Was ist ein Makromolekül?
Makromoleküle sind ein Oberbegriff für organische Stoffe mit einem Molekulargewicht von 10 000 oder mehr, die aus Kohlenstoff als Hauptgerüst und Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff als weiteren Elementen bestehen.
Polymere ohne Kohlenstoff werden als anorganische Polymere bezeichnet. Die Makromoleküle, die auch einfach als Polymere bezeichnet werden, lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen: synthetische Polymere und Biopolymere.
Das Konzept der Makromoleküle wurde erstmals 1917 publiziert, und nach etwa 10 Jahren Kontroverse wurde das Konzept für richtig befunden. In der Folgezeit führte die Erforschung organischer Polymere zu einer aktiven Industrialisierung im Vereinigten Königreich, in Deutschland und in den USA und der Ausbruch der beiden Weltkriege führte zur Entwicklung einer breiten Palette von Produkten aus organischen Makromolekülen.
Anwendungen von Makromolekülen
In unserer Umgebung gibt es viele Produkte und Stoffe, die aus organischen Makromolekülen hergestellt werden. Sie lassen sich in synthetische Polymere und Biopolymere unterteilen.
1. Synthetische Polymere
Zu den Materialien gehören Kunststoffharze, Fasern und Gummi, die als synthetische Polymere bezeichnet werden, weil sie hauptsächlich aus Erdöl hergestellt werden. Zu den Anwendungen synthetischer Polymere gehören Kunststoffprodukte im Allgemeinen, Kleidung, Reifen und Farben.
Synthetische Polymere werden künstlich durch eine Reaktion namens Polymerisation hergestellt. Produkte, die aus den synthetischen Makromolekülen hergestellt werden, entwickeln Eigenschaften wie Festigkeit, Hitzebeständigkeit, hohe Transparenz und Weichheit. Obwohl synthetische Polymere viele Vorteile haben, besteht ihr Nachteil darin, dass sie sich schneller abnutzen als Metalle. Diese Nachteile können durch die Mischung von Metallen und Keramiken mit synthetischen Polymeren behoben werden.
2. Biopolymere
Die DNA, die RNA und die Proteine im Körper werden als Biopolymere bezeichnet. Sie bilden die Funktionen und Strukturen, die unser tägliches Leben ermöglichen. Andere Stoffe, die aus Pflanzen gewonnen werden, werden als natürliche Makromoleküle bezeichnet und sind eine Art von Biopolymeren.
Biopolymere werden im menschlichen Körper und in der Natur ohne menschliches Zutun hergestellt. Aus diesem Grund ist es für Biopolymere grundsätzlich nicht möglich, die Bindungsarten organischer Stoffe frei zu rekombinieren, wie es bei synthetischen Polymeren der Fall ist.
Es wird jedoch geforscht und entwickelt, um Biopolymere selbst mit Zusatzstoffen und synthetischen Polymeren zu mischen, um neue Funktionen zu erhalten und sie zu medizinischen Materialien zu machen, die in den Körper eingebaut werden können.
Funktionsweise der Makromoleküle
Ein Makromolekül ist ein großes Molekül, das aus kleinen Molekülen (Monomeren) besteht, die durch die Bildung neuer kovalenter Bindungen verbunden sind. Vereinfacht ausgedrückt ist z. B. jede Perle ein Monomer, und die gesamte Kette, die durch ihre Verknüpfung entsteht, ist ein Makromolekül. Die Polymerisation ist eine Reaktion, bei der sich Monomere miteinander verbinden, um Makromoleküle zu bilden.
Es gibt ein sehr breites Spektrum an Monomeren, was die Kombination der Arten und die Anzahl der Elemente angeht, aus denen die Monomere bestehen, und auch ein sehr breites Spektrum an organischen Polymeren, die aus ihnen hergestellt werden können.
Zu den Elementen, aus denen Monomere bestehen, gehören neben Kohlenstoff auch Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, und die Art der Reaktion bei der Polymerisation hängt von der Molekularstruktur des Monomers ab. Die spezifischen Polymerisationsformen sind wie folgt:
1. Kettenpolymerisation
Hierbei handelt es sich um eine Reaktion, bei der die vom Initiator erzeugten aktiven Spezies nacheinander mit dem Monomer reagieren und die Molekülkette verlängern. Je nach aktiver Spezies wird sie weiter unterteilt in radikalische Polymerisation, anionische Polymerisation und kationische Polymerisation.
2 Sequentielle Polymerisation
Hierbei handelt es sich um eine Reaktion, bei der Monomere mit zwei oder mehr funktionellen Gruppen zwischen verschiedenen Molekülen miteinander reagieren, um Bindungen zu bilden und die Molekülkette zu verlängern. Je nach Art der Reaktion werden sie als Polykondensation, Polyaddition und Additionskondensation klassifiziert.
Arten von organischen Polymeren
Es gibt verschiedene Arten von organischen Makromolekülen. Selbst organische Makromoleküle, die aus demselben Monomer hergestellt werden, können je nach Anzahl der Wiederholungen (Molekulargewicht) unterschiedliche physikalische Eigenschaften und Leistungen aufweisen.
Im Folgenden finden Sie Beispiele typischer Makromoleküle für die einzelnen Polymerisationstypen. Allgemeine Polymere haben in der Regel eine Abkürzung, die in Klammern angegeben ist.
1. Kettenpolymerisation
Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylchlorid (PVC), Polymethylmethacrylat (PMMA)
2. Sequentielle Polymerisation
Polyethylenterephthalat (PET), Polyamid (PA), Polyimid (PI), Polyurethan (PU), Polycarbonat (PC), Bakelit