Was ist ein Monomer?

Ein Monomer ist eine sich wiederholende Struktur oder Einheit innerhalb eines Typs eines großen Moleküls, das als Polymer bekannt ist. Das Wort kommt aus dem Griechischen mono, was eins bedeutet, und meros, was Teil bedeutet; es ist einer von vielen ähnlichen Teilen einer langen Kette, aus denen das Molekül besteht. Monomere verbinden sich zu Polymeren während einer chemischen Reaktion, die als Polymerisation bezeichnet wird, bei der sich die Moleküle verbinden, indem sie Elektronen in einer sogenannten kovalenten Bindung teilen. Sie können sich auch zu kleineren Strukturen miteinander verknüpfen: Ein Dimer besteht beispielsweise aus zwei Monomeren und einem Trimer, zum Beispiel drei. Polymere können aus vielen Tausend dieser Einheiten bestehen.

Die strukturellen Eigenschaften eines Polymers hängen von der Anordnung der Monomere ab, aus denen es besteht. Dies kann seine Wasserlöslichkeit, seinen Schmelzpunkt, seine chemische Reaktivität oder seine Haltbarkeit beeinträchtigen. Zwei Polymere können die gleichen Monomermoleküle enthalten, können aber aufgrund ihrer Anordnung unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

Kleben
Ein Schlüsselmerkmal einer Monomereinheit ist ihre Fähigkeit, sich mit mindestens zwei anderen Molekülen zu verbinden. Die Anzahl der Moleküle, mit denen sich eine Einheit verbinden kann, wird durch die Anzahl der aktiven Zentren bestimmt, an denen die kovalenten Bindungen gebildet werden können. Kann es sich nur mit zwei anderen Molekülen verbinden, entstehen kettenartige Strukturen. Wenn es sich mit drei oder mehr anderen Monomeren verbinden kann, können fortschrittlichere, dreidimensionale, vernetzte Polymere aufgebaut werden. Das Element Kohlenstoff bildet die Grundlage der meisten Polymere, da es als eines der wenigen Elemente mit vier anderen Atomen in vier verschiedene Richtungen binden kann.

Beim Bonding-Prozess müssen nicht unbedingt zwei Monomereinheiten einfach miteinander verbunden werden. In vielen Fällen verliert jede Einheit ein oder zwei Atome, die ein weiteres Produkt bilden. Zum Beispiel kann eine Einheit ein Wasserstoffatom abgeben und die andere eine Hydroxyl- oder Wasserstoff-Sauerstoff-Gruppe, um eine Bindung zu bilden, wobei als Nebenprodukt Wasser (H2O) entsteht. Diese Art der Polymerisation ist als Kondensationsreaktion bekannt.

Arten von Polymeren
Ein Polymer, das vollständig aus einer Art von Monomereinheit besteht, wird als Homopolymer bezeichnet. Liegen mehrere Einheiten vor, spricht man von einem Copolymer. Diese können je nach Anordnung der Einheiten in verschiedene Kategorien eingeteilt werden:
Abwechselnd: Zwei verschiedene Einheiten wechseln sich ab, zum Beispiel …ABABAB…
Periodisch: Eine vorgegebene Folge von Einheiten wird wiederholt, zum Beispiel …ABCABCABC…
Block: Zwei oder mehr verschiedene Homopolymere werden miteinander verbunden, zum Beispiel …AAAABBBB…
Statistisch: Die Reihenfolge der Einheiten hat kein festes Muster, aber bestimmte Kombinationen sind wahrscheinlicher als andere
Zufällig: die Sequenz hat kein erkennbares Muster

Natürliche Monomere
Eines der am häufigsten vorkommenden natürlichen Monomere ist Glukose, ein einfaches Kohlenhydrat. Es kann sich auf unterschiedliche Weise mit anderen Glucosemolekülen zu verschiedenen Polymeren verbinden. Cellulose, die in den Zellwänden von Pflanzen vorkommt, besteht aus Glukosemolekülketten mit einer Länge von bis zu 10,000 oder mehr Einheiten, die ihr eine faserige Struktur verleihen. In Stärke bilden die Glucoseeinheiten verzweigte Ketten. Die zahlreichen Verzweigungsenden bilden Punkte, an denen Enzyme beginnen können, das Molekül abzubauen, wodurch es leichter verdaulich ist als Cellulose.
Andere Beispiele sind Aminosäuren, die sich zu Proteinen verbinden können, und Nukleotide, die zusammen mit bestimmten Kohlenhydratverbindungen polymerisieren können, um DNA und RNA zu bilden, die Moleküle, auf denen alles bekannte Leben basiert. Isopren, eine in vielen Pflanzen vorkommende Kohlenwasserstoffverbindung, kann zu Naturkautschuk polymerisieren. Die Elastizität dieser Substanz ist darauf zurückzuführen, dass die Einheiten gewickelte Ketten bilden, die gedehnt werden können und sich beim Loslassen wieder in einen gewickelten Zustand zusammenziehen.

Künstliche Polymere
Viele synthetische Polymere wurden hergestellt und umfassen alltägliche Materialien wie Kunststoffe und Klebstoffe. Häufig sind die Monomere, aus denen sie aufgebaut sind, natürlich vorkommende Verbindungen, obwohl sie oft synthetisch hergestellt werden können. In den meisten Fällen sind diese Verbindungen Kohlenwasserstoffe – Moleküle, die nur Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten.
Ein Beispiel ist Ethylen (C2H4, ein einfacher Kohlenwasserstoff, der von Pflanzen produziert wird, aber in großem Umfang aus Erdöl hergestellt wird. Es kann zu Polyethylen – manchmal auch Polyethylen genannt – polymerisiert werden, dem am häufigsten verwendeten Kunststoff hergestellt, indem die Doppelbindung zwischen den beiden Kohlenstoffatomen von Ethylen in eine Einfachbindung umgewandelt wird, so dass jede eine weitere Einfachbindung mit einem benachbarten Kohlenstoffatom bilden kann und die Bildung langer Ketten ermöglicht wird.Andere Beispiele sind Propylen und Styrol, die verwendet werden, um Herstellung von Polypropylen bzw. Polystyrol.