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<!DOCTYPE html>

<title>Copolymerisation</title>

</head>

<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Copolymerisation</span></h1>

</header>

</div>

<div id="mw-content-text" class="mw-body-content mw-content-ltr" lang="de" dir="ltr"><div class="mw-content-ltr mw-parser-output" lang="de" dir="ltr"><p>Die <b>Copolymerisation</b> ist eine Sonderform einer <a href="Polyreaktion" class="mw-redirect" title="Polyreaktion">Polyreaktion</a>. Sie unterscheidet sich von der „einfachen“ Polyreaktion dadurch, dass statt eines <a href="Monomer" title="Monomer">Monomers</a> (= Homopolymerisation) ein Gemisch von zwei oder mehreren chemisch unterschiedlichen Monomeren eingesetzt wird. Das <a href="Produkt_(Chemie)" title="Produkt (Chemie)">Produkt</a> der Copolymerisation ist ein <a href="Copolymer" title="Copolymer">Copolymer</a>.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Allgemeines">Allgemeines</h2></div>

<p>Im Gegensatz zur einfachen <i>Homopolymerisation</i>, bei der nur eine einzige <a href="Monomer" title="Monomer">Monomerart</a> zum Einsatz kommt, werden bei der Copolymerisation verschiedene Monomere gleichzeitig oder nacheinander zur Reaktion gebracht. Das <a href="Produkt_(Chemie)" title="Produkt (Chemie)">Produkt</a> der Copolymerisation ist ein <a href="Copolymer" title="Copolymer">Copolymer</a>, das unterschiedliche Monomerarten in <i>einem</i> Molekül besitzt. Je nach der Verteilung der verschiedenen Monomerarten im Polymer unterscheidet man zwischen statistischen, alternierenden, Block- und Pfropf-Copolymeren.

</p><p>Copolymerisation macht eine Vielzahl von Werkstoffen zugänglich. Durch Abstimmung der Art und Molverhältnisse der Monomeren im Polymer lassen sich viele Eigenschaften über einen weiten Bereich variieren. Eine wichtige Klasse sind die <a href="Thermoplastische_Elastomere" title="Thermoplastische Elastomere">thermoplastischen Elastomere</a>. Diese werden bei erhöhter Temperatur zu Thermoplasten und können wie diese einfach verarbeitet werden. Nach Erkalten zeigen sie wieder (gummi)elastische Eigenschaften. Auch <a href="Weichmacher" title="Weichmacher">Weichmachung</a> (Innere Weichmachung) ist durch Copolymerisation erreichbar. Ein externer Weichmacher wird dann nicht mehr benötigt.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Reaktionskinetik">Reaktionskinetik</h2></div>

<p>Für die Prozessführung der Synthese ist es wichtig zu wissen, welche Zusammensetzung das Copolymer haben soll. Dementsprechend müssen die Monomere eingesetzt werden. Betrachtet man zunächst die Synthese eines Copolymeren aus zwei Monomeren (für höhere Systeme gilt das Modell entsprechend). Grundsätzlich sind vier Einzelreaktionen am Kettenende eines Makromoleküls zu dessen Propagation möglich:

</p>

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \backsim M_{1}^{\bullet }+M_{1}{\xrightarrow {k_{11}}}\backsim M_{1}M_{1}^{\bullet }}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/8aeed4fdde5aecbe002f78f43efcbd302d1cd638.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -1.005ex; margin-top: -0.359ex; width:25.794ex; height:4.509ex;" alt="{\displaystyle \backsim M_{1}^{\bullet }+M_{1}\xrightarrow {k_{11}} \backsim M_{1}M_{1}^{\bullet }}" loading="lazy"></span></dd>

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \backsim M_{1}^{\bullet }+M_{2}{\xrightarrow {k_{12}}}\backsim M_{1}M_{2}^{\bullet }}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/fc6a0625e8b14342ef8000c93cde15e23987a7d4.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -1.005ex; margin-top: -0.359ex; width:25.794ex; height:4.509ex;" alt="{\displaystyle \backsim M_{1}^{\bullet }+M_{2}\xrightarrow {k_{12}} \backsim M_{1}M_{2}^{\bullet }}" loading="lazy"></span></dd>

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \backsim M_{2}^{\bullet }+M_{1}{\xrightarrow {k_{21}}}\backsim M_{2}M_{1}^{\bullet }}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/45778b5131dbb764df29604ee0bfb0483c1c0225.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -1.005ex; margin-top: -0.359ex; width:25.794ex; height:4.509ex;" alt="{\displaystyle \backsim M_{2}^{\bullet }+M_{1}\xrightarrow {k_{21}} \backsim M_{2}M_{1}^{\bullet }}" loading="lazy"></span></dd>

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle \backsim M_{2}^{\bullet }+M_{2}{\xrightarrow {k_{22}}}\backsim M_{2}M_{2}^{\bullet }}</annotation>

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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/e227dc26fae4e7d15388b28f483f31987ffaa3dd.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -1.005ex; margin-top: -0.359ex; width:25.794ex; height:4.509ex;" alt="{\displaystyle \backsim M_{2}^{\bullet }+M_{2}\xrightarrow {k_{22}} \backsim M_{2}M_{2}^{\bullet }}" loading="lazy"></span></dd></dl>

<p>Aus den vier <a href="Geschwindigkeitskonstante" title="Geschwindigkeitskonstante">Geschwindigkeitskonstanten</a> erstellt man nun Quotienten, die auch <b>Copolymerisationsparameter</b> genannt werden:

</p>

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle r_{1}={\frac {k_{11}}{k_{12}}}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/16e05ebb8e21c25daa1e7b95f44d0aa119905e92.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -2.338ex; width:9.125ex; height:5.843ex;" alt="{\displaystyle r_{1}={\frac {k_{11}}{k_{12}}}}" loading="lazy"></span> und <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle r_{2}={\frac {k_{22}}{k_{21}}}}">

<msub>

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</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle r_{2}={\frac {k_{22}}{k_{21}}}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/e4fa1735a7912126f36b3e5627935817e07f3f21.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -2.338ex; width:9.125ex; height:5.843ex;" alt="{\displaystyle r_{2}={\frac {k_{22}}{k_{21}}}}" loading="lazy"></span></dd></dl>

<p>Die Parameter geben die Wahrscheinlichkeit an, mit der das Monomer M<span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle _{1}}">

<msub>

</mrow>

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</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle _{1}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/f2ba40f8c6352c15d10bd07a9a102d37e6141941.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:1.054ex; height:1.676ex;" alt="{\displaystyle _{1}}" loading="lazy"></span> oder M<span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle _{2}}">

<msub>

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</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle _{2}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/98f5231ce90e0471b98ebc29a79b1cc769e992bd.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:1.054ex; height:1.676ex;" alt="{\displaystyle _{2}}" loading="lazy"></span> an ein Kettenende angelagert wird, welches eine M<span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle _{1}}">

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</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle _{1}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/f2ba40f8c6352c15d10bd07a9a102d37e6141941.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:1.054ex; height:1.676ex;" alt="{\displaystyle _{1}}" loading="lazy"></span> oder M<span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle _{2}}">

<msub>

</mrow>

</msub>

</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle _{2}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/98f5231ce90e0471b98ebc29a79b1cc769e992bd.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:1.054ex; height:1.676ex;" alt="{\displaystyle _{2}}" loading="lazy"></span> Gruppe trägt.

</p>

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</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle r_{1}<1}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/c5bf48febbdce8f31c23d7dce42388c901042cbc.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:6.364ex; height:2.509ex;" alt="{\displaystyle r_{1}<1}" loading="lazy"></span>, wird das Monomer 2 bevorzugt an das Kettenende 1 angelagert. Für <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle r_{1}>1}">

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</mstyle>

</mrow>

<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle r_{1}>1}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/6985068ce3326fa8a800f1401c9ab12374977efa.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:6.364ex; height:2.509ex;" alt="{\displaystyle r_{1}>1}" loading="lazy"></span> ist es genau umgekehrt. Sind beide Parameter gleich eins, so ist keine der vier Reaktionen bevorzugt, und es kommt zu einem rein statistisch verteilten Copolymer. Aus dem <a href="Geschwindigkeitsgesetz" title="Geschwindigkeitsgesetz">Geschwindigkeitsgesetz</a>

</p>

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle {\frac {dM_{1}}{dM_{2}}}={\frac {m_{1}}{m_{2}}}={\frac {M_{1}}{M_{2}}}\cdot {\frac {r_{1}M_{1}+M_{2}}{r_{2}M_{2}+M_{1}}}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/725e6b7bb8cdb1bfd6bf87c9591b8d54e3f87de6.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -2.338ex; width:33.708ex; height:5.843ex;" alt="{\displaystyle {\frac {dM_{1}}{dM_{2}}}={\frac {m_{1}}{m_{2}}}={\frac {M_{1}}{M_{2}}}\cdot {\frac {r_{1}M_{1}+M_{2}}{r_{2}M_{2}+M_{1}}}}" loading="lazy"></span></dd></dl>

<p>lassen sich die <a href="Molenbruch" class="mw-redirect" title="Molenbruch">Molenbrüche</a> im Polymer berechnen, da der Quotient von Geschwindigkeitskonstanten eine <a href="Gleichgewichtskonstante" class="mw-redirect" title="Gleichgewichtskonstante">Gleichgewichtskonstante</a> ist. Trägt man den Molenbruch einer Monomerspezies im Reaktionsansatz gegen ihren Molenbruch im Polymer auf, so erhält man das abgebildete Copolymerisationsdiagramm. Der Schnittpunkt der Kurven mit der Winkelhalbierenden (hier grün) stellt den <b>azeotropen Punkt</b> dar. Wird eine Reaktion unter diesen Bedingungen geführt, ist der Molenbruch einer Spezies im Reaktionsansatz genauso groß wie im resultierenden Polymer. In anderen Fällen kommt es zu einer Verschiebung des Molenbruchs während der Reaktion. Dies wird als <b>Drift</b> bezeichnet.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Reaktivität_der_Monomere"><span id="Reaktivit.C3.A4t_der_Monomere"></span>Reaktivität der Monomere</h2></div>

<p>Die Reaktivität der Monomere und somit das Einbauverhalten der Monomerkomponenten in das Copolymer werden grundlegend durch zwei Faktoren dominiert.

</p>

<ul><li>Resonanzeffekte</li>

<li>Polaritätseffekte</li></ul>

<p>Die Reaktivität eines Monomers kann durch seine kinetische Aktivität beschrieben werden. Das Copolymerisationsverhalten wird durch den Copolymerisationsparameter r bestimmt und ist folglich eine Funktion der Reaktivitäten der einzelnen Monomere.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Resonanzeffekte">Resonanzeffekte</h3></div>

<p>Die Reaktivität eines Vinylmonomer wird durch die Struktur seines Substituenten determiniert. <a href="Mesomerie" title="Mesomerie">Resonanzstabilisierte</a> Vinylgruppen weisen je nach Stärke der Stabilisierung eine erhöhte Aktivität des Monomers gegenüber dem Radikal auf. Stark resonanzstabilisierte Vinylmonomere sind reaktive Monomere und zugleich reaktionsträge Radikale. Dies kann zur Folge haben, dass bei einer ungeeigneten Monomerkombination (z. B.: Styrol/Vinylacetat), Homopolymerisation eintritt, da die Reaktivität der beiden Komponenten zu unterschiedlich ausgeprägt sind (r<sub>1</sub>=55, r<sub>2</sub>=0,01).

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Polaritätseffekte"><span id="Polarit.C3.A4tseffekte"></span>Polaritätseffekte</h3></div>

<p>Einen großen Einfluss auf das Copolymerisationsverhalten hat darüber hinaus die Polarisierung der vinylischen Doppelbindung. Elektronenziehende Substituenten (EWG's) erniedrigen die Elektronendichte der Doppelbindung, wohingegen Elektronendonoren diese erhöhen.

Zu den Elektronenziehenden Gruppen zählen Molekülstrukturen mit ausgeprägten <a href="Induktiver_Effekt" title="Induktiver Effekt">−I-</a> oder <a href="Mesomerer_Effekt" title="Mesomerer Effekt">−M-Effekt</a>, wie Ester, Ketone oder Cyanide. Den Elektronendonoren, solche mit +I- oder +M-Eigenschaften, können Alkyle oder Ether zugeordnet werden.

Eine Monomerkombination von Monomeren unterschiedlicher Polarität zeigen dabei eine Neigung zur alternierenden Monomerabfolge im Copolymer. Sind die Polaritäten einander ähnlich so erfolgt eine statistische Abfolge.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Q-e-Schema">Q-e-Schema</h3></div>

<p>Eine semiempirische Methode der Zuordnung von Reaktivitäten Q und Polaritäten e an Monomerverbindungen wurde von Alfrey und Price beschrieben. Mit dieser Methode lassen sich Reaktivitätsverhältnisse allein aufgrund dieser beiden Parameter berechnen. Die grafische Auftragung der Reaktivitäten verschiedener Monomere im Q-e-Koordinatensystem wird auch als Q-e-Schema bezeichnet.<br>

Die Geschwindigkeitskonstante eines Polymerwachstumsschritt wird durch die <a href="Arrhenius-Gleichung" title="Arrhenius-Gleichung">Arrhenius-Gleichung</a> beschrieben. Die Faktoren Reaktivität Q und Polarität e sind in die Aktivierungsenergie integriert, wodurch folgende Beziehung angegeben werden kann.

</p>

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle k_{12}=A_{12}\cdot e^{-(p_{1}+q_{2}+e_{1}\cdot e_{2})}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/f717fb00c8c57acaea3c7d301a04c368f91f74da.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:24.791ex; height:3.176ex;" alt="{\displaystyle k_{12}=A_{12}\cdot e^{-(p_{1}+q_{2}+e_{1}\cdot e_{2})}}" loading="lazy"></span></dd></dl>

<p>Hierbei sind p<sub>1</sub> die Reaktivität des aktiven Kettenendes, q<sub>1</sub> die des Monomers und e<sub>1</sub> und e<sub>2</sub> die Polaritäten von aktiven Kettenende und Monomer. Die Reaktivitäten können dabei in den <a href="Sto%C3%9Ftheorie" title="Stoßtheorie">Frequenzfaktor</a> A<sub>12</sub> eingezogen werden, so dass man folgende Beziehung erhält.

</p>

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle k_{12}=P_{1}\cdot Q_{2}\cdot e^{-e_{1}\cdot e_{2}}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/ff23b3762993f3e43878082abd3961982a403699.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:21.23ex; height:2.843ex;" alt="{\displaystyle k_{12}=P_{1}\cdot Q_{2}\cdot e^{-e_{1}\cdot e_{2}}}" loading="lazy"></span></dd></dl>

<p>Die Parameter Q (P) und e werden aus experimentellen Befunden (ermittelte r<sub>1</sub>, r<sub>2</sub> Werte) bestimmt und in Relation zum Standard <a href="Styrol" title="Styrol">Styrol</a> gesetzt, der willkürlich die Werte Q=1 und e= −0,8 zugeordnet bekommen hat.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Literatur">Literatur</h2></div>

<ul><li>B. Tieke: <i>Makromolekulare Chemie.</i> Wiley-VCH, 2005, ISBN 3-527-31379-6.</li></ul>

<div>

Normdaten (Sachbegriff): <a href="Gemeinsame_Normdatei" title="Gemeinsame Normdatei">GND</a>: <span class="-print"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://d-nb.info/gnd/4070106-2">4070106-2</a></span> </div>

</div></div></div><div><div class="zim-footer">

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</div>

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</div>

</main>

</div>

</body></html>