Taktizität von Polymeren (Expertenwissen)

Taktizität von Polymeren (Expertenwissen) Übung

• Bestimme die Taktizität der Polyvinylchlorid-Moleküle.

  Tipps

  Iso ist eine griechische Vorsilbe mit der Bedeutung gleich.

  Lösung

  Mit der Taktizität bezeichnet man bei Polymeren aus Kohlenstoffketten mit unterschiedlichen Substituenten die Stellung der Substituenten. Es ergeben sich drei unterschiedliche Anordnungen:

  • Bei der isotaktischen Anordnung zeigen die Substituenten wie in der zweiten Abbildung alle in die gleiche Richtung.
  • Bei der syndiotaktischen Anordnung zeigen die Substituenten abwechselnd in die beiden möglichen Raumrichtungen, wie dies am Beispiel des syn-Polyvinylchlorids in der dritten Abbildung gezeichnet ist.
  • Bei der ataktischen Anordnung schließlich gibt es keine klare Ordnung, die Substituenten zeigen zufällig verteilt in alle Raumrichtungen. Dies ist in der obersten Abbildung gezeigt.

• Gib die amorphen Kunststoffe an.

  Tipps

  Ataktische Polymere bilden amorphe Feststoffe.

  Lösung

  Kristalline Strukturen können sich ausbilden, wenn zwischen den Molekülen in sich wiederholenden Mustern Wechselwirkungen bestehen können. Dann ordnen sich die Moleküle in unendlichen Wiederholungen der gleichen Ordnung an und man spricht von kristalliner Ordnung. In makroskopischer Ebene äußert sich dies in regelmäßigen Oberflächen sowie gleichmäßig angeordneten Kanten und Ecken.

  Sind in einem Feststoff Moleküle vorhanden, die unterschiedlich angeordnet sind, können sich keine regelmäßig wiederholenden Wechselwirkungen ausbilden und die Moleküle ordnen sich dementsprechend im Festkörper nicht regelmäßig an. Die Moleküle nehmen Positionen ein, in denen sie die größtmöglichen Wechselwirkungen eingehen können. In diesem Fall spricht man von amorphen Festkörpern.

  Bei den Molekülen Polyethylen, Polytetrafluorethylen und Polyoxymethylen können sich die Moleküle in nur einer Art und Weise anordnen, sie kristallisieren daher. Bei den übrigen Verbindungen handelt es sich um chirale Monomere, die unterschiedliche Konfigurationen einnehmen können. Daher können sie amorphe Feststoffe bilden.

• Prüfe, welche Polymere in unterschiedlicher Taktizität vorliegen können.

  Tipps

  Alkene können in cis- oder trans-Konfiguration verknüpft werden.

  Lösung

  Asymmetrie in Monomeren kann durch unterschiedliche Seitenketten oder Substituenten bei benachbarten C-Atomen entstehen. Dies ist bei den Verbindungen oben links und unten in der Mitte der Fall. Da es sich also um asymmetrische Monomere handelt, kann das Polymer in unterschiedlicher Taktizität vorliegen.

  Bei der Verbindung rechts tragen die beiden unterschiedlichen C-Atome zwei unterschiedliche Substituenten. Da sich die beiden Substituenten an beiden Kohlenstoffatomen jedoch nicht unterscheiden, handelt es sich um ein symmetrisches Monomer, das Polymer kann nur in einer Form vorliegen.

  Schwieriger zu interpretieren ist das Molekül oben in der Mitte. Es kann sich um die C-C-Bindungen drehen und so kann die Kette in cis- oder trans-Stellung fortgesetzt werden. Die unterschiedlichen Formen lassen sich jedoch durch Drehungen um C-C-Einfachbindungen ineinander überführen, daher handelt es sich nicht um unterschiedliche Konfigurationen. Es ist kein chirales Zentrum vorhanden, folglich ist das Monomer symmetrisch.

  Bei der Verbindung unten links handelt es sich um ein Polybutadien. Eine Drehung um die C-C-Doppelbindung ist nicht möglich, daher kann die Kette in cis- oder trans-Stellung fortgeführt werden. Es handelt sich um zwei unterschiedliche Konfigurationsisomere. Das Monomer ist damit asymmetrisch, es können wie bei Naturkautschuk und Guttapercha Polymere mit unterschiedlicher Taktizität vorliegen.

• Entscheide, um welche Konfiguration es sich handelt.

  Tipps

  cis = zusammen

  trans = gegenüber

  Lösung

  Das Monomer, aus dem das Polymer aufgebaut ist, enthält eine Doppelbindung. Die Kette wird jeweils in trans-Stellung fortgesetzt, daher handelt es sich um ein trans-taktisches Polymer.

  Zusätzlich enthält das Monomer zwei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome. An eines ist ein Chlor-Substituent gebunden, an das andere ein Fluor-Substituent. Da sich beide Substituenten auf gegenüberliegenden Seiten des Polymergerüsts befinden, lässt sich dies mit der Bezeichnung erythro-di-taktisch beschreiben.

  Da diese Konfiguration in allen Monomer-Einheiten des Polymers eingenommen wird, handelt es sich um ein isotaktisches Polymer.

• Definiere die Begriffe isotaktisch und ataktisch.

  Tipps

  Das Wort Taktik kommt aus dem Altgriechischen und bedeutet soviel wie Kunst, ein Heer in Schlachtordnung zu stellen. Das Prinzip geordneter Schlachtreihen lässt sich auch auf Polymere anwenden.

  Die Vorsilbe Iso bedeutet gleich.

  Lösung

  Polymere bestehen aus Monomeren, die strikt symmetrisch gebaut sein können. In diesem Fall gibt es nur eine Möglichkeit, die Monomere im Molekül anzuordnen.

  Sind die Monomere asymmetrisch gebaut, gibt es mehrere mögliche Anordnungen. Die Anzahl der Möglichkeiten hängt davon ab, wie viele asymmetrische Zentren es in einem Monomer gibt. Asymmetrie der Monomere kann durch unterschiedliche Substituenten an benachbarten C-Atomen oder durch unterschiedliche Seitenketten erzeugt werden. Aber auch Doppelbindungen können durch cis- oder trans-Stellung zu Asymmetrie führen.

  Die Ordnung im Molekül ist am höchsten, wenn alle asymmetrischen Zentren der Monomere im Polymer gleich ausgerichtet sind. In diesem Fall spricht man von einem isotaktischen Molekül. Der Name leitet sich von der griechischen Vorsilbe Iso für gleich und dem Wort Taktik ab, mit dem die Kunst, ein Heer in Schlachtordnung zu stellen bezeichnet wird. Eine gleich ausgerichtete „Schlachtreihe“ ergibt sich, wenn alle asymmetrischen Substituenten in die gleiche Richtung zeigen.

  Das Gegenteil davon ist eine zufällige Anordnung der asymmetrischen Substituenten. Dies bezeichnet man als ataktisches Polymer.

• Leite die Eigenschaften des syndiotaktischen Polystyrols ab.

  Tipps

  Symmetrisch gebaute Moleküle sind im festen Zustand meist kristallin.

  Lösung

  Syndiotaktisches Polystyrol ist, wie die Abbildung zeigt, sehr symmetrisch gebaut. Die beiden unterschiedlich ausgerichteten Monomere wechseln sich ab. Es entsteht daher eine Wiederholungseinheit, die zwei Styrol-Monomere umfasst. Daher kristallisiert es wie das isotaktische Polystyrol. Es hat einen hohen Schmelzpunkt, der mit 240°C jedoch unter dem von isotaktischem Polystyrol liegt. Die Wechselwirkungen zwischen den Polymer-Molekülen sind also auf Grund der geringeren Symmetrie des Moleküls geringer.

  In den übrigen Eigenschaften ähnelt es auch der isotaktischen Variante dieses Kunststoffes:

  • Es ist sehr hart, aber auch spröde.
  • Die kristalline Struktur des Feststoffes lässt nur wenig Licht durch, daher ist syndiotaktisches Polystyrol opak.
  • Bei einer radikalischen Polymerisation werden die Monomere in zufälligen Mustern aneinander gereiht. Um die gewünschte hohe Ordnung zu erzielen, muss bei der Synthese ein geeigneter Katalysator eingesetzt werden.