Kettenpolymerisation (engl. nachIUPACchain polymerization,^[1] im deutschen Sprachraum oft und nicht IUPAC-konform alsPolymerisation bezeichnet^[2]) ist eine Sammelbezeichnung fürKettenreaktionen, bei denen sich fortlaufend und ausschließlich gleiche oder unterschiedlicheMonomere an eine wachsendePolymerkette angliedern.^[3] Die wachsende Kette verfügt über mindestens einaktives Zentrum, an dem dieAddition der Monomere stattfindet. Je nach Struktur der aktiven Zentren lassen sich diePolymerisationen in radikalische, kationische, anionische und koordinative Kettenpolymerisationen unterteilen. Bei Kettenpolymerisationen findet bei der Addition keine Abspaltung von Nebenprodukten statt.

Keine Kettenpolymerisationen sindPolyadditionen undPolykondensationen, bei denen die Polymerisation imStufenwachstum erfolgen und damit Reaktionen zwischen Molekülen allerPolymerisationsgrade stattfinden.

Die radikalische Polymerisation umfasst im Wesentlichen vier Teilschritte:

1. Zerfall einesInitiators
2. Startreaktion, bei der das aktive Zentrum gebildet wird.
3. Wachstumsreaktion, bei der die makromolekulare Kette in einerKettenreaktion wächst (wiederholte Anlagerung derMonomere), und
4. Abbruchreaktion, bei der das Wachstum der Kette durchDisproportionierungsreaktionen oder Kombinierung irreversibel beendet wird.

Ein zugesetzter Initiator${\displaystyle \mathrm{I}}$ zerfällt unter Bildung von zweiRadikalen R^•. Der Zerfall wird in der Regel durch erhöhte Temperatur (40–90 °C) gefördert. Mit geeigneten Initiatoren kann der Zerfall beispielsweise auchphotochemisch eingeleitet werden.

${\displaystyle \mathrm{I}\underset{}{\overset{\mathrm{\Delta }}{\to }}2{\mathrm{R}}^{\bullet }}$

ZumKettenstart bricht das Radikal dieMehrfachbindung (beispielsweise eine C=C-Doppelbindung einerVinylgruppe) auf und erzeugt ein wachstumsfähiges Primärradikal:

An das Primärradikal lagern sich nun in einerWachstumsreaktion mit geringer Aktivierungsenergie ständigMonomere an.

Durch das Zusammentreffen zweier Radikale, also durch Kombination, wird einKettenabbruch hervorgerufen.

Des Weiteren kann einKettenabbruch durchDisproportionierung herbeigeführt werden.

Daneben kann eine gewisse Kontrolle über diemolare Masse erreicht werden, indem man der PolymerisationKettenüberträger hinzufügt.

Für jede der Teilreaktionen der radikalischen Polymerisation lassen sich Gleichungen für dieReaktionsgeschwindigkeiten formulieren. Die Kenntnis dieser Zusammenhänge ermöglicht es, den mittleren Polymerisationsgrad eines entstehenden Polymers zu steuern, sowie einige bei der Polymerisation auftretende Effekte zu deuten.

Die Geschwindigkeit${\displaystyle v_{\text{ini}}}$ der Initiation hängt von der Konzentration des Initiators${\displaystyle [I]}$ und von dem entsprechenden Geschwindigkeitskoeffizienten${\displaystyle k_{\text{ini}}}$ ab:

${\displaystyle v_{\text{ini}}=-\frac{\mathrm{d}[I]}{\mathrm{d}t}=k_{\text{ini}}\cdot [I]}$

Der Initiator-Zerfall liefert aber nicht unbedingt vollständig wirksameRadikale R*, da manche davon nicht einen Kettenstart verursachen, sondern anderweitig abreagieren oder rekombinieren. Dementsprechend wird ein Faktor eingeführt, der die Wirksamkeit des Initiatorzerfalls für den Kettenstart wiedergibt:

${\displaystyle \frac{\mathrm{d}[R\ast ]}{\mathrm{d}t}=2f\cdot k_{\text{ini}}\cdot [I]}$

Die Geschwindigkeit${\displaystyle v_{\text{w}}}$ des Kettenwachstums, also des Monomerverbrauchs, ist abhängig von der Monomerkonzentration${\displaystyle [M]}$, der Konzentration der Polymerradikale${\displaystyle [P\ast ]}$ und dem entsprechenden Geschwindigkeitskoeffizienten${\displaystyle k_{\text{w}}}$:

${\displaystyle v_{\text{w}}=-\frac{\mathrm{d}[M]}{\mathrm{d}t}=k_{\text{w}}\cdot [M]\cdot [P\ast ]}$

Die Geschwindigkeit${\displaystyle v_{\text{stop}}}$ der Rekombination, also des Verbrauchs an Polymerradikalen P*, hängt quadratisch von deren Konzentration${\displaystyle [P\ast ]}$ ab und natürlich vom Koeffizienten${\displaystyle k_{\text{stop}}}$:

${\displaystyle v_{\text{stop}}=-\frac{\mathrm{d}[P\ast ]}{\mathrm{d}t}=k_{\text{stop}}\cdot [P\ast {]}^2}$

Die Geschwindigkeit der Übertragung${\displaystyle v_{\text{trans}}}$, hängt von der Konzentration des Überträgers${\displaystyle [Trans]}$, der Konzentration der Polymerradikale${\displaystyle [P\ast ]}$ und dem Koeffizienten${\displaystyle k_{\text{trans}}}$ ab:

${\displaystyle v_{\text{trans}}=k_{\text{trans}}\cdot [P\ast ]\cdot [Trans]}$

Aus den gegebenenGeschwindigkeitsgesetzen kann man eine Formel für die Wachstumsgeschwindigkeit herleiten. Diese gilt nur bei mittleren Umsätzen, gibt aber dann im Grunde die Bruttoreaktionsgeschwindigkeit an:

${\displaystyle v_{\text{w}}=k_{\text{w}}\cdot \sqrt{2f\cdot \frac{k_{\text{ini}}}{k_{\text{stop}}}}\cdot [M]\cdot \sqrt{[I]}}$

Ebenso kann man das Zahlenmittel desPolymerisationsgrades${\displaystyle {\overline{X}}_n}$ bestimmen. Es ergibt sich aus dem Verhältnis der Wachstumsgeschwindigkeit zu den Geschwindigkeiten aller Reaktionen, bei denen das Wachstum abbricht:

${\displaystyle {\overline{X}}_n=\frac{v_{\text{w}}}{v_{\text{stop}}+v_{\text{trans}}}}$

Der amerikanische ChemikerFrank R. Mayo hat daraus eine Formel abgeleitet, mit der man entweder dieÜbertragungskonstante${\displaystyle C=k_{\text{trans}}/k_{\text{w}}}$ für ein Gemisch von Monomer und Überträger berechnen kann, oder den mittleren Polymerisationsgrad des entstehenden Polymers, wenn man konkrete Mengen Monomer und Überträger mischt:

${\displaystyle \frac{1}{{\overline{X}}_n}=\frac{1}{{\overline{X}}_{n,0}}+\frac{k_{\text{trans}}}{k_{\text{w}}}\cdot \frac{[Trans]}{[M]}=\frac{1}{{\overline{X}}_{n,0}}+C\cdot \frac{[Trans]}{[M]}}$

Darin ist${\displaystyle {\overline{X}}_{n,0}}$ das Zahlenmittel des Polymerisationsgrades bei Abwesenheit eines Überträgers.

Der Verlauf einer Synthese über radikalische Polymerisation wird im einfachsten Fall nur über den Verbrauch der Monomere (als Bruttoreaktionsgeschwindigkeit) beobachtet und wird durch mehrere Faktoren bestimmt:

• Die Addition der Monomere an eine aktive Kette erfolgtsehr schnell und wird hauptsächlich von der Diffusion der Monomere zum aktiven Zentrum der wachsenden Kette bestimmt.
• Die Lebensdauer einer wachsenden Kette bis zur Abbruchreaktion ist im Vergleich zum Zeitraum der gesamten Synthese kurz.
• Über den gesamten Zeitraum der Synthese erfolgt fortwährend neue Startreaktionen durch fortwährenden Zerfall des Initiators. Die Zerfallsreaktion hat eine recht hoheAktivierungsenergie und ist damit temperaturabhängig.
• Eine radikalische Polymerisation istexotherm, da die schwächerenπ-Bindungen der Doppelbindung des Monomers in stärkereσ-Bindungen des Makromoleküls überführt werden.

Die Umsetzung einer Mischung aus Monomer und Initiator (Substanzpolymerisation, auch Masse-Verfahren genannt) in einem geschlossenen Reaktor (Batch-Prozess) scheint der einfachste Fall zu sein:

Bei sehr kleinen Umsatz (< 0,01 %) entstehen zunehmend Initiator-Radikale und oligomere Radikale. Die Bruttoreaktionsgeschwindigkeit steigt rasant an und geht in einen kontinuierlichen Reaktionsverlauf über: Die Bruttoreaktionsgeschwindigkeit sinkt dabei kontinuierlich ab, da die Konzentration der Monomere durch die steigende Konzentration der Makromoleküle fällt. Die Konzentration der wachsenden Ketten (Kettenradikale) ist jedoch nahezu konstant (quasistationärer Zustand nach demBodenstein’sches Quasistationaritätsprinzip).

Ab dem Bereich von 20 bis 40 % Umsatz der Monomere ändern sich die Eigenschaften des Reaktionsgemisches deutlich, da die Monomere auch als Lösemittel für die Makromoleküle wirken. DieViskosität des Reaktionsgemisches nimmt zu und die Polymerradikale sind wegen ihrer Größe diffusionsgehindert. Das hat zur Folge, dass weniger Abbruchreaktionen durch Kombination zweier wachsender Ketten stattfinden. Der Initiator zerfällt weiterhin und bildet neue wachsende Ketten, die mit den weiterhin mobilen Monomeren reagieren. Die Polymerisation unterliegt einer Selbstbeschleunigung, die auch als Gel- oderTrommsdorff-Norrish-Effekt bezeichnet wird. Da die Polymerisation exotherm ist und eine höhere Temperatur die Initiierung fördert, droht Explosionsgefahr, besonders wenn die Abführung der Wärme aus dem Reaktor nicht gelingt. Ab etwa 80 % Umsatz tritt der Glas-Effekt ein: Die Polymere und Kettenradikale sind mittlerweile unbeweglich, dass das Reaktionsgemisch langsam erstarrt (Glaszustand). Die übrigen Monomere sind im Reaktionsgemisch zunehmend unbeweglich, weswegen die Bruttoreaktionsgeschwindigkeit immer langsamer fortschreitet. Ein vollständiger Umsatz der Monomere wird i. d. R. nicht erreicht.Wegen des Gel-Effekts werden Substanzpolymerisationen im technischen Maßstab nur begrenzt weit geführt und abgebrochen, da nur ungenügend Wärme abgeführt werden kann. Alternativen bieten anderetechnische Verfahren, im einfachsten Fall die Verwendung von Lösemitteln, um den Gel-Effekt zu vermindern und den Glaszustand zu vermeiden.

Ein Spezialfall der radikalischen Polymerisation ist diePopcorn-Polymerisation.

Durch Zusatz von 'Kontrollreagenzien' ist es möglich, Abbruchreaktionen der radikalischen Polymerisation zu unterdrücken, indem die wachsenden Ketten in einemdynamisches Gleichgewicht mit einem „schlafenden“ Zustand der aktiven Zentren gebracht werden.

Während sich bei konventionellen radikalischen Polymerisationen Molekulargewicht und Polydispersität kaum kontrollieren lassen, erlaubt eineKontrollierte radikalische Polymerisation (CRP) die Herstellung von Polymeren mit kleinerPolydispersität (enge Molmassenverteilung) und beispielsweise niedrigem Molekulargewicht.

Bei einer kontrollierten radikalischen Polymerisation finden am Anfang der Synthese alle Initiierungen statt, da die Wachstumsreaktionen im Mittel nur langsam erfolgen. Zu jedem Zeitpunkt der Synthese liegt nur eine sehr geringe Konzentration von Teilchen mit reaktiver Kettenenden vor, da die meisten initiierten Ketten im „schlafenden“ Zustand sind. Die meisten initiierten Teilchen durchleben mit zeitweiligen „wachsen“ und zeitweiligem „schlafen“ den gesamten Syntheseverlauf, d. h. bis die Monomere aufgebraucht sind. Dies erlaubt beispielsweise einen anschließenden Zusatz eines Comonomers B, was zur Bildung vonBlockcopolymeren (AAAABBB) führt.

Einige Kontrollreagenzien werden Inifer-Reagenzien (engl.:iniator transfer agent) genannt und zerfallen in ein aktives Radikal (dem Initiator der Polymerisation) und ein recht stabiles, persistentes Radikal, das nicht initiieren kann, aber durch Addition an ein aktives Zentrum die Kette reversibel in eine „schlafenden“ Zustand überführt. Beispiele für ein solches Verfahren ist dieAtom Transfer Radical Polymerization (ATRP) und dieNitroxid-vermittelte radikalische Polymerisation (NMRP). Eine weitere Methode ist dieRAFT-Polymerisation (engl.: Reversible addition-fragmentation chain transfer), bei der ein herkömmlicher Initiator verwendet wird und sich als „schlafender“ Zustand ein Adduktradikal bildet.

Als Starter fungiert hier beispielsweise eine Säure wieFluorborsäure, welche in derStartreaktion eine Monomereinheit an der Doppelbindung protoniert.

Bei derWachstumsreaktion wird das aus der Startreaktion resultierendeKation an ein weiteres Monomer addiert, wobei wiederum ein Kation entsteht.

EineAbbruchreaktion, wie bei derradikalischen Polymerisation, tritt nicht auf. Allerdings kann durch eineEliminierungsreaktion ein Proton auf eine neue Monomereinheit übertragen werden.

Somit wird das Wachsen der Kette abgebrochen und ein Proton steht für eine weitere Startreaktion zur Verfügung.

Hier stellt die wachsende Kette einAnion dar, gestartet wird eine solche Reaktion durchLithiumorganyle oderGrignard-Verbindungen. Häufig kann dabei keine Übertragungs- oder Abbruchreaktion formuliert werden, man spricht dann von einerlebenden Polymerisation. Dadurch können häufig Polymere mit sehr einheitlicher Kettenlänge (Polydispersität nahe eins) gewonnen werden. Anionische Polymerisationsreaktionen sind im Allgemeinen empfindlich gegen geringste Wasserspuren und erfordern daher sehr gründlichabsolutierte Ausgangsstoffe.

Die Herstellung vonPolyoxymethylen (POM) kann über eine anionische Kettenpolymerisation vonFormaldehyd erfolgen:

Initiierung der Polymerisation erfolgt durch eine Base, wieNatriummethanolat.

${\displaystyle {\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-{\mathrm{O}}^{-}\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{O}⟶{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{O}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-{\mathrm{O}}^{-}\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}}$

Das Wachstum erfolgt als Kettenpolymerisation:

${\displaystyle {\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{O}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-{\mathrm{O}}^{-}\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{O}⟶{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{O}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{O}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-{\mathrm{O}}^{-}\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}}$

${\displaystyle \underset{}{\overset{+{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{O}}{\to }}\underset{}{\overset{+{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{O}}{\to }}\underset{}{\overset{+{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{O}}{\to }}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{O}(-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{O}{)}_{\mathit{n}}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-{\mathrm{O}}^{-}\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}}$

Abbruch tritt durch Spuren von Wasser oder Methanol auf:

${\displaystyle {\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{O}(-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{O}{)}_{\mathit{n}}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-{\mathrm{O}}^{-}\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}⟶{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}-\mathrm{O}(-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{O}{)}_{\mathit{n}}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}}$

DieKatalysatoren sindÜbergangsmetallverbindungen, deren Struktur so zu charakterisieren ist, dass einZentralatom (das Metall-Ion) derart vonLiganden umgeben ist, dass ein Monomer und die Polymerkette daran anlagern (koordinieren) können. Das Prinzip beruht auf einer Aktivierung der Monomere aufgrund der Wechselwirkung des Monomers mit dem Metall. Die Doppelbindung im Monomer wird hierdurch geschwächt und die Anlagerung eines zweiten Monomers initiiert. Zur Stabilisierung der so entstandenenKomplexverbindung schiebt sich das Monomer in die bereits vorhandene Polymerkette ein und ein weiteres Monomer wird angelagert usw. Die Polymerisationsreaktion wird so in die Wege geleitet. Das Verfahren wird auchInsertionspolymerisation genannt.

Der Vorteil der Koordinationspolymerisation liegt darin, dass je nach Wahl von Katalysator und Monomeren dieTaktizität des entstehenden Polymers gesteuert werden kann, die wesentlichen Einfluss auf die Polymereigenschaft haben kann.

Es gibt verschiedene Arten von Koordinationspolymerisationen mit unterschiedlichen Mechanismen. Die wichtigste ist die nach ihren Entdeckern benannteZiegler-Natta-Polymerisation, die es erlaubt, bei niedrigen Temperaturen und niedrigen Drücken zum BeispielEthen zu linearemPolyethylen hoher Dichte (PE-HD) umzusetzen. Von großer Bedeutung ist zudem die Polymerisation mitMetallocen-Katalysatoren.

Speziellere Arten der Koordinationspolymerisation wie dieringöffnende Metathesepolymerisation (Ring-opening metathesis polymerisation, ROMP) finden ihre Anwendung bei der Herstellung von Spezialpolymeren, die mittels Ringöffnung und Verknüpfung cyclischer Monomere durch Übergangsmetallkatalysatoren produziert werden.

• Substanzpolymerisation (auch Massen- oder Blockpolymerisation genannt): Monomer reagiert mit Initiator in reiner Form ohne Lösemittel
• Lösungspolymerisation: Monomer und Polymer inLösungsmittel gelöst^[4]
• Fällungspolymerisation: Monomer in Lösungsmittel gelöst, Polymer fällt aus^[4][5]
• Emulsionspolymerisation: Monomer durchEmulgator in Wasser gelöst, Polymer fällt aus^[4]
• Suspensionspolymerisation: Monomer durch Rühren und Stabilisatoren in Wasser suspendiert (kleine Tropfen), Polymer fällt aus
• Gasphasenpolymerisation: gasförmiges Monomer hält Polymerkörner inWirbelbett^[4]
• Polymerisation monomolekularer Schichten nach Langmuir-Blodgett^[4]

• J. M. G. Cowie:Chemie und Physik der synthetischen Polymeren., Vieweg, 2 Ed., 1991.
• K. Matyjaszewski, T.P. Davis: Handbook of Radical Polymerization. Wiley, 2002.
• B. Tieke:Makromolekulare Chemie, Wiley-VCH, 2002.
• H. G. Elias:Makromoleküle, Wiley-VCH, 2002.

Commons: Kettenpolymerisation – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Polymerisationsverfahren in der Chemgapedia
• 2-Dimensionale Animation einer Radikalischen Kettenpolymerisation anhand vonPolyvinylchlorid (PVC)

1. ↑Eintrag zuchain polymerization. In:IUPAC (Hrsg.):Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”.doi:10.1351/goldbook.C00958 – Version: 2.3.2.
2. ↑Eintrag zuPolymerisation. In:Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 13. Juni 2014.
3. ↑Bernd Tieke,Makromolekulare Chemie, 3. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim, 2014, S. 60ff.
4. ↑^abcdeManfred D. Lechner, Klaus Gehrke, Eckhard Nordmeier:Makromolekulare Chemie: ein Lehrbuch für Chemiker, Physiker, Materialwissenschaftler und Verfahrenstechniker. 4. Auflage. Birkhäuser, Basel / Boston MA / Berlin 2010,ISBN 978-3-7643-8890-4,S. 160–170 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
5. ↑Karlheinz Biederbick:Kunststoffe, 4. Auflage, Vogel-Verlag, Würzburg, 1977, S. 60,ISBN 3-8023-0010-6.

• Polymerbildende Reaktion