Kationische Polymerisation (Expertenwissen) 08:04 min

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt kationische Polymerisation für den Leistungskurs. Der Film gehört zur Reihe Kunststoffe. Für die notwendigen Vorkenntnisse solltet Ihr das Video radikalische Polymerisation gesehen haben. Ziel des Videos ist es, Euch grundlegende Kenntnisse über den Mechanismus und die Anwendung der radikalischen Polymerisation zu vermitteln. Der Film besteht aus 6 Abschnitten: 1. Anwendungsbreite 2. Initiatoren 3. Der Mechanismus am Beispiel von Isobutylen 4. Mögliche Nachteile der Reaktion 5. Verwendung von Polyisobutylen 6. Zusammenfassung 1. Anwendungsbreite Wenn wir Ethylen und Isobutylen hinsichtlich der Polymerisation vergleichen, so stellen wir dabei Unterschiede fest. Ethylen ist radikalisch polymerisierbar, Isobutylen hingegen nicht. Für beide Monumere ist die kationische Polymerisation möglich. Für manche Monomere, wie Isobutylen, ist die radikalische Polymerisation erschwert. Einen Ausweg stellt die kationische Polymerisiation dar. Das Prinzip dieser Polymerisation besteht darin, dass elektronenarme Initiatoren - wir nennen sie Kationen - mit elektronendonierenden Monomeren reagieren. Man kann es auch so formulieren, dass unbesetzte Orbitale mit besetzten Orbitalen in Wechselwirkung treten. Somit kann man die Vorstellung der Wechselwirkung auf das Lewis Konzept reduzieren, welches wir bereits kennengelernt haben. Wir wollen nun einige mögliche Monomere kennenlernen. Ein Monomer ist Isobutylen. Ein anderes ist Vinylalkylether. Beide Moleküle haben Elektronen liefernde Gruppen. Tetrahydrofuran ist ebenfalls ein Elektronendonator und auch Benzofuran hat nicht bindende Elektronenpaare. Ein letztes Beispiel für ein geeignetes Monumer ist Laurinlactam. 2. Initiatoren Die erste Gruppe von Initiatoren sind Carbeniumsalze so liefert z.B.Tritylchrlorid den eigentlichen Initiator. Das ist das Tritylion - ein Carbokation. Die zweite Gruppe der Initiatoren sind Brönsted-Säuren, so zum Beispiel Schwefelsäure, die Protonen liefert. Ein weiterer Protonenlieferant ist Trifluoressigsäure. Weitere Beispiele sind Perchlorsäure und schließlich Tetrafluorborsäure. Und schließlich können Lewis-Säuren Initiatoren der kationischen Polymerisation sein. Aluminiumchlorid, Bortrifluorid oder Iod. 3. Der Mechanismus der kationischen Polymerisation am Beispiel von Isobutylen Isobutylen wird einfach auch Isobuten oder mit systematischem Namen 2-Methylprop-1-en genannt. Der Initiator der Reaktion soll Perchlorsäure sein. Das gebildete Proton wirkt als Kation. Nun kann die Initiation eingeleitet werden. Dabei reagiert ein Proton mit einem Isobutylen Molekül. Es entsteht ein Carbokation. Und schon sind wir beim Kettenwachstum. Das Carbokation reagiert mit einem weiteren Isobutylen Molekül. Ein Carbokation reagiert mit einem Isobutylen Molekül zu einem größeren Carbokation. Und nun kommen wir zur Kettenübertragung. Dabei reagiert ein sehr großes Carbokation mit einem Isobutylenmolekül. Das Carbokation verliert ein Proton, und das Isobutylenmolekül stellt ein bindendes Elektronenpaar für eine neue Bindung zur Verfügung. Im Ergebnis entsteht ein Molekül mit einer Doppelbindung. Aus dem Isobutylenmolekül wird wieder ein Carbokation. Aus dem großen Carbokation wird ein Alken. Und aus dem Alken Isobutylen entsteht ein Carbokation. Beendet wird die Polymerisation mit dem Kettenabbruch. Das große Carbokation zu Ende der Reaktion vereinigt sich mit dem Perchlorat-Ion von der Säure. Im Ergebnis entsteht eine salzartige Verbindung. 4. Mögliche Nachteile der Reaktion Es hat sich ein Polymer gebildet. Carbokationen sind sehr reaktionsfähig. Sie liefern eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit. Im Ergebnis entsteht kein reiner Stoff, sondern ein Stoffgemisch. Die entstandenen Polymere haben verschiedene Kettenlängen. Außerdem sind die Kunststoffmoleküle stark verzweigt. Im Ergebnis erhält man Kunststoffe mit verschiedenen Eigenschaften. 5. Verwendung von Polyisobutylen Je nach Reaktionsbedingungen kann man Polyisobutylen unterschiedlicher Eigenschaften erhalten. Einmal als viskoses Öl. Zum Anderen als klebrige Masse. Oder aber als kautschukähnliche Verbindung. Daraus ergeben sich verschiedene Einsatzmöglichkeiten. Zum Beispiel als Klebeband oder als Kaugummi. Oder schließlich als Bestandteil von Reifen. 6. Zusammenfassung Bei der kationischen Polymerisation reagiert eine elektronenarme Verbindung, ein Kation, mit einer elektronenreichen Verbindung, dem Monumer. Als Kation, das bedeutet, als Initiator kommen Carbokationen, Brönsted-Säuren und Lewis-Säuren in Frage. Geeignete Monomere sind Isobutylen, Vinylalkylether und Tetrahydrofuran. Außerdem kommen Benzofuran und Laurinlactam infrage. Wenn das Kation ein Proton ist, so reagiert es bei der Initiation mit der Doppelbindung des Monomers. Es bildet sich ein Carbokation. Das Carbokation reagiert mit einem weiteren Isobutylenteilchen und es entsteht ein größeres Carbokation. Das Carbokation wird immer größer. Ein großes Carbokation kann ein Proton an ein Isobutylenmolekül übertragen. Wenn das große Carbokation mit dem Säurerestion in der Säure reagiert so ist die Polymerisation abgeschlossen. Es kommt zum Kettenabbruch. Polyisobutylen bildet Ketten unterschiedlicher Länge mit starken Verzweigungen aus. Unter anderem verwendet man diesen Kunststoff für Klebeband, Kaugummi und Reifen. Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute. Auf Wiedersehen.