POLIMERIZACIÓN
Es bien conocido que desde los comienzos de la humanidad el hombre ha
recurrido a los recursos que le ofrece su entorno para elevar su nivel
de vida, es así como ha descubierto diversas clases de materiales que le
ayuden a desenvolverse en distintas tareas como los metales, los
materiales cerámicos y los polímeros que han sido el “boom” y que
revisten gran importancia en la sociedad industrial moderna, es por
esto, que en el presente se aborda de manera clara los procesos de
polimerización utilizados para obtener una molécula polimérica y por
ende un material plástico, estos últimos tiene una amplia gama de
aplicaciones que van desde productos de uso casero hasta piezas y partes
de ingeniería. La facilidad para alterar sus propiedades manipulando su
composición química y su estructura molecular, ha permitido desarrollar
gran cantidad de materiales y grados para diferentes aplicaciones.
Primeramente se define el concepto de polímeros como macromoléculas,
se llaman de esta forma por su masa molecular alta, este grupo de
materiales están formados por unidades estructurales que se repiten,
estas unidades reciben en nombre de monómeros.
Este tipo de material que en le ha sido muy útil al hombre para
diversas actividades diarias, está conformado específicamente por dos
grupos: polímeros naturales y sintéticos, los primeros son aquellos que
proceden de los seres vivos y se conocen desde la antigüedad, tales
como el algodón, la seda y el caucho. Los polisacáridos, ácidos
nucleídos y proteínas forman parte de este grupo y cumplen funciones
biológicas para el ser humano, por ende se le ha agrupado o llamado como
“biopolimeros”. Por otra parte, los polímeros sintéticos son creados
artificialmente en un laboratorio o industria, como por ejemplo el
polietileno, polestireno, poliuretano entre muchos otros.
Por consiguiente, antes de abordar el tema de principal interés que
es la polimerización, cabe anotar que los polímeros tienen ciertos
factores importantes que influyen en su proceso como lo son el tamaño y
la estereoquímica, debido a que sus propiedades físicas y sus utilidades
depende de su peso molecular como por ejemplo: nylon; las interacciones
inter- o intra-moleculares no covalentes están muy relacionadas con la
estereoquímica. Los polímeros se pueden encontrar en tres formas físicas
diferentes: cristalinos, amorfos y parcialmente cristalinos.
Por otra parte, la reacción química por la cual se obtienen los
polímeros se denomina polimerización. Existen muchas de estas reacciones
y son de distintas clases. Pero todas las polimerizaciones tienen un
detalle en común “comienzan con moléculas pequeñas, que luego se van
uniendo entre sí para formar moléculas gigantes”.
Si nos retomamos a la historia el puntapié inicial en la síntesis de
polímeros fue en 1869, con la obtención de un nuevo material a partir de
la celulosa: el celuloide, y con ello, el nacimiento del cine. Años más
tarde, el descubrimiento de la estructura de la seda, un polímero
natural, permitió comprender sus asombrosas propiedades y poder
sintetizar la seda artificial, a la que llaman nylon.
La polimerización no es más que el proceso químico, mediante calor,
luz, o un catalizador, se unen varias moléculas de un compuesto
generalmente de carácter no saturado llamado monómero para formar una
cadena de múltiples eslabones, moléculas de elevado peso molecular y de
propiedades distintas, llamadas polímeros. Existen dos tipos de
polimerización por adición y condensación.
La polimerización por adición donde todas las partes de monómero se
convierten en partes del polímero, es decir, son reacciones en las que
enlaces múltiples se transforman en enlaces sencillos. Pueden ser
reacciones de adición a enlaces sencillo, dobles, tiples entre carbono y
carbono o a si vez, a grupos carbonilo o nitrilo.
Las etapas de la polimerización de adición se resumen en tres:
iniciación, en la que participa como reactivo una molécula llamada
iniciado, propagación, en la que la cadena comienza alargarse por
repetición del monómero y terminación, donde se interrumpe el proceso de
propagación y la cadena deja de crecer, ya que se han agotado los
monómeros.
En la polimerización por adición hay que tener en cuenta ciertos
aspecto, tales como, el iniciador reacciona con una molécula del
monómero para dar un intermediario que vuelve a reaccionar sucesivamente
con moléculas del monómero para dar nuevos intermediarios, las cadenas
crecen no se unen, la masa molecular del polímero es un múltiplo exacto
de la nada molecular del monómero, pues al formarse la cadena los
monómeros se unen sin perder ningún átomo, desde mi punto de vista,
esto puede ser falso porque en los procesos a nivel industrial se
evalúan otras variables que pueden incidir en el proceso y hacen que
esto no sea totalmente exacto.
Entre las características de este tipo de polimerización se destaca
su alto grado de polimerización, monómero es consumido relativamente
lento, la masa molecular aumenta rápidamente por lo que necesita etapa
de iniciación, la velocidad aumenta inicialmente conforme se generan los
iniciadores; después se mantiene constante.
Seguidamente, se menciona ejemplos de polimerización por adicion: el
eteno se convierte en polieteno, propeno-polipropeno,
cloroeteneno-policloroeteno o PVC, Tetrafluoroeteno-polifluoroeteno o
teflón.
En la polimerización por adición el primer paso es romper el enlace,
dejando electrones desapareados esto hace que sea atraído otro monómero y
así se sigue formando la cadena polimérica. Cuando se va a iniciar la
reacción, el primero monómero no es capaz por si solo de romper el
enlace es por esto que requiere un iniciador, la reacción tiene que
acabar y hay dos formas para finalizarla, la primera es llamada
acoplamiento, esta sucede cuando dos electrones no apareados de dos
cadenas diferentes que están creciendo se entrecruzan, permitiendo que
sus respectivas cadenas se acoplen, la segunda forma es llamada
desproporcionalizacion, se da cuando una última cadena con electrones
desapareados no arrebata un átomo de carbono si no uno de hidrogeno y
deja la cadena con un enlace doble
.
Otro tipo de polimerización es por condensación donde algunos átomos
de monómeros no son incluidos en el polímero resultante, por lo que se
produce una pequeña molécula como residuo. Para este caso el polímero es
formado porque los monómeros que intervienen tienen más de un grupo
funcional capaz de reaccionar con el grupo de otro monómero.
Los grupos
asidos carboxílico, amino, alcohol son las funciones más utilizadas para
estos fines.
Este tipo de polimerización como se menciono anteriormente se
preparan a partir de di-ácidos con di-aminas orgánicas, pero también se
pueden obtener desde un único monómero con dos grupos funcionales
diferentes en los extremos de la cadena.
Entre las características se puede resaltar que, las unidades del
monómero tienen grupos funcionales que pueden reaccionar entre sí, las
reacciones son más lentas y el crecimiento es a saltos en lugar de
unidad a unidad, los intermediarios de peso molecular, se le llama
oligomeros, y se pueden aislar y son de distintos tamaños entre sí, no
es necesario un iniciador como en la polimerización por adición, la
velocidad decrece para estabilizarse.
Existen cuatro mecanismos de síntesis de polímeros que son: mecanismo
radical, aniónico, catiónico y con estequiometria controlada.
En el mecanismos por radical, se llaman así porque utilizan radicales
libres que son átomos o grupos de átomos que tienen un electrón
desapareado en capacidad de aparearse lo que los hace muy reactivos. El
mecanismo anionico esta favorecido para vinil-olefinas, el iniciador es
un reactivo de Grignard o un organolitico. En el mecanismo cationico el
intermediario debe ser un carbocation y por ultimo en el de
estereoquímica controlada que tiene varias ventajas la utilización de
este mecanismo como por ejemplo su elevada actividad catalítica, elevado
control estereoquímica.
Los procesos de polimerización no son perfectos, en el sentido de que
no ofrecen la posibilidad de obtener cadenas exactamente con la misma
cantidad de monómeros. Por lo cual, un valor de masa molecular promedio
aritméticamente no es representativo de la masa molecular del polímero;
es por esto que utilizan valores con significado estadístico para
cuantificar la masa molecular de los polímeros: la masa molecular en
promedio en número y la masa molecular promedio en peso.
En conclusión, a nivel industrial a partir de los procesos de
polimerización se obtienen muchos de los plásticos que diariamente se
utilizan en la industria y en la cotidianidad, entre los más destacados
son polietileno, poliestireno, polipropileno, policloruro de vinilo
(PVC) entre otros, la tarea ahora es hacer de todos estos productos que
sean amigables con el medio ambiente y sean biodegradables.
