21.12
Polymeren
Het woord polymeer is afgeleid van de Griekse woorden “poly” wat “veel” betekent en “mer” wat “delen” betekent. Polymeren zijn lange ketens van molecu…
Een polymeer is een ketting van kleine moleculen, monomeren genaamd, die bij elkaar worden gehouden door covalente bindingen. Organismen kunnen biologische polymeren synthetiseren, of wetenschappers kunnen polymeren in het laboratorium synthetiseren. Natuurlijke polymeren omvatten DNA, het genetische materiaal dat in alle levende organismen wordt aangetroffen, en eiwitten, polysacchariden en lipiden, de bouwstenen van het leven.
Kunststoffen zijn enkele van de meest voorkomende synthetische polymeren en omvatten nylon, polyethyleen en teflon. Het proces waarbij monomeren aan elkaar worden gekoppeld om een groter molecuul te vormen, staat bekend als polymerisatie. Monomeren polymeriseren door twee verschillende reactiemechanismen, condensatie en toevoeging.
Condensatiepolymerisatie is wanneer twee monomeren met respectievelijk een reactief waterstofatoom en een hydroxylgroep aan elkaar binden, waarbij water als bijproduct vrijkomt. De meeste natuurlijke polymeren worden gevormd door condensatiereacties. Naast polymerisatie worden monomeren met dubbele koolstof-koolstofbindingen aan elkaar toegevoegd om een polymeer te vormen zonder dat er een bijproduct ontstaat door het vrijkomen van atomen.
Polymeren die uit hetzelfde type monomeren bestaan, worden homopolymeren genoemd, en polymeren die uit verschillende soorten monomeren bestaan, worden heteropolymeren genoemd. Cellulose, het meest voorkomende natuurlijke polymeer, is een homopolymeer van glucose, terwijl agarose, een polymeer van mariene oorsprong, een heteropolymeer is van galactose en 3, 6-anhydro-L-galactopyranose. Polymeren hebben verschillende structuren, afhankelijk van hun type monomeren.
Lineaire polymeren zijn lange ketens van monomeren. Cellulose is bijvoorbeeld een lineair polymeer dat bij elkaar wordt gehouden door bèta-1, 4-glycosidebindingen. Vertakte polymeren hebben ketens die zich van de hoofdketen afsplitsen, zoals amylopectine, een component van zetmeel dat zich vertakt na 24 tot 30 monomeren via alfa 1, 6-glycosidebindingen.
Verknoopte polymeren hebben twee of meer ketens die op verschillende punten als een ladder bij elkaar worden gehouden, zoals een synthetisch geconstrueerd siliciumladderpolymeer, of ze vormen een complex netwerk van onderling verbonden ketens, zoals de gel gevormd door pectines in gelei en jam.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a polymer and what are monomers?
A polymer is a chain of small molecules called monomers held together by covalent bonds. Monomers are the individual units that link to form larger polymer molecules. Organisms synthesize biological polymers like DNA and proteins, while scientists create synthetic polymers such as plastics, nylon, polyethylene, and teflon in laboratories.
Q2: What is the difference between condensation and addition polymerization?
Condensation polymerization occurs when monomers with reactive hydrogen and hydroxyl groups link together, releasing water as a byproduct. Most natural polymers form this way. Addition polymerization involves monomers with carbon-carbon double bonds joining without releasing byproducts. The overview notes that addition polymerization requires an initiator molecule and is faster than condensation polymerization, which typically requires heat and a catalyst.
Q3: How do homopolymers and heteropolymers differ?
Homopolymers consist of the same type of monomer repeated throughout the chain, such as cellulose, which is composed entirely of glucose units. Heteropolymers contain two or more different types of monomers, like agarose, a marine polymer made of galactose and 3,6-anhydro-L-galactopyranose units linked together.
Q4: What are the main structural types of polymers?
Linear polymers form long, unbranched chains of monomers, such as cellulose held by beta 1,4-glycosidic bonds. Branched polymers have chains splitting from the main backbone, like amylopectin in starch. Crosslinked polymers have two or more chains connected at multiple points, forming ladder-like or network structures similar to pectins in jellies and jams.
Q5: What are examples of natural polymers found in living organisms?
Natural polymers include DNA, the genetic material in all living organisms, and proteins, polysaccharides, and lipids, which serve as building blocks of life. Cellulose is the most abundant natural polymer on Earth. These biological polymers are typically formed through condensation polymerization reactions within cells.
Q6: How does polymerization initiate and terminate in addition reactions?
Addition polymerization requires an external initiator molecule with an unpaired valence electron that reacts with a monomer's double bond, creating a reactive chain. Each newly added monomer retains an unpaired electron, allowing the chain to grow. The reaction terminates when two chains with unpaired electrons bond together, eliminating all unpaired electrons and stopping polymer growth.
Q7: Why are synthetic polymers like plastics widely used in industry?
Synthetic polymers such as nylon, polyethylene, and teflon are among the most common polymers because they can be engineered in laboratories with specific properties suited for various applications. Unlike natural polymers, synthetic polymers can be designed through controlled addition or condensation reactions to achieve desired characteristics for industrial, commercial, and consumer products.