Hispanopedia WikiEn química de polímeros , la polimerización ( inglés americano ) o polimerización ( inglés británico ) es un proceso de reacción de moléculas de monómeros en una reacción química para formar cadenas de polímeros o redes tridimensionales. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Existen muchas formas de polimerización [ 4 ] y diferentes sistemas para categorizarlas.
En los compuestos químicos , la polimerización puede ocurrir a través de diversos mecanismos de reacción que varían en complejidad debido a los grupos funcionales presentes en los reactivos [ 3 ] y sus efectos estéricos inherentes . En polimerizaciones más directas, los alquenos forman polímeros mediante reacciones de radicales relativamente simples ; por el contrario, las reacciones que implican la sustitución en un grupo carbonilo requieren una síntesis más compleja debido a la forma en que se polimerizan los reactivos. [ 3 ]
Como los alquenos pueden polimerizarse en reacciones radicalarias relativamente sencillas, forman compuestos útiles como el polietileno y el cloruro de polivinilo (PVC), [ 3 ] que se producen en grandes cantidades cada año [ 3 ] debido a su utilidad en los procesos de fabricación de productos comerciales, como tuberías, aislamiento y embalaje. En general, los polímeros como el PVC se denominan " homopolímeros ", ya que consisten en largas cadenas o estructuras repetidas de la misma unidad monomérica, mientras que los polímeros que constan de más de una unidad monomérica se denominan copolímeros . [ 5 ]
- Homopolímeros
- Copolímeros
Otras unidades monoméricas, como los hidratos de formaldehído o los aldehídos simples, pueden polimerizarse a temperaturas bastante bajas (aprox. −80 °C) para formar trímeros ; [ 3 ] moléculas que constan de 3 unidades monoméricas, que pueden ciclarse para formar estructuras cíclicas en anillo, o sufrir reacciones adicionales para formar tetrámeros , [ 3 ] o compuestos de 4 unidades monoméricas. Estos polímeros pequeños se denominan oligómeros . [ 3 ] Generalmente, debido a que el formaldehído es un electrófilo excepcionalmente reactivo, permite la adición nucleofílica de intermedios hemiacetálicos , que en general son compuestos de "etapa intermedia" de corta duración y relativamente inestables que reaccionan con otras moléculas no polares presentes para formar compuestos poliméricos más estables.
La polimerización que no se controla adecuadamente y que se produce a gran velocidad puede ser muy peligrosa. Este fenómeno se conoce como autoaceleración y puede provocar incendios y explosiones.
Polimerización por crecimiento escalonado frente a polimerización por crecimiento en cadena
La polimerización por crecimiento escalonado y la polimerización por crecimiento en cadena son los principales mecanismos de reacción. El primero suele ser más fácil de implementar, pero requiere un control preciso de la estequiometría. El segundo permite obtener polímeros de alto peso molecular de forma más fiable, pero solo es aplicable a ciertos monómeros.
Crecimiento gradual
En la polimerización por etapas (o polimerización escalonada), pares de reactivos, de cualquier longitud, se combinan en cada etapa para formar una molécula de polímero más larga. La masa molar promedio aumenta lentamente. Las cadenas largas se forman solo al final de la reacción. [ 6 ] [ 7 ]
Los polímeros de crecimiento por etapas se forman mediante reacciones independientes entre grupos funcionales de unidades monoméricas, que suelen contener heteroátomos como nitrógeno u oxígeno. La mayoría de estos polímeros también se clasifican como polímeros de condensación , ya que se pierde una molécula pequeña, como el agua, al alargarse la cadena polimérica. Por ejemplo, las cadenas de poliéster crecen por reacción de grupos alcohol y ácido carboxílico para formar enlaces éster con pérdida de agua. Sin embargo, existen excepciones; por ejemplo, los poliuretanos son polímeros de crecimiento por etapas formados a partir de monómeros bifuncionales de isocianato y alcohol, sin pérdida de agua ni otras moléculas volátiles, y se clasifican como polímeros de adición en lugar de polímeros de condensación.
Los polímeros de crecimiento por etapas aumentan su peso molecular muy lentamente a baja conversión y alcanzan pesos moleculares moderadamente altos solo a una conversión muy alta (es decir, >95%). La polimerización en estado sólido para obtener poliamidas (por ejemplo, nylons) es un ejemplo de polimerización por etapas. [ 8 ]
Crecimiento en cadena
En la polimerización por crecimiento en cadena (o polimerización en cadena), la única etapa de extensión de cadena consiste en la adición de un monómero a una cadena en crecimiento con un centro activo, como un radical libre , un catión o un anión . Una vez que se inicia el crecimiento de la cadena mediante la formación de un centro activo, la propagación suele ser rápida mediante la adición secuencial de monómeros. Desde el inicio de la reacción se forman cadenas largas. [ 6 ] [ 7 ]
La polimerización por crecimiento en cadena (o polimerización por adición) implica la unión de monómeros insaturados, particularmente aquellos que contienen enlaces dobles carbono-carbono . El enlace pi se pierde por la formación de un nuevo enlace sigma. La polimerización por crecimiento en cadena está involucrada en la fabricación de polímeros como el polietileno , el polipropileno , el cloruro de polivinilo (PVC) y el acrilato . En estos casos, los alquenos RCH=CH₂ se convierten en alcanos de alto peso molecular (-RCHCH₂- ) n ( R = H, CH₃ , Cl, CO₂CH₃ ) .
Otras formas de polimerización por crecimiento en cadena incluyen la polimerización por adición catiónica y la polimerización por adición aniónica . Un caso especial de polimerización por crecimiento en cadena da lugar a la polimerización viva . La polimerización de Ziegler-Natta permite un control considerable de la ramificación del polímero .
Polimerización del etileno
Se emplean diversos métodos para manipular las velocidades de iniciación, propagación y terminación durante la polimerización en cadena. Un aspecto relacionado es el control de la temperatura , también llamado gestión térmica, durante estas reacciones, que suelen ser altamente exotérmicas. Por ejemplo, en la polimerización del etileno, se liberan 93,6 kJ de energía por mol de monómero. [ 8 ]
La polimerización es una tecnología altamente desarrollada. Entre los métodos se incluyen la polimerización en emulsión , la polimerización en solución , la polimerización en suspensión y la polimerización por precipitación . Si bien se puede mejorar la dispersión y el peso molecular del polímero, estos métodos pueden requerir un procesamiento adicional para aislar el producto del disolvente.
Fotopolimerización
La mayoría de las reacciones de fotopolimerización son polimerizaciones de crecimiento en cadena que se inician mediante la absorción de luz visible [ 9 ] o ultravioleta. La fotopolimerización también puede ser una polimerización por etapas. [ 10 ] La luz puede ser absorbida directamente por el monómero reactivo ( fotopolimerización directa ) o bien por un fotosensibilizador que absorbe la luz y luego transfiere energía al monómero. En general, solo la etapa de iniciación difiere de la de la polimerización térmica ordinaria del mismo monómero; las etapas posteriores de propagación, terminación y transferencia de cadena no cambian. [ 6 ] En la fotopolimerización por etapas, la absorción de luz desencadena una reacción de adición (o condensación) entre dos comonómeros que no reaccionan sin luz. No se inicia un ciclo de propagación porque cada etapa de crecimiento requiere la asistencia de la luz. [ 11 ]
La fotopolimerización puede utilizarse como proceso fotográfico o de impresión, ya que la polimerización solo ocurre en las regiones expuestas a la luz. El monómero no reaccionado puede eliminarse de las regiones no expuestas, dejando una imagen polimérica en relieve. [ 6 ] Varias formas de impresión 3D , incluyendo la estereolitografía capa por capa y la fotopolimerización 3D por absorción de dos fotones, utilizan la fotopolimerización. [ 12 ]
También se ha demostrado la polimerización multifotónica mediante pulsos únicos para la fabricación de estructuras complejas utilizando un dispositivo de micromirror digital . [ 13 ]
Véase también
- Enlace cruzado
- Polimerización enzimática
- Polimerización in situ
- Metaloceno
- Polimerización por plasma
- Caracterización de polímeros
- Física de polímeros
- Polimerización por transferencia de cadena con adición-fragmentación reversible
- Polimerización por apertura de anillo
- Polímeros con secuencia controlada
- Sol-gel
Referencias
- ↑ "Polimerización". Compendio de Terminología Química de la IUPAC . 2014. doi : 10.1351/goldbook.P04740 .
- ↑ Young, Robert J. (1981). Introducción a los polímeros . Londres: Chapman and Hall. ISBN 0-412-22170-5OCLC 8086791
- 1 2 3 4 5 6 7 8 Clayden, Jonathan; Greeves, Nick; Warren, Stuart (2001). Química orgánica . Oxford: Oxford University Press. págs. 1450–1466 . ISBN 0-19-850347-4OCLC 43338068
- ↑ Manas, Chanda (2023). Introducción a la ciencia y la química de los polímeros: un enfoque para la resolución de problemas (2.ª ed.). CRC Press (publicado en 2013). ISBN 978-1-4665-5385-9.
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- 1 2 Fried, Joel R. (2003). Ciencia y tecnología de polímeros (2.ª ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall Professional Technical Reference. pág. 23. ISBN 0-13-018168-4OCLC 51769096
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- Reacciones de polimerización
