Umsatz der Monomere besonders wichtig, da ansonsten meist nur kleinere Oligomere, aber keine Polymere gebildet werden.
• In Kettenwachstumsreaktionen wachsen Polymere sehr schnell aufgrund der Kettenreaktion. Die Kettenbildungsreaktion wird nur durch Abbruchreaktionen gestoppt. So wird der maximale Polymerisationsgrad hier schon vor dem vollständigen Umsatz der Monomere erreicht. Zu den Kettenwachstumsreaktionen gehören die radikalische und die ionische Polymerisation.

Polykondensation

Eine Kondensationsreaktion ist eine Reaktion zweier funktioneller Gruppen unter Abspaltung eines niedermolekularen Stoffes. Meist ist dies Wasser, wodurch die Kondensation ihren Namen bekam. Zu einer Polymerisationsreaktion kann es nur kommen, wenn an den Monomeren mindestens zwei funktionelle Gruppen, die eine Kondensationsreaktion eingehen können, vorliegen. Solche funktionelle Gruppen sind z.B. die Hydroxy-, die Carboxy- und die Amino-Gruppe. Die Reaktion verläuft stufenweise über stabile, aber noch reaktionsfähige Zwischenprodukte. Ein Umsatz von mindestens 99% der Monomere ist nötig, damit Polymere mit hohen Molekülmassen entstehen. Darunter bilden sich nur Oligomere.

Das entstandene Nebenprodukt muss während der Reaktion stetig abgeführt werden. Würde dies nicht passieren, käme die Reaktion nach einer bestimmten Zeit zum Erliegen, da sich ein Gleichgewicht in der Reaktion einstellen würde. In diesem ändern sich die Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer nicht mehr.

Die Produkte der Polykondensation heißen Polykondensate. Wichtige Polykondensate sind die Polyester und Polyamide. Sie kommen unter anderem in der Textilherstellung zum Einsatz.

Polyaddition

Auch die Polyaddition ist eine Stufenwachstumsreaktion. Im Gegensatz zur Polykondensation wird hier aber nichts abgespalten, wodurch es nicht nötig ist, etwas aus dem Reaktionsgefäß abzuführen. Die Monomere verbinden sich miteinander und formen das Polymer. Auch hier ist ein sehr hoher Umsatz für hohe Molekülmassen und Polymerisationsgrade sehr wichtig.

Der Mechanismus erfolgt nach der nucleophilen Addition. Dabei erfolgt eine Übertragung von Protonen unter den funktionellen Gruppen. Voraussetzung dafür ist eine Doppelbindung an einer der funktionellen Gruppen. Beispiele für solche funktionellen Gruppen sind die Carboxy- und die Cyanat-Gruppe.

Eines der wichtigsten Polyaddukte ist Polyurethan. Es ist sehr vielfältig, da es in verschiedenen Vernetzungsgraden hergestellt werden kann. Dadurch hat es auch ein breites Anwendungsgebiet.

Ein weiteres wichtiges Polyaddukt sind Epoxidharze. Sie werden vorwiegend in der Lack- und Farben- sowie der Klebstoffindustrie benutzt.

Radikalische und ionische Polymerisation

Die Polymerisation ist eine weitere Art der Herstellungsreaktion von Polymeren. Sie wird unterschieden nach der Art der Einleitung der Reaktion und der Art der Teilchen, die miteinander reagieren. So gibt es die radikalische Polymerisation und die ionische Polymerisation, welche nochmals in anionisch und kationisch unterteilt wird.

• Bei der radikalischen Polymerisation wird ein Radikal, das ist eine Verbindung mit einem oder mehreren ungepaarten Elektronen, dazu benutzt, die Kettenreaktion anzustoßen. Danach ist keine weitere Aktivierung mehr nötig und die Reaktion läuft von selbst ab, im optimalen Fall bis zum maximalen Polymerisationsgrad.
• Bei der ionischen Polymerisation initiieren Ionen die Reaktion. Bei der anionischen Polymerisation bewirken Anionen den Start und es sind ebenfalls Anionen, die dann weiter gebildet werden und reagieren. Analog dazu läuft die kationische Polymerisation ab, nur sind hier Kationen Initiatoren und Reaktionsteilnehmer.

Wichtig für die Polymerisation ist das Vorhandensein von Doppelbindungen in den Monomeren. Diese werden im Laufe der Reaktion aktiviert und geben so zwei Bindungen frei, durch die die Kette entstehen und wachsen kann. Eine Polymerisation hat drei bis vier Schritte. Zu Beginn steht der Kettenstart (Initiation). Es folgt das Kettenwachstum, bei dem die Kette immer länger wird. Es kann zur Kettenübertragung kommen, wodurch Verzweigungen im Molekül entstehen. Als Letztes folgt der Kettenabbruch, wodurch die Reaktion beendet wird.

Wichtige Produkte der Polymerisation sind z.B. Polyethylen, Polystyrol und Polypropylen. Viele Haushaltsgegenstände sind aus diesen Kunststoffen gefertigt.