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Organic Chemistry II

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Overview

Fonte: Vy M. Dong e Jan Riedel, Departamento de Química, Universidade da Califórnia, Irvine, CA

Os polímeros são feitos de macromoléculas, que são compostas por unidades repetitivas (as chamadas unidades monoméricas). Em nosso mundo moderno, os polímeros desempenham um papel importante. Um dos primeiros polímeros importantes foi o nylon, que é uma poliamida. Encontrou aplicação generalizada em escovas de dentes e meias.

Principles

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Existem dois tipos principais de polimerização. Uma delas é a reação de crescimento em cadeia, que pode ser diferenciada em polimerização radical, cônica, aniônica e coordenada. A polimerização de step-growth é o outro método principal para fazer polímeros. Monômeros bifuncionais ou multifuncionais reagem a, em última análise, formar polímeros. A polimerização do crescimento de etapas pode ser ainda mais diferenciada na polimerização de condensação e polimerização de adição.

Além disso, os monômeros se somam um ao outro para formar o polímero. Considerando que em uma polimerização de condensação, dois monômeros adicionarão uma reação de condensação sob a liberação de água ou outra pequena molécula como cloreto de hidrogênio.

Na síntese a seguir de uma poliamida, um cloreto de ácido dicarboxílico condensa-se com uma diamina para formar uma poliamida, sob a liberação de cloreto de hidrogênio. A notação 6,10 em nome da poliamida-6,10 reflete o número de carbonos no monômero de diamina (seis neste caso) e o número de carbonos no monômero de cloreto de ácido dicarboxílico (dez neste caso).

Equation 1

Uma característica de uma polimerização de crescimento passo é a dependência do comprimento da cadeia e a conversão da polimerização. No início da reação, a maioria dos monômeros se condensará para formar principalmente centavos e aparadores. Com mais progressos, os dimers e aparadores se combinarão com os oligômeros e somente após altas taxas de conversão, quando a maioria dos monômeros reagirem, os oligômeros se condensarão para formar polímeros com um alto número de unidades monoméricas. Este fenômeno é ilustrado na Figura 1.

Figure 1
Figura 1. Polimerização de condensação.

Neste experimento, a poliamida se forma através da chamada polimerização superficial. Em uma solução inhomogênea, composta por uma solução aquosa e orgânica, a polimerização ocorrerá na interface das duas camadas. O monômero de diamina é dissolvido em água, enquanto o ácido dicarboxílico é dissolvido em um solvente orgânico.

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Procedure

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1. Preparação

  1. Para um béquer de 250 mL, adicione 3 mL (14 mmol) de cloreto de sebacoyl em 100 mL n-hexane.
  2. A um béquer de 150 mL, adicione 4,4 g (38 mmol) de 1,6 diaminohexano em 50 mL de água destilada.
  3. Adicione aproximadamente 5 gotas de uma solução de fenolfthaleina à solução de 1,6 diaminohexano.

2. Polimerização superficial

  1. Sobreponham cuidadosamente a solução aquosa com a solução de cloreto de sebacoyl.
  2. Observe que uma camada fina se formará na interface da solução aquosa e da solução orgânica.
  3. Observe que o fenolphthalein adicionado tornará a interface visível.

3. Coletando o Polímero

  1. Puxe o filme de poliamida formado da interface com pinças e enrole-o em torno de uma haste de vidro.
  2. Enrole a poliamida na haste de vidro.
  3. Lave o polímero com acetona e, em seguida, com grandes quantidades de água.
  4. Seque o polímero a 50 °C sob pressão reduzida.

Polímeros sintéticos não são apenas onipresentes na vida cotidiana, mas têm inúmeras aplicações em todas as ciências aplicadas e básicas.

Polimerização é um processo usado para criar compostos macromoleculares conhecidos como polímeros.

Essas macromoléculas são compostas por um grande número de unidades repetitivas conhecidas como monômeros. Os materiais compostos por essas grandes moléculas têm propriedades químicas, mecânicas e térmicas únicas.

Este vídeo ilustrará princípios de polimerização, a síntese da poliamida-6,10, e cobrirá algumas aplicações de polimerização.

Existem várias maneiras de classificar a polimerização. Uma forma comum é por suas características de crescimento, seja o crescimento da cadeia ou a polimerização do passo-crescimento. No crescimento em cadeia, monômeros são adicionados ao fim de uma cadeia cada vez maior de moléculas. Isso continua até que o monômero esteja esgotado ou o crescimento seja inibido.

Na polimerização de step-growth, monômeros bifuncionais ou multifuncionais inicialmente reagem para formar dimers e aparadores. À medida que a reação prossegue, esses compostos se combinam para formar oligômeros maiores. A reação continua até que moléculas de polímeros longos sejam formadas.

Outra forma de classificar a polimerização é baseada no mecanismo de reação. Uma categoria é a adição de polimerização, onde monômeros se somam sem a formação de um subproduto. Por exemplo, quando um monômero de cloreto de vinil forma um radical livre, ele ataca outras moléculas monômeras sucessivamente propagando uma molécula de cadeia longa, conhecida como polivinilcloroide ou PVC.

No outro mecanismo, a polimerização de condensação, moléculas com unidades finais funcionais complementares reagem, liberando um subproduto na forma de água ou uma pequena molécula. Os reagentes podem ser monômeros, ou intermediários de peso molecular mais elevados.

Um polímero importante feito a partir desse processo é uma poliamida, mais conhecida como nylon. Nesta síntese, um cloreto de ácido dicarboxílico condensa-se com uma diamina para formar uma poliamida e libera cloreto de hidrogênio. À medida que a reação prossegue, o monômero é consumido para formar dimers e aparadores, que reagem para formar oligômeros maiores. Os oligômeros se condensarão para formar polímeros de peso molecular.

Agora que os fundamentos da polimerização foram cobertos, vamos dar uma olhada na reação de condensação de crescimento de passos de poliamida usando polimerização superficial; um processo onde a polimerização ocorre na interface de uma mistura heterogênea, consistindo de uma fase aquosa e orgânica.

Primeiro, prepare as soluções de reação para a polimerização. Em um béquer, misture 3 mL de cloreto de sebacoyl a 100 mL de hexano. Em um béquer separado, adicione 4,4 g de 1,6-diaminohexano a 50 mL de água destilada.

Adicione cerca de 5 gotas de uma solução de fenolfthaleina à solução diaminohexana aquosa.

Em seguida, sobreponha cuidadosamente a solução de cloreto de sebacoyl sobre a solução aquosa contendo o diaminohexano. Uma camada fina se formará na interface das duas fases. A visibilidade da camada é reforçada pelo fenolfthalein.

Finalmente, o polímero deve ser coletado. Usando um par de pinças, puxe o filme de poliamida formado e enrole-o em torno de uma vara de vidro. Enrole a poliamida na haste de vidro.

Em seguida, lave o polímero com acetona, seguido de grandes quantidades de água. Quando estiver completo, seque a 50 °C sob pressão reduzida.

Um fio oco e longo de poliamida é obtido a partir deste processo.

A polimerização é usada em muitas aplicações científicas e de engenharia. Aqui, nós cobrimos algumas dessas aplicações.

A foto-polimerização utiliza a luz para iniciar a reação. Usando máscaras, estruturas tridimensionais de polímeros podem ser fabricadas de forma camada por camada. Este sistema, que usa um projetor digital fora da prateleira e resinas fotossensíveis, pode produzir objetos 3D com resolução sub-100 μm, permitindo estudos fundamentais em mecânica e ciência dos materiais, e campos emergentes como metamateriais tunable.

Apesar dos avanços na síntese das nanopartículas, a montagem ordenada de nanopartículas continua sendo um desafio. Nesta aplicação, as nanopartículas metálicas revestidas em poliestireno-bloco-poli-poli (ácido acrílico) são polimerizadas em estruturas de cadeia. As técnicas de síntese de polímeros permitem o controle do comprimento e largura das cadeias de nanopartículas.

Polímeros biocompatíveis tornaram-se uma ferramenta indispensável nas ciências biológicas. Por exemplo, a polimerização multicamadas do gradiente de densidade permite a criação de matrizes em camadas biocompatíveis que tenham propriedades químicas e mecânicas distintas. Esta técnica permite pesquisas biomédicas e básicas sobre resposta celular em ambientes complexos 2D e 3D.

Você acabou de assistir o vídeo do JoVE sobre polimerização. Este vídeo abordou conceitos básicos de polimerização, um procedimento para síntese de poliamida, e usos de polimerização em laboratório. Obrigado por assistir!

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Results

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Um fio oco e longo de poliamida é obtido.

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Applications and Summary

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Este experimento mostra de forma vívida a síntese de um polímero de forma simples. A polimerização de condensação de 1,6-diaminohexano e cloreto de sebacoyl dá uma poliamida-6,10, que polimeriza na interface de duas camadas líquidas. Esta polimerização superficial formará um fio oco de poliamida, depois de puxar o polímero da interface e envolvê-lo em torno de uma haste de vidro para enrolá-lo.

Polímeros e poliamidas encontram uma variedade de usos diferentes em nossa vida diária. Inicialmente usado para escovas de dentes e meias. Hoje, a poliamida é usada na produção de têxteis, como capas de chuva, roupas ao ar livre, jalecos e jaquetas de voo. Devido à sua força e resistência, poliamidas também são usadas em paraquedas, cordas de escalada e velas. Essas aplicações fazem dos poliamidas um dos polímeros mais importantes em uso hoje.

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Transcript

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