Procesos de polimerización: Adición y condensación.
Existen en la naturaleza diferentes compuestos que a partir de procesos químicos y físicos se convierten en elementos fundamentales para nuestro uso cotidiano. La presencia de grandes moléculas conocidas como macromoléculas, se debe a la unión de numerosas moléculas de menos tamaño denominadas monómeros, dando como consecuencia, compuestos de pesos moleculares elevados. Estas macromoléculas, cuyas cadenas consisten en repeticiones consecutivas de unidades, se denominan, polímeros.
Los procesos mediante los cuales se lleva a cabo la formación de estas macromoléculas se denominan Procesos de Polimerización y son de vital importancia debido a que presentan las vías y reacciones a partir de las cuales se da la formación de los polímeros.
Las reacciones o procesos de polimerización suelen dividirse en dos: Polimerización en adición o en cadenas y polimerización en etapas o por condensación. Inicialmente estos fueron clasificados por Carothers (Doctor en 1924 de la Universidad de Illinois. En 1928 se incorporó a la compañía Du Pont, en Wilmington, con el cargo de director de investigación de química orgánica. Especializó su trabajo en los procesos de polimerización) en el año 1929, teniendo en cuenta las comparaciones de sus formulas moleculares. Posterior a ello, Flory (Químico norteamericano. En 1974 fue galardonado con el Premio Nobel de Química por sus logros, tanto teóricos como experimentales, en el campo de la química física de las macromoléculas), los clasifico en Polimerización por etapas y en cadena.
En primera instancia se debe recalcar que de acuerdo a el origen, los polímeros se clasifican o dividen en naturales, los cuales presentan estructuras complejas, y los artificiales o sintéticos, que se caracterizan por contener de una a tres tipos de unidades diferentes repetitivas. Entre ellos, los polímeros artificiales presentan mayor relevancia en la actualidad en el ámbito comercial, debido a sus amplias propiedades y variadas aplicaciones.
De acuerdo al tipo de molécula para la formación de los polímeros se encuentran los homopolímeros, los cuales parten de un solo tipo de molécula, y los copolímeros que presentan de dos o más moléculas repetitivas en la cadena.
No obstante las diferentes vías y reacciones para la producción de polímeros presentan características particulares que permiten diferenciarlas una de otra. Además de esto son reacciones variadas cuyos mecanismos de reacción siguen al margen la estructura química de los monómeros iniciales de origen.
En primer lugar, la polimerización por adición o en cadena consiste en la generación de polímeros cuya unidad estructural repetitiva presenta la misma composición que su monómero inicial.
Entre las características principales de esta, se destacan:
- La polimerización ocurre a partir de la adición consecutiva de monómeros a una cadena determinada en constante crecimiento, la cual presenta un extremo en activación hasta el punto culminante de la reacción.
- Esta reacción se lleva a cabo sin pérdida de materia, por lo cual la unidad repetitiva del polímero y el monómero que se adiciona presentan igual estequiometria.
- Durante el proceso de polimerización, la composición química del polímero presenta un elevado peso molecular.
- Cada etapa dentro del proceso es dependiente de la anterior.
En este proceso de polimerización puede darse la formación de radicales libres como especies intermedias a lo largo de la reacción, mientras que en otros casos la polimerización se da por formación de iones.
De cualquier forma, el proceso por adición radicalar o iónica, se da en tres etapas:
- Iniciación: En la cual se lleva a cabo la formación de monómeros activado.
- Propagación: En la cual se da la reacción por lo que se forma la cadena activada.
- Terminación: En la cual se da la perdida de actividad y la final producción del polímero.
Para la adición radicalar, en la fase de iniciación, se da la creación de los radicales libres, lo cual se puede llevar a cabo mediante acción del calor, acción fotoquímica y por acción de compuestos productores de radicales libres. Esta fase inicial consiste en la ruptura del iniciador para formar lo radicales libres por acción del efecto térmico. En la fase de propagación, al radical que ha sido formado anteriormente se le van adicionando los monómeros y finalmente en la terminación se obtiene el polímero debido a las pérdidas de actividad de las cadenas formadas durante la propagación.
Esta última fase puede darse por apareamiento, donde dos cadenas activadas se adicionan entre ellas con pérdidas de actividad; por desproporción en la cual dos cadenas activas iguales o diferentes, producen un proceso de desproporción en el cual se obtienen dos cadenas distintas; y por transferencia de cadena.
En cuanto a la polimerización de adición iónica, se resalta su utilización debido a que en diversos procesos de polimerización las velocidades de reacción son elevadas, por lo cual surge la necesidad de implementar vías de procesos que justifiquen la no utilización de mecanismos con radicales libres. Por esta razón se clasifican dos tipos de polimerización iónica.
La polimerización catiónica, en fase de iniciación presenta iniciadores reactivos electrofílicos que se incorporan al monómero para formas iones carbonios; en la propagación, estos iones se van adicionando junto con las moléculas del monómero, lo que conlleva a la fase final de terminación donde se da la pérdida de un protón de la macromolécula formada, obteniendo así el polímero.
Para la polimerización aniónica, la fase de iniciación comienza con reactivos nucleofílicos que se adicionan al monómero formando carbaniones. Posterior a ello, en la propagación, los carbaniones formados se adicionan con las moléculas del monómero, lo que conduce a la fase de terminación donde la cadena toma un protón del disolvente.
Como segundo método de polimerización se conoce al proceso por condensación, el cual se caracteriza por:
- El proceso se lleva a cabo mediante la reacción entre diferentes grupos funcionales, de distinta naturaleza, generalmente con la eliminación de una molécula pequeña.
- El grupo funcional resultado de la reacción entre grupos funcionales de los monómeros pasa a formar parte de una cadena principal, base del polímero, mediante repeticiones consecutivas en ella.
- Durante la polimerización, la reacción en mezcla consiste en la distribución de tamaños moleculares.
Durante este proceso, las cadenas están en constante crecimiento debido a la combinación de cadenas más cortas, por lo cual inicialmente se da la formación de dímeros, luego trímeros, tetrámeros y al final de un proceso, la formación del polímero. Por esta razón, en esta vía de formación de polímeros, solo se encuentran altos pesos moleculares al final del proceso. Entre otras de sus características, se destaca que cada paso dentro del proceso ocurre de forma independiente.
De los ejemplos de polímeros formados mediante este proceso se destacan algunos comunes como lo son los poliésteres, policarbonatos, poliamidas y poliuretanos.
Estos diferentes procesos de polimerización, sin importar las etapas de cada uno de ellos o los mecanismos a partir de los cuales se rigen para formar como productos macromoléculas, permitirán la producción de materiales que mediante procesos de transformación se convertirán en productos de uso cotidiano y de gran demanda a nivel comercial.
Estamos rodeados de todo tipo de objetos poliméricos de gran utilidad. Las nuevas tecnologías, materiales y aplicaciones de estos productos han sido bien acogidos. En todos los ámbitos de desarrollo, estos materiales encuentran función, como en la medicina, la ingeniería, agricultura, entre otras.
Para finiquitar, ellos no solo nos ofrecen grandes ventajas, si no también inconvenientes en cuanto a su acumulación al cumplir su ciclo de uso. Sin embargo sus infinidades de aplicaciones y las variedades que de ellos que se obtiene por las diferentes vías de polimerización, permiten tener un mundo lleno de materiales poliméricos.