Polimerización

Introducción

La polimerización es una reacción química por la cual los reactivos, monómeros (compuestos de bajo peso molecular), forman enlaces químicos entre sí, para dar lugar a una molécula de gran peso molecular (macromolécula), ya sea esta de cadena lineal o de estructura tridimensional, denominada polímero.

Estructura química del etileno (izq.) y el polietileno (der.)

Existen muchos tipos de polimerizaciones y varios sistemas de clasificación. Las categorías principales son:

Polimerización por adición y condensación.
Polimerización de crecimiento en cadena y en etapas.

Polimerización por adición y condensación

En una polimerización por adición, la molécula entera de monómero pasa a formar parte del polímero. Por otro lado, la polimerización por condensación, parte de la molécula de monómero se pierde cuando pasa a formar parte del polímero. Esa parte que se pierde es, por lo general, una molécula pequeña como agua o HCl gaseoso (cloruro de hidrógeno).

Polimerización por adición

Como se dijo anteriormente, una polimerización por adición se da cuando la molécula de monómero pasa a formar parte del polímero sin pérdida de átomos, es decir, la composición química de la cadena resultante es igual a la suma de las composiciones químicas de los monómeros que la conforman. Por lo cual, durante la polimerización por adición no se generan subproductos.

Un ejemplo para ilustrar este punto podría ser la síntesis del polietileno. Cuando se polimeriza el etileno para obtener polietileno (PE), cada átomo de la molécula de etileno se transforma en parte del polímero. El monómero es adicionado al polímero en su totalidad.

Polimerización por adición del polietileno

Polimerización por condensación

En una policondensación, la molécula de monómero pierde átomos cuando pasa a formar parte del polímero. Por lo general, se pierde una molécula pequeña. Por lo cual, en las polimerizaciones por condensación se generan subproductos. Los polímeros obtenidos por esta vía se los denomina polímeros de condensación.

Veamos un ejemplo para ilustrar este punto. En la obtención del nylon 6,6 (poliamida) a partir de cloruro de adipoilo y hexametilen diamina, cada átomo de cloro del cloruro de adipoilo juntamente con uno de los átomos de hidrógeno de la amina, son expulsados como HCl gaseoso (cloruro de hidrógeno).

Polimerización por condensación del nylon 6.6

Debido a que ahora hay menos masa en el polímero que en los monómeros originales, decimos que el polímero está condensado con respecto a los monómeros. El subproducto, ya sea HCl gaseoso, agua o cualquier otro, se denomina condensado.

Polimerización de crecimiento en cadena y en etapas

Este sistema de clasificación de las polimerizaciones nuevamente divide las reacciones de polimerización en dos categorías, que son:

Polimerizaciones por crecimiento de cadena

Polimerizaciones por crecimiento en etapas

Las diferencias entre polimerización por crecimiento de cadena y polimerización por crecimiento en etapas son un tanto más complicadas que las diferencias entre polimerización por adición y polimerización por condensación.

Polimerizaciones por crecimiento de cadena

En la polimerización por crecimiento en cadena los monómeros pasan a formar parte de la cadena “uno a la vez”. Primero se forman dímeros, después trímeros, a continuación tetrámeros, etc. De esta manera, la cadena se incrementa de uno en uno o, mejor dicho, de monómero a monómero.

Un ejemplo de una polimerización por crecimiento de cadena sería la polimerización aniónica (por formación de un carbo-anión) del estireno, para obtener poliestireno (PS):

Polimerización en cadena del poliestireno

Polimerizaciones por crecimiento en etapas

En la polimerización por crecimiento en etapas o pasos, es posible que un oligómero reaccione con otros, por ejemplo un dímero con un trímero, un tetrámero con un dímero, etc., de forma que la cadena se incrementa en más de un monómero. En la polimerización por crecimiento en etapas, las cadenas en crecimiento pueden reaccionar entre sí para formar cadenas aún más largas. Esto es aplicable a cadenas de todos los tamaños. En una polimerización por crecimiento de cadena sólo los monómeros pueden reaccionar con cadenas en crecimiento.

Un ejemplo sería la reacción entre dos monómeros, el cloruro de tereftoilo y el etilenglicol, para formar un poliéster llamado poli(etilen tereftalato) o mas comúnmente conocido como PET. Inicialmente reaccionan los dos monómeros para formar un dímero.

Polimerización por crecimiento en etapas del PET (I)

En este punto de un sistema de crecimiento de cadena, sólo podría suceder una cosa: que se adicione un tercer monómero al dímero para dar lugar a un trímero, luego un cuarto para formar un tetrámero y así sucesivamente. Pero en la polimerización por crecimiento en etapas, ese dímero puede reaccionar de otras formas diferentes. Obviamente, puede reaccionar con uno de los monómeros para formar un trímero:

Polimerización por crecimiento en etapas del PET (II)

Pero pueden suceder otras reacciones. Puede reaccionar con otro dímero para formar un tetrámero:

Polimerización por crecimiento en etapas del PET (III)

O puede reaccionar con un trímero para formar un pentámero.

Polimerización por crecimiento en etapas del PET (IV)

Estos tetrámeros y pentámeros pueden reaccionar para formar oligómeros aún más grandes y así crecer hasta que los oligómeros sean lo suficientemente grandes como para transformarse en polímeros.

Aclaración

Si bien gran parte de las polimerizaciones por crecimiento en cadena ocurren por poliadición y la mayoría de las polimerizaciones en etapas ocurren por policondensación, no siempre es así. Intentar conciliar el sistema de clasificación crecimiento en etapas-crecimiento de cadena con el sistema adición-condensación, es realmente una pérdida de tiempo. Cada uno tiene su propio criterio y las distinciones efectuadas por un sistema no siempre van a ser las mismas que las distinciones efectuadas por el otro.

Viendo los ejemplos presentados para cada uno de los diferentes tipos de polimerizaciones, erradamente se podría concluir que la polimerización por crecimiento en etapas y polimerización por condensación son lo mismo, y por otra parte, que polimerización por crecimiento de cadena y polimerización por adición también son lo mismo. Sólo que no es verdad. Existen polimerizaciones por adición que son polimerizaciones por crecimiento en etapas (un ejemplo es la polimerización que produce poliuretanos). También existen polimerizaciones por condensación que son polimerizaciones por crecimiento de cadena.

Fuentes:
http://www.pslc.ws
http://goldbook.iupac.org
Organic Chemistry - Jonathan Clayden, Nick Greeves y Stuart Warren