Vrye Radikaal Viniel Polimerisasie
Een van die mees algemeenste en mees bruikbare reaksies om polimere te maak is vrye radikaal polimerisasies. En dit word gebruik vir die maak van polimere uit viniel monomere, d.w.s. klein molekule wat koolstof-koolstof dubbelbindings bevat. Polimere wat gemaak word deur vrye radikaal polimerisasies sluit in polistireen, polimetielmetakrilaat, polibutadiëen, polivinielasetaat en vertakte poliëtileen. Maar genoeg inleiding. Wat is hierdie reaksie, en hoe werk dit?
Die hele proses begin met 'n molekule wat 'n inisiëerder genoem word. Dit is 'n molekule soos bensoïelperoksied, of 2,2'-aso-bis-isobutironitriel (AIBN). Wat hierdie molekule so spesiaal maak is dat hulle baie maklik uitmekaar val, en dan ook op 'n heel interessante manier. As hulle split, sal die elektronpaar wat betrokke is by die binding skei van mekaar. Dit is ongewoon, aangesien elektrone verkies om gepaar te wees as hulle kan. As dit egter so gebeur, sit 'n mens met twee fragmente, die sogenaamde inisiëerder fragmente, van die oorspronklike molekuul, elkeen met 'n ongepaarde elektron. Molekules met ongepaarde elektrone, word vrye radikale genoem.
Om 'n film te sien van AIBN dekomposisie reaksie, kliek hier.
Onthou net dat hierdie ongepaarde elektrone nie gelukkig sal wees met hulle situasie nie, en sal steeds probeer om weer gepaar te wees. En as hulle ENIGE elektrone kan vind om 'n paar mee te vorm, sal hulle so maak. Die koolstof-koolstof dubbelbinding van 'n viniel monomeer, soos byvoorbeeld etileen, het 'n paar elektrone wat baie maklik aangeval kan word deur 'n vrye radikaal. Die ongepaarde elektron, indien dit naby die elektron paar kom, sal 'n aanval loods, en paar met een van die elektrone. Die nuwe elektronpaar sal nou 'n nuwe binding daar stel, d.w.s. tussen die inisiëerder fragment en een van die koolstowwe van die dubbelbinding in die monomeer. Die oorblywende elektron sal nou assosieer met die koolstof wat nie met die fragment geassosieer is nie. Soos jy kan sien, lei dit ons terug na waar ons begin het, siende dat daar nou 'n nuwe vrye radikaal is met 'n ongepaarde elektron. Die hele proses, die splitsing van die inisiëerder, gevolg deur die radikaal se reaksie met 'n monomeermolekuul, word die inisiasie stap van die polimerisasie genoem.
As jy 'n film wil sien van die vorming van radikale uit bensoïelperoksied, en die aanval op etileen, kliek hier.
Wel, hierdie nuwe radikaal reageer nou met 'n volgende etileen molekule, presies net soos die inisiëerderfragment het. Dit bring ons natuurllik nêrens as dit kom by vorming van 'n elektron paar nie, want daar word altyd 'n nuwe radikaal gevorm as die reaksie plaasvind.
Hierdie proses waar nog monomeermolekules tot die groeiende ketting gevoeg word, word kettinggroei ("propogation") genoem.
Aangesien ons aanhou om die radikaal te skep, kan ons aanhou om nog en nog etileenmolekules by te voeg, en kan 'n lang ketting so opbou. Sulke reaksies word kettingreaksies genoem. En solank as wat die ketting groei, sal daar ongepaarde elektrone wees.
Maar ongelukkig hou dit nie vir ewig so aan nie. Radikale is onstabiel, en sal mettertyd 'n manier vind om 'n paar te vorm sonder om 'n nuwe radikaal te genereer. Dan sal die kettingreaksie gestop word. Daar is 'n paar maniere waarop dit kan plaasvind. Die heel eenvoudigste manier is as twee groeiende kettings mekaar ontmoet, en met mekaar reageer. Die twee ongepaarde elektrone vorm dan 'n paar, en 'n nuwe chemiese binding wat die kettings verbind. Dit word koppeling genoem.
Koppeling is een van twee hoof tipes termineringsreaksies. Terminering is die derde en finale stap in kettinggroei polimerisasie (met inisiasie en kettinggroei die eerste twee).
En nou vir die ander tipe termineringsreaksie:
Die ander manier waarop die polimerisasiereaksie gestop kan word, is deur disproporsionering. Dit is 'n ingewikkelde manier waarop twee groeiende polimeerkettings die probleem van ongepaarde elektrone oplos. In disproporsionering, as twee groeiende punte van die kettings nader aan mekaar kom, sal die ongepaarde elektron van die een ketting iets baie interessant doen. Eerder as om net met die ander ongepaarde elektron te paar, sal dit op 'n ander plek soek vir nog 'n elektron. Dit vind dan 'n elektron in die koolstof-waterstof binding van die koolstof langs die koolstof radikaal. Die ongepaarde elektron neem nie net 'n elektron nie, maar ook die waterstofatoom saam met dit. Die eerste ketting het dus nou geen ongepaarde elektron nie, en die laaste koolstof deel nou ag elektrone.
Almal is nou gelukkig, behalwe die polimeerketting wat die waterstofatoom verloor het. Dit het nou nie net een koolstof met 'n ongepaarde elektron nie, maar twee. Maar gelukkig is dit nie veel van 'n probleem nie, aangesien hierdie twee koolstofradikale reg langs mekaar is. Hulle kan dus baie maklik elektrone met mekaar paar, en so ontstaan daar dus nog 'n verdere chemiese binding tussen hulle. Hierdie twee atome deel reeds 'n elektronpaar, en die tweede paar skep dus nou 'n dubbelbinding aan die einde van die polimeerketting.
Soms gebeur dit ook dat die ongepaarde elektron sal paar met 'n elektron uit 'n koolstof-waterstof binding van 'n ander polimeerketting. Dit laat die ongepaarde elektron dus baie ver weg van die groeiende punt van die ketting. Die elektron kan nou nie 'n dubbelbinding vorm soos in die vorige geval nie, maar dit kan wel met 'n monomeer molekuul reageer, net soos die inisiëerder fragment. 'n Nuwe ketting begin dus groei uit die middel van die eerste ketting. Dit word kettingoordrag genoem, en die resultaat is 'n vertakte polimeer. Dit is veral 'n probleem met poliëtileen, sodat liniêre nie-vertakte poliëtileen glad nie gemaak kan word deur 'n vrye radikaal polimerisasie nie.
Kliek hier om 'n film te sien van die hele vertakkingsreaksie proses.
Hierdie vertakking het 'n groot effek op hoe poliëtileen optree. Om uit te vind presies wat hierdie effekte is, en hoe, deur ontslae te raak van hierdie vertakkings, dit gelei het tot die gebruik van poliëtileen in koëlvaste baadjies eerder as Kevlar, besoek gerus die poliëtileen bladsy.