Química macromolecular
La química de polímeros es una subdisciplina de la química que se centra en la síntesis química, la estructura, las propiedades químicas y físicas de los polímeros y las macromoléculas. Los principios y métodos utilizados para los polímeros en química son comunes a las subdisciplinas de la química, química analítica y química física. Muchos materiales tienen estructuras poliméricas, desde metales y cerámicas totalmente inorgánicas hasta ADN y otras moléculas biológicas, sin embargo, la química de polímeros se hace referencia típicamente en el contexto de composiciones orgánicas sintéticas. Los polímeros sintéticos son omnipresentes en los materiales comerciales y en los productos de uso cotidiano, comúnmente conocidos como plásticos, gomas y compuestos . La química de polímeros también se puede incluir en los campos más amplios de la ciencia de los polímeros o incluso de la nanotecnología , y ambos pueden describirse como que abarcan la física de polímeros y la ingeniería de polímeros.
Los polímeros son compuestos de alto peso molecular formados por polimerización de monómeros . La molécula reactiva simple de la cual se derivan las unidades estructurales repetitivas de un polímero se llama monómero. Un polímero se puede describir de muchas maneras: su grado de polimerización, distribución de masa molar, táctica , distribución de copolímero, grado de ramificación, por sus grupos finales, reticulaciones, cristalinidad y propiedades térmicas, como su temperatura de transición vítrea y temperatura de fusión. Los polímeros en solución tienen características especiales con respecto a la solubilidad , viscosidad y gelificación. Para ilustrar los aspectos cuantitativos de la química de polímeros, se presta especial atención a los pesos moleculares promedio en número y peso promedio y , respectivamente
La formación y las propiedades de los polímeros han sido racionalizadas por muchas teorías que incluyen la teoría de Scheutjens-Fleer, la teoría de la solución de Flory-Huggins, el mecanismo de Cossee-Arlman, la teoría del campo de polímeros, la teoría de la nucleación de Hoffman, la teoría de Flory-Stockmayer y muchos otros.
Los polímeros pueden subdividirse en biopolímeros y polímeros sintéticos según su origen. Cada una de estas clases de compuestos se puede subdividir en categorías más específicas en relación con su uso y propiedades.
Los biopolímeros son los materiales estructurales y funcionales que comprenden la mayor parte de la materia orgánica en los organismos. Una clase importante de biopolímeros son las proteínas, que se derivan de los aminoácidos. Los polisacáridos, como la celulosa, la quitina y el almidón , son biopolímeros derivados de los azúcares. Los ácidos nucleicos, ADN y ARN se derivan de azúcares fosforilados con nucleótidos colgantes que transportan información genética.
Los polímeros sintéticos son los materiales estructurales que se manifiestan en plásticos, fibras sintéticas, pinturas, materiales de construcción, muebles, piezas mecánicas y adhesivos. Los polímeros sintéticos se pueden dividir en polímeros termoplásticos y plásticos termoestables. Los polímeros termoplásticos incluyen polietileno , teflón , poliestireno , polipropileno , poliéster , poliuretano , poli (metacrilato de metilo) , cloruro de polivinilo , nylons y rayón . Los plásticos termoestables incluyen caucho vulcanizado , baquelita , Kevlar y poliepóxido. Casi todos los polímeros sintéticos se derivan de productos petroquímicos .
Los polímeros son componentes principales de los materiales compuestos , como la fibra de carbono - epoxi .
El trabajo de Henri Braconnot en 1777 y el trabajo de Christian Schönbein en 1846 llevaron al descubrimiento de la nitrocelulosa , que, cuando se trató con alcanfor, produjo celuloide. Disuelto en éter o acetona, es colodión, utilizado como apósito para heridas desde la Guerra Civil de los Estados Unidos . El acetato de celulosa se preparó por primera vez en 1865. En los años 1834-1844, se encontró que las propiedades del caucho ( poliisopreno ) mejoraron en gran medida al calentar con azufre, por lo que se encontró el proceso de vulcanización.
En 1884, Hilaire de Chardonnet comenzó la primera planta de fibra artificial a base de celulosa regenerada, o rayón de viscosa, como sustituto de la seda, pero era muy inflamable. En 1907, Leo Baekeland inventó el primer polímero sintético, una resina de fenol - formaldehído termoestable llamada baquelita . Casi al mismo tiempo, Hermann Leuchs informó sobre la síntesis de aminoácidos N-carboxianhídridos y sus productos de alto peso molecular tras la reacción con nucleófilos, pero no llegó a referirse a estos como polímeros, posiblemente debido a las fuertes opiniones expuestas por Emil Fischer, su respuesta directa. supervisor, negando la posibilidad de que cualquier molécula covalente supere los 6,000 daltons. El celofán fue inventado en 1908 por Jocques Brandenberger, quien trató láminas de rayón de viscosa con ácido.
Hermann Staudinger , padre de la química de polímeros.
Wallace Carothers , inventor del nylon.
Stephanie Kwolek , inventora de Kevlar .
El químico Hermann Staudinger propuso por primera vez que los polímeros consistían en largas cadenas de átomos unidos por enlaces covalentes , que denominó macromoléculas. Su trabajo amplió la comprensión química de los polímeros y fue seguido por una expansión del campo de la química de los polímeros durante la cual se inventaron materiales poliméricos como el neopreno, el nailon y el poliéster. Antes de Staudinger, se pensaba que los polímeros eran agrupaciones de pequeñas moléculas ( coloides ), sin pesos moleculares definidos, unidas por una fuerza desconocida. Staudinger recibió el Premio Nobel de Química en 1953. Wallace Carothers inventó el primer caucho sintético llamado neopreno en 1931, el primer poliéster , e inventó el nylon , un verdadero reemplazo de la seda, en 1935. Paul Flory fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1974 por su trabajo sobre configuraciones de bobinas al azar de polímeros en solución en la década de 1950. Stephanie Kwolek desarrolló un aramida o nailon aromático llamado Kevlar , patentado en 1966. Karl Ziegler y Giulio Natta recibieron un Premio Nobel por su descubrimiento de catalizadores para la polimerización de alquenos . Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron el Premio Nobel de Química 2000 por el desarrollo de poliacetileno y polímeros conductores relacionados. El poliacetileno en sí mismo no encontró aplicaciones prácticas, pero los diodos orgánicos emisores de luz (OLED) surgieron como una aplicación de polímeros conductores.
Los programas de enseñanza e investigación en química de polímeros se introdujeron en la década de 1940. Un Instituto de Piel Makromolekulare Chemie fue fundado en 1940 en Friburgo, Alemania, bajo la dirección de Staudinger. En América, un Instituto de Investigación de Polímeros (PRI) fue establecido en 1941 por Herman Mark en el Instituto Politécnico de Brooklyn (ahora Instituto Politécnico de la Universidad de Nueva York ).