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Polyaddition (Expertenwissen)

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Die Autor/-innen
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André Otto
Polyaddition (Expertenwissen)
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Polyaddition (Expertenwissen)

In diesem Video wird dir die Stoffgruppe der Polyurethane (Carbamate) vorgestellt als ein besonderer Vertreter der Polymere, welcher sowohl als Duro-, Thermo- oder Elastoplaste und als Schaum genutzt werden kann. Dabei wird auf die generelle Synthese von Polyurethan aus Isocyanaten und Diolen eingegangen sowie des Weiteren auf die möglichen Kettenbildungen und Vernetzungen. Am Ende des Videos wird auf die spezielle Nutzung als Schaum hingewiesen, bei der Wasser das Isocyanate in ein Amin und Kohlenstoffdioxid umwandelt. Wenn du mehr erfahren willst, dann schau es dir an.

Transkript Polyaddition (Expertenwissen)

Guten Tag und herzlich willkommen, in diesem Video geht es um Polyaddition, im Leistungskurs, der Film gehört zur Reihe Kunststoffe. Für die notwendigen Vorkenntnisse solltest du bereits Videos über Kunststoffe gesehen haben. Du solltest über Chemiekenntnisse einschließlich des 11. Schuljahres verfügen. Mein Ziel ist es, dir den Verlauf und die Bedeutung der Polyaddition an einem wichtigen Beispiel zu erklären. Der Film ist in 7 Abschnitten unterteilt. 1. Das Chamäleon unter den Kunststoffen 2. Polyurethan durch Polyaddition 3. Besonderheiten der Polyaddition 4. Verschiedene Edukte 5. Verlängerung und Vernetzung 6. Schaumbildung 7. Zusammenfassung 1. Das Chamäleon unter den Kunststoffen Es ist fast wie im Märchen, es gibt einen Kunststoff, der über viele Gesichter verfügt. Er zeigt sich uns als Schaum. Elastomere sind aus ihm gefertigt. Mitunter hat er thermoplastische Eigenschaften. Und auch Duroplaste stammen von ihm. Um welchen Kunststoff handelt es sich der sowohl als Schaum, als Elastomere, als Thermoplaste oder als Duroplaste in Erscheinung tritt. Sei Name ist Polyurethan. 2. Polyurethan durch Polyaddition Hier ist ein typisches Beispiel für eine Synthese eines Polyurethans. Wir verallgemeinern: Diisocyanat + Diol reagieren zu Polyurethan. Was bedeutet eigentlich Polyaddition? Die Edukte werden zur Reaktion gebracht. Die einzelnen Moleküle vereinigen sich zu einer Kette. Es geht weder etwas verloren, noch kommt etwas hinzu. Daher der Name Polyaddition. Ein Diisocyanat-Molekül reagiert mit einem Diol. Das Wasserstoffatom der alkoholischen Gruppe des Diols geht zum Stickstoffatom des Isozyanats. Das entsprechende Sauerstoffatom bewegt sich zum Kohlenstoffatom des Isozyanats. Es entsteht ein neues Molekül und eine rot ausgezeichnete neue funktionelle Gruppe. Verbindungen mit solchen funktionellen Gruppen bezeichnet man als Urethan. Chemisch gesehen kann man es als halb Amid, halb Ester auffassen. Das entstandene Urethan soll mit einem weiteren Molekül wie Isozyanats reagieren. Das Wasserstoffatom der alkoholischen Gruppe bewegt sich zum Stickstoffatom des Isozyanats. Das entsprechende Sauerstoffatom zu dessen Kohlenstoffatom. Jetzt haben wir schon ein Molekül mit zwei Urethangruppen, die Reaktion setzt sich fort. Ein Urethan wird in der Fachliteratur auch als Carbamat bezeichnet. Wir wollen nun einmal die Struktur des Polyurethans formulieren. Genau wie bei der Polyaddition schauen hier die beiden Polyaddition aufeinander. Wenn wir die Kette fortsetzen, dann kehren sich jetzt die beiden Urethangruppen die Rücken zu. Wichtig ist, wenn wir mit dem Zeichnen der Kette aufhören, dass wir links die Gruppe des Isozyanats haben und rechts die Hydroxigruppe. Wichtig ist noch, die sich wiederholende Einheit richtig einzuzeichnen. Das Polyurethan ist fertig. 3. Besonderheiten der Polyaddition Wir haben bereits darauf hingewiesen, dass sich die Massen der Edukte bei der Polyaddition zum Produkt nicht verändern. Es kommt nichts dazu und es geht nichts verloren. Man hat bei der Polyaddition eine gute Möglichkeit der Kontrolle von a) der Kettenlänge und b) der Vernetzung des Makromoleküls. Daraus ergibt sich eine gute Möglichkeit der Kontrolle der Gebrauchseigenschaft. 4. Verschiedene Edukte Verallgemeinernd gesprochen benötigt man für die Herstellung von Polyurethan (a) Polyisocyanate und (b) Polyole Betrachten wir zunächst die Polyisocynate. Aromatische Polyisocyanate werden benötigt für die Herstellung von Schaumstoffen, Elastomere, Duromere und Klebstoffen aus Polyurethan. Ein Beispiel für ein Polyisocyanat ist Toluol-2,4-diisocyanat. Ein zweiter Vertreter ist Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat. Aliphatische Polyisocyanate werden für besondere Anwendungen benötigt. Werden für die Herstellung von Polyurethan abgekürzt "Pur" aliphatische Polyisocyanate verwendet. So können in Farben des Kunststoffs weder Licht noch Temperatur etwas ausmachen. Ein Vertreter dieser Edukte ist Isophorondiisocyanat im Syntheseschema für Polyurethan haben wir dieses Isocyanat bereits kennengelernt. Es handelt sich um Hexamethylendiisocyanat. Unter dem Begriff Polyole versteht man eine Reihe von Verbindungen, die reaktionsfähige Hydroxygruppen OH enthalten. Unter anderem werden benutzt: Buta-1,4-dien, Glycerin, Polyether und Polyester. 5. Verlängerung und Vernetzung Hierbei geht es jeweils um die Kette des gebildeten Makromoleküls. Als Erstes ist es möglich, dass eine endständige Isozyanatgruppe mit einem Diol reagiert. Es bildet sich eine Urethangruppe und die Kette wird verlängert. Im zweiten Fall reagieren beide Hydroxygruppen des Diols mit zwei Isozyanatgruppen zweier Ketten. Es kommt zu einer Verknüpfung über zwei Urethangruppen. Man spricht hier von Vernetzung. 6. Schaumbildung Es gibt Polyurethan der als Schaum Verwendung findet. Wie erhält man so einen leichten Schaum? Wenn wir an der Polymerkette noch eine freie Isozyanatgruppe zur Verfügung haben, so können wir Schaum herstellen und das geht so: Man gibt zum Reaktionsgemisch eine geringe Menge Wasser, aus dem Isozyanat entsteht ein Ahnin und gleichzeitig wird Kohlenstoffdioxid frei. Kohlenstoffdioxid ruft die Schaumbildung hervor. 7. Zusammenfassung Wir haben in diesem Video, die Polyaddition am Beispiel der Polyurethanherstellung betrachtet. Polyurethan treffen wir als Schaum, Elastomere, Thermoplaste oder Duroplaste. Bei der Polyaddition reagieren Polyisozyanate mit Polyolen, es entsteht Polyurethan. Bei der Polyaddition ist die Kettenlänge kontrollierbar, genauso wie die Vernetzung des entstehenden Makromoleküls. Die Isozyanate können aromatisch oder aliphatisch sein. Links unten ein Beispiel für ein aromatisches Polyisozyanat. Rechts ein Beispiel für einen aliphatischen Vertreter. Es besteht die Möglichkeit, die Kette des Makromoleküls zu verlängern. Außerdem kann man die Struktur durch molekulare Vernetzung beeinflussen. Noch nicht umgesetzte Isozyanatgruppen können im Wasser reagieren. Es bilden sich Amine und Kohlenstoffdioxid. Dies führt zu einer Schaumbildung des Polyurethans. Somit ergibt sich für die Herstellung von Polyurethan durch Polyaddition die Möglichkeit der Herstellung von Verbindungen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Ich danke für eure Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen.  

4 Kommentare

4 Kommentare
  1. Es freut mich, dass ich helfen konnte.
    A. O.

    Von André Otto, vor mehr als 6 Jahren
  2. Vielen, vielen Dank!

    Von Florian Handkefh, vor mehr als 6 Jahren
  3. Die Frage ist einfach und richtig gestellt. Ich sage mal ketzerisch: Sie ist eigentlich unbeantwortbar. In der Schulchemie und der Hochschulunterrichtung hat man sich da wohl etwa weit aus dem Fenster gelehnt. Die Polyurethanbildung ist eine Polyaddition. Moleküle lagern sich an andere. Es entstehen funktionelle Carbamat - Gruppen. Bei der Reaktion wandert ein Wasserstoff - Atom vom Alkohol zum Isocyanat. Das Produkt setzt sich exakt aus den Edukten zusammen.
    Als weiteres Beispiel für Polyaddition findet man bei Wikipedia die Härtung von Epoxidharz. Da hat man wieder die H - Wanderung, es ist aber nur ein Bestandteil des Gesamtprozesses.
    Eigentlich lohnt es sich nicht, für ein und einhalb populäre Beispiele einen neuen Systemoberbegriff zu kreieren. Zumal die englischsprachige Forschung da wohl nicht mitzuspielen scheint: Wikipedia: "Polyaddition ist nicht synonym mit dem englischen Begriff „addition polymerization“." Und tatsächlich findet man als englische Entsprechung für "Polyaddition" dort "Addition polymer". Dazu zählen dann Polyethylen, Polypropylen, PVC und Teflon. Alles "Kunststoffe", die man, sauber (?) gesprochen, bei uns als "Polymerisationsprodukte" bezeichnet. Dabei bedeutet das doch wohl in etwa "Vielkörper", ein Molekül, das sich aus vielen kleinen Bausteinen zusammensetzt. Und das ist doch wohl so bei Polyethylen, Polykondensationsprodukten wie auch bei Polyadditionsprodukten.
    Ich habe übrigens viele Jahre mit dem Begriff "Polymer" als Oberbegriff gut gelebt. Bis ich dann mit der "Verbesserung" konfrontiert wurde.
    Ich bin kein Spezialist für Polymere. Ich habe auch bewusst nicht nachgeschaut, was die IUPAC dazu meint. Mich hat genau das gleiche interessiert wie dich: Gibt es eine Systematik und lohnt die sich überhaupt? Die Antwort ist NEIN.
    Übrigens: Die Biochemiker betrachten das Problem pragmatisch. Stärke, Zellulose und Proteine sind bei ihnen "Polymere" oder "Biopolymere". Denn eigentlich wären das doch wohl "Biopolykondensationsprodukte", oder etwa nicht?
    Es tut mir leid, dass ich nicht richtig weiterhelfen konnte.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 6 Jahren
  4. Kann man Stoffe klassifizieren, bei denen Polyaddition möglich ist?

    Von Florian Handkefh, vor mehr als 6 Jahren

Polyaddition (Expertenwissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Polyaddition (Expertenwissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Kennzeichne die Stoffgruppe der Polyurethane.

    Tipps

    Die Polymerklassen leiten sich aus den funktionellen Gruppen, bzw. den Bindungsarten ab. Nebenstehendes Molekül hat beispielsweise eine Amidbindung (wie bei Peptiden).

    Die Polyurethane besitzen eine Carbamat-Gruppe.

    Die Carbamat-Gruppe entsteht bei der Polyaddition zwischen Isocyanat-Gruppe und Alkohol-Funktionalität.

    Lösung

    Die Polymerklassen leiten sich aus den funktionellen Gruppen ab.

    • Wenn z.B. zwei Aminosäuren in einer Kondensationsreaktion miteinander reagieren, so entsteht die Amid-Bindung (oder Peptid-Bindung $R_1-C(=O)-NHR_2$). Jedes Polymer, das aus einer Kondensationsreaktion von Aminocarbonsäuren, Lactamen oder Diaminen entsteht, wird als Polyamid bezeichnet.
    • Sind die Monomere der Polykondensation Dicarbonsäuren oder Dialkohole, so entstehen Polyester mit der funktionellen Ester-Gruppe ($R_1-C(=O)-R_2$).
    Auf diese Art und Weise lässt sich jeder Polymertyp ableiten.

    Die Polyester und Polyether haben eine besondere Rolle bei der Synthese von Polyurethanen (Carbamat-Gruppe $R_1NH-C(=O)-OR_2$). In der Polyadditionsreaktion dienen sie nämlich neben den Polyisocyanaten als Edukt (Polyol).

  • Erkläre das Wesen der Polyaddition.

    Tipps

    Das Carbonyl-Kohlenstoffzentrum ist elektrophil (partiell positiv geladen).

    Jede Lewis-Base (mit freiem Elektronenpaar) ist nucleophil.

    Lösung

    Die Polyadditionsreaktion ist eine chemische Reaktion, bei der die Edukte zu einem Molekül vereinigt werden. Die wichtigsten Polyadditionen sind die Herstellung von Polyurethanen, Polyharnstoffen und von Epoxidharzen (Dreiring mit Sauerstoff-Atom).

    Zur Herstellung von Polyurethan findet die Reaktion zwischen einem Diisocyanat und einem Dialkohol (Diol) statt. Im ersten Schritt wird das Isocyanat-Kohlenstoffatom nucleophil vom Sauerstoffatom des Alkohols angegriffen, gleichzeitig wird ein Proton auf den Stickstoff übertragen. Bei diesem Schritt wird im Gegensatz zu einer Polykondensation kein Wasser oder andere kleine Moleküle abgespalten. Nach Zusammenlagerung zweier Moleküle ist die erste Carbamat-Gruppe erzeugt worden. Da jedes Edukt zwei Funktionalitäten trägt, kann die Reaktion solange hintereinander nach dem gleichen Muster erfolgen, bis alles Edukte verbraucht sind.

  • Finde die Edukte, aus dem folgendes Polyurethan dargestellt werden kann.

    Tipps

    Erst wenn ein Überschuss an der Diisocyanat-Verbindung vorliegt, kommt es zur Ausbildung von Polyisocyanuraten.

    An der Position der eckigen Klammer kannst du erkennen, welches Edukt die Hydroxyl-Gruppen und welches die Isocyanat-Gruppen tragen müssen.

    Polyisocyanurate verursachen eine Quervernetzung der Polymerketten.

    Lösung

    Die Polyadditionsreaktion ist eine chemische Reaktion, bei der die Edukte zu einem Molekül vereinigt werden. Die wichtigsten Polyadditionen sind die Herstellung von Polyurethanen, von Polyharnstoffen und von Epoxidharzen (Dreiring mit Sauerstoff-Atom).

    Obige Reaktion findet zwischen einem Diisocyanat und einem Dialkohol statt. Im ersten Schritt wird das Isocyanat-Kohlenstoffatom nucleophil vom Sauerstoffatom des Alkohols angegriffen, gleichzeitig wird ein Proton auf den Stickstoff übertragen. Bei diesem Schritt wird im Gegensatz zu einer Polykondensation o.Ä. kein Wasser oder andere kleine Moleküle abgespalten. Nach Zusammenlagerung zweier Moleküle ist die erste Carbamat-Gruppe erzeugt wurden. Da jedes Edukt zwei Funktionalitäten trägt, kann die Reaktion solange hintereinander nach dem gleichen Muster erfolgen, bis alle Edukte verbraucht sind.

    Um die richtige Formel für das Polyurethan anzugeben, ist es wichtig, die Wiederholeinheit richtig zu kennzeichnen. Diese beginnt links bei der Alkohol-Funktionalität und endet rechts bei der Isocyanat-Funktionalität:

    • $---NH-C(=O)-[-O-R-O-C(=O)-NH-R^´-NH-C(=O)-]-O---$
  • Charakterisiere folgende Edukte von Polyadditionen.

    Tipps

    Aromatische Substanzen besitzen ein konjugiertes $\pi$-Elektronensystem, wie z.B. Toluol.

    Bei einer Polyaddition werden keine kleinen Moleküle abgespalten, weil alle Edukte zu einem Produkt vereinigt werden.

    Lösung

    Die Polyadditionsreaktion ist eine chemische Reaktion, bei der die Edukte zu einem Molekül vereinigt werden. Die wichtigsten Polyadditionen sind die Herstellung von Polyurethanen, von Polyharnstoffen und von Epoxidharzen.

    Mögliche Edukte müssen mindestens bifunktionell sein, d.h., sie müssen mindestens zwei funktionelle Gruppen tragen, die in einer Additionsreaktion reagieren können. Dazu gehören:

    • aromatische Diisocyanate: Diese Substanzen beinhalten ein vollständig konjugiertes $\pi$-System mit mindestens zwei Isocyanat-Substituenten, z.B: Toluol-2,4-diisocyanat und Diphenylmethan-4,4´-diisocyanat.
    • aliphatische Diisocyanate: Solche Stoffe tragen in einem System ohne Doppel- und Dreifachbindungen mindestens zwei Isocyanat-Substituenten, z.B. Hexamethylendiisocyanat und Isophorondiisocyanat.
    und

    • Polyole: Diese Edukte können Polyester (PEG), Polyether (POM), Polyalkohole (Glycerin, Glycol) oder auch andere Substanzen sein, die ein nucleophiles Zentrum mit mindestens einem H-Atom tragen (z.B. Amine, Thiole).
    Sogenannte Polyisocyanate (Polyisocyanurate PIR siehe Grafik) entstehen bei der Reaktion von drei Isocyanaten.

  • Bestimme die Zustände, die Polyurethane annehmen können.

    Tipps

    Polyurethane werden nicht zu unrecht das Chamäleon der Kunststoffe genannt.

    Es gibt drei wichtige Strukturen, die Kunststoffe aufweisen können: Ketten, engmaschig vernetzte Strukturen und Knäule.

    Lösung

    Polyurethane können in Abhängigkeit der eingesetzten Polyisocyanate und Polyole unterschiedliche Eigenschaften aufweisen (siehe Grafik).

    • Wenn es zur Ausbildung von parallelen Makromolekülketten (aromatische Polyisocyanate) kommt, hat das Polymer thermoplastische Eigenschaften. Sind in der Struktur allerdings viele Quervernetzungen enthalten (aliphatische Polyisocyanate), so zeigt der Kunststoff duroplastische Eigenschaften. Sind die Makromolekülketten verknäult angeordnet, so ist es ein Elastomer.
    • Existieren in der Polymerkette endständige Isocyanat-Gruppen, so können diese mittels Wasser aufgeschäumt werden. Bei der Reaktion mit Wasser entsteht gasförmiges Kohlenstoffdioxid, durch welches das Polymer aufgeschäumt wird:
    $R-N=C=O ~+~ H_2O \longrightarrow R-NH_2 ~+~CO_2 \uparrow$

  • Bestimme die verwendeten Edukte zu folgendem Polymer.

    Tipps

    Obiges Polymer ist ein Polyharnstoff (Harnstoff siehe Abbildung).

    Um einen Ester in einen Harnstoff zu überführen, muss Ammoniak zugegeben werden.

    Aus der Isocyanat-Gruppe wird die Carbonyl-Gruppe der funktionellen Harnstoff-Gruppe gebildet.

    Lösung

    Obiges Polymer ist ein Polyharnstoff, der durch die Reaktion eines Diisocyanat mit einem Diamin dargestellt wurde. Im ersten Schritt wird das Isocyanat-Kohlenstoffatom nucleophil vom Stickstoffatom des Diamins angegriffen, gleichzeitig wird ein Proton auf den Stickstoff der Isocyanat-Gruppe übertragen. Nach der Reaktion zweier funktioneller Gruppen ist die erste Harnstoff-Gruppe entstanden. Da jedes Edukt zwei Funktionalitäten trägt kann die Reaktion solange hintereinander nach dem gleichen Muster erfolgen, bis alle Edukte verbraucht sind.

    Die Auswahl der Monomere ist also auf die Diamine und Diisocyanate beschränkt. Um nun die richtigen Edukte zu finden, muss jeweils eine der C-N Bindungen $(H_2N-/-C(=O)-NH_2)$ gespalten werden. Dabei ist die Wiederholeinheiten-Nomenklatur zu beachten. Die linke Klammer beginnt bei einer Amin-Funktionalität und die rechte Klammer endet bei der Isocyanat-Funktionalität. Deswegen muss der aromatische Rest die Isocyanat-Gruppen tragen und der aliphatische Rest in der Molekülkette trägt die Amingruppen. Damit handelt es sich bei den Edukten um Ethylendiamin und Diphenylmethan-2,4′-diisocyanat.

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