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Die geheime Welt der Polymere erkunden: Warum ist die lebende kationische Polymerisation sowohl für die Wissenschaft als auch für die Wirtschaft eine Win-Win-Situation?
Die lebende kationische Polymerisation ist eine Technik zur Herstellung hochregulierter Polymere, die sowohl in der Wissenschaft als auch in der Wirtschaft große Aufmerksamkeit erregt hat. Mit dieser Technologie lassen sich nicht nur Polymere mit niedriger Molekulargewichtsverteilung synthetisieren, sondern auch ganz spezielle Polymerstrukturen wie Sternpolymere oder Blockcopolymere herstellen. Aus diesem Grund spielt die lebende kationische Polymerisation eine wichtige Rolle in der aktuellen Polymerforschung und -entwicklung.
Der Schlüssel zur lebenden kationischen Polymerisation besteht darin, dass sie über einen gut definierten und kontrollierten Start- und Ablaufprozess verfügt und gleichzeitig die Möglichkeit von Nebenreaktionen, Abbrüchen und Kettenübertragungen minimiert.
Technische Grundlage
Bei der carbokationischen Polymerisation ist das aktive Zentrum das Carbokation, begleitet von einem nahegelegenen Gegenion. Die grundlegenden Reaktionsschritte sind: Wenn Monomer A mit Monomer B in Kontakt kommt, bildet sich durch eine spezifische chemische Reaktion eine Polymerisationskette. Bei diesem Prozess ist die Kontrolle der Kettenverstärkung, der Kettenübertragung und des Kettenabbruchs von entscheidender Bedeutung. Idealerweise ist die Austauschrate zwischen dem chemischen Gleichgewicht der aktiven ionischen Polymerspezies und der stationären kovalenten Spezies schneller als die Polymerisationsrate.
Die in der Polymerisationsreaktion verwendeten Monomere sind umfangreich und umfassen Vinylether, α-Methylvinylether, Isobutylen, Styrol und N-Vinylbenzothiazol.
Geschichte
Die Entwicklung der lebenden kationischen Polymerisation begann in den 1970er und 1980er Jahren, als namhafte Forscher wie Higashimura und Sawamoto wichtige Experimente in mehreren Polymerisationssystemen durchführten, die die Technologie voranbrachten. Während dieser Zeit entdeckte die wissenschaftliche Gemeinschaft erstmals eine Methode zur Polymersynthese unter Verwendung von Jod und Säure als Initiatoren, was zum Makro-Engineering-Prozess von Polymeren führte.
IsobutylenpolymerisationDie lebende Isobutylenpolymerisation wird üblicherweise bei unter 0 °C in einem gemischten Lösungsmittelsystem durchgeführt, das ein unpolares Lösungsmittel wie Hexan und ein polares Lösungsmittel wie Chloroform oder Dichlormethan enthält. Bei diesem Verfahren kann der Initiator Alkohol, Halogen oder Ether sein und der Co-Initiator umfasst Borchlorid und dergleichen. Der erfolgreiche Polymermodul kann 160.000 g/Mol erreichen und der Polydispersitätsindex kann auf 1,02 kontrolliert werden.
Alkoholetherpolymerisation
Alkoholether (z. B. vom Typ CH2=CHOR) wurden ausführlich als sehr reaktive Monomere in der lebenden kationischen Polymerisation untersucht. Verwandte Systeme basieren meist auf Iod und Iodwasserstoffsäure und beinhalten Katalysatoren wie Zinkchlorid.
Ringöffnungspolymerisation
Bei der lebenden kationischen Ringöffnungspolymerisation ist das Monomer üblicherweise ein heterozyklisches Molekül wie Epoxid oder Tetrahydrofuran. Die sich ausbreitende Spezies in diesem Prozess ist kein Kohlenstoffkation, sondern ein Oxoniumion. Seine Beendigung ist jedoch relativ schwierig und erfolgt häufig aufgrund eines nukleophilen Angriffs durch die wachsende Polymerkette. Für diese Art der Polymerisation werden häufig Initiatoren mit starker Elektronenaffinität wie beispielsweise Trifluoridsäure verwendet.
Im Prozess der Lebensaggregation ist die Balance zwischen Aggregation und Beendigung der Schlüssel zum Erfolg oder Misserfolg.
Aus kommerzieller Sicht hat die lebende kationische Polymerisation nicht nur zu einer erhöhten Marktnachfrage nach präzise kontrollierten Polymerprodukten geführt, sondern aufgrund ihrer technologischen Reife und Stabilität auch die Anwendung vieler neuer Materialien ermöglicht. Auch die künftige Polymerforschung steht vor vielen neuen Herausforderungen, etwa der Frage, wie sich die Effizienz und Selektivität von Polymerisationsreaktionen weiter verbessern lässt. Gleichzeitig ist die Frage, ob sich die lebende kationische Polymerisation als Technologie, die sich ständig weiterentwickelt, als Katalysator für künftige industrielle Veränderungen eignen wird, eine lohnende Frage.
