पॉलिमराइजेशन तंत्र

पॉलिमराइजेशन वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा छोटे अणु, जिसे मोनोमर कहा जाता है, मिलकर एक बड़े अणु का निर्माण करते हैं, जिसे पॉलिमर कहा जाता है। यह प्रक्रिया पॉलिमर रसायन विज्ञान के क्षेत्र की मूलभूत है, जो सामग्री विज्ञान और रसायन विज्ञान के भीतर एक महत्वपूर्ण अध्ययन का क्षेत्र है। पॉलिमर कई प्रकार की सामग्री में पाए जाते हैं, दोनों प्राकृतिक और सिंथेटिक, और उनके गुण उनके रासायनिक संरचनाओं द्वारा परिभाषित किए जा सकते हैं जो पॉलिमराइजेशन प्रक्रिया के परिणामस्वरूप होती हैं। यह समझने के लिए कि पॉलिमर कैसे बने होते हैं, यह आवश्यक है कि विभिन्न पॉलिमराइजेशन तंत्रों का अध्ययन किया जाए, जो व्यापक रूप से श्रृंखला-वृद्धि पॉलिमराइजेशन और चरण-वृद्धि पॉलिमराइजेशन में वर्गीकृत होते हैं।

श्रृंखला-वृद्धि पॉलिमराइजेशन

श्रृंखला-वृद्धि पॉलिमराइजेशन, जिसे जोड़ पॉलिमराइजेशन भी कहा जाता है, सक्रिय स्थल पर बढ़ रही पॉलिमर श्रृंखला में मोनोमरों के जोड़ को शामिल करता है। यह प्रकार की पॉलिमराइजेशन आगे मुक्त-कण पॉलिमराइजेशन, धनायनिक पॉलिमराइजेशन, ऋणायनिक पॉलिमराइजेशन, और समन्वय पॉलिमराइजेशन में वर्गीकृत की जा सकती है। इनमें से प्रत्येक प्रकार में पॉलिमर श्रृंखला की उत्पत्ति और समाप्ति के विभिन्न तंत्र और स्थितियाँ शामिल हैं।

मुक्त-कण पॉलिमराइजेशन

यह श्रृंखला-वृद्धि पॉलिमराइजेशन का सबसे आम प्रकार है, जिसका व्यापक रूप से विभिन्न पॉलिमरों जैसे पॉलिविनाइल क्लोराइड (PVC), पॉलीस्टाइरीन, और पॉलीएथिलीन के उत्पादन के लिए उपयोग किया जाता है। मुक्त-कण पॉलिमराइजेशन में तीन मुख्य चरण होते हैं: उत्पत्ति, प्रसार, और समाप्ति।

उत्पत्ति: उत्पत्ति चरण एक स्वतंत्र कण के निर्माण के साथ शुरू होता है। एक स्वतंत्र कण वह परमाणु या अणु होता है जिसमें एक एकांगी इलेक्टॉन होता है, जो इसे अत्यधिक अभिक्रियाशील बनाता है। स्वतंत्र कण अधिक रासायनों के उपयोग से उत्पन्न किए जा सकते हैं जैसे गर्मी, प्रकाश, या बेंज़ॉइल पेरॉक्साइड। स्वतंत्र कण एक मोनोमर के साथ अभिक्रिया करते हैं, जो एक मुक्त-कण केंद्र के साथ एक अभिक्रियाशील प्रजाति का निर्माण करता है।

R• + CH2=CH2 → R-CH2-CH2•

प्रसार: नव सक्रिय मोनोमर पर मुक्त-कण केंद्र एक अन्य मोनोमर पर आक्रमण करता है, बढ़ते श्रृंखला में अधिक मोनोमर को जोड़कर श्रृंखला प्रतिक्रिया जारी रखता है। यह प्रक्रिया कई बार दोहराई जाती है और एक लंबी पॉलिमर श्रृंखला बनाती है।

R-CH2-CH2• + n CH2=CH2 → R-(CH2-CH2)n-CH2-CH2•

समाप्ति: पॉलिमराइजेशन प्रक्रिया तब समाप्त होती है जब मुक्त कण मिल जाते हैं। समाप्ति समामेलन या असमानता के माध्यम से हो सकती है। समामेलन में, दो मुक्त-कण संघ जुड़े होते हैं, जबकि असमानता में, हाइड्रोजन परमाणु दूसरे श्रृंखला में स्थानांतरित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक युग्मन बनने लगता है।

R-(CH2-CH2)n-CH2-CH2• + •CH2-CH2-R' → R-(CH2-CH2)n-CH2-CH2-CH2-CH2-R'

धनायनिक पॉलिमराइजेशन

धनायनिक पॉलिमराइजेशन एक इलेक्ट्रोफाइल द्वारा उत्पन्न होता है, जैसे लुईस एसिड, और इसका उपयोग मुख्य रूप से ऐसी अल्केनों की पॉलिमराइजेशन के लिए किया जाता है जो आवेश को प्रतिकृति द्वारा स्थिर कर सकते हैं, जैसे आइसोबुटिलीन।

उत्पत्ति: प्रारंभ में, एक इलेक्ट्रोफाइल मोनोमर से एक कैशन बनाता है।

BF3 + CH3OCH3 → [BF3OCH3]+ [BF3OCH3]+ + CH2=C(CH3)2 → CH3C+(CH3)CH2(CH3) + CH3OCH2BF3

विस्तार: कैशन एक अन्य मोनोमर से जुड़ता है, और श्रृंखला को बढ़ाता है।

CH3C+(CH3)CH2(CH3) + CH2=C(CH3)2 → CH3C(CH3)2CH2C+(CH3)CH3

समाप्ति: निष्कर्षण सक्रिय श्रृंखला अंत से एक प्रोटोन की रिहाई, युग्मन बनाने, या एक न्यूक्लियफाइल के साथ प्रतिक्रिया द्वारा हो सकती है।

ऋणायनिक पॉलिमराइजेशन

ऋणायनिक पॉलिमराइजेशन की शुरुआत एक न्यूक्लियफाइल द्वारा होती है, जैसे क्षारीय धातु यौगिक (जैसे, लिथियम या सोडियम नेफथालाइड), और यह इलेक्ट्रॉन-कृषक समूहों वाले मोनोमरों के लिए प्रभावी होती है, जैसे स्टाइरीन या एक्रिलोनिट्राइल।

उत्पत्ति: एक ऐनायन मोनोमर पर आक्रमण करता है, जिससे एक कार्बेनायन का निर्माण होता है।

CH2=CH-CN + n-BuLi → n-Bu—CH2—C−(Li+)—CN

प्रसार: कार्बेनायन एक अन्य मोनोमर के साथ प्रतिक्रिया करके श्रृंखला को बढ़ाता है।

n-Bu—CH2—C−(Li+)—CN + CH2=CH-CN → n-Bu—(CH2—CH-CN)x-CH2—CH-C−(Li+)—CN

समाप्ति: ऋणायनिक पॉलिमराइजेशन तब तक जारी रह सकता है जब तक एक उपयुक्त प्रोटोन स्रोत जोड़ा न जाए।

चरण-वृद्धि पॉलिमराइजेशन

चरण-वृद्धि पॉलिमराइजेशन द्विसंयंत्र या बहुसंयंत्र मोनोमरों की प्रतिक्रिया के द्वारा होती है, जिससे पॉलिमर श्रृंखला धीरे-धीरे बढ़ती है। इस प्रकार की पॉलिमराइजेशन सामान्यतः पॉलिएस्टर्स, पॉलिअमाइड्स, और पॉलियूरेथेन के निर्माण के लिए होती है।

तंत्र: चरण-वृद्धि पॉलिमराइजेशन का मुख्य विशेषता यह है कि कोई भी दो अणु जिनमें पारस्परिक क्रियाशील समूह होते हैं, dimer, trimer या लंबी oligomer बनाने के लिए प्रतिक्रिया कर सकते हैं, जिससे धीरे-धीरे पॉलिमर का आकार बढ़ता है।

उदाहरण के लिए, पॉलिएस्टर निर्माण के मामले में, एक द्विअम्ल (जैसे टेरेफ्थैलिक अम्ल) एक द्विआल्कोहल (जैसे एथिलीन ग्लायकोल) के साथ प्रतिक्रिया करके एक एस्टर संलयन बनाता है, जिससे एक उपउत्पाद के रूप में एक जल अणु निकलता है:

HOOC-C6H4-COOH + HO-CH2CH2-OH → HOOC-C6H4-COO-CH2CH2-OH + H2O

पॉलिमराइजेशन के उदाहरण: पॉलिअमाइड्स के लिए, एक उदाहरण होगा नायलॉन-6,6 का निर्माण, जिसमें हेक्सामेथीलिन डाइमाइन और अडिपिक अम्ल की प्रतिक्रिया होती है।

H2N-(CH2)6-NH2 + HOOC-(CH2)4-COOH → [NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO-OH]n + (2n-1)H2O

उत्प्रेरण और पॉलिमराइजेशन

उत्प्रेरक पॉलिमराइजेशन तंत्र को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, ज़िएगलर-नाटा उत्प्रेरक पॉलीप्रोपाइलिन जैसे पॉलिमरों के उत्पादन के लिए प्रयोग किए जाते हैं, जिससे पॉलिमराइजेशन के समय संरचनात्मक नियंत्रण प्राप्त होता है।

समन्वय पॉलिमराइजेशन

समन्वय पॉलिमराइजेशन में एक धातु और एक मोनोमर के बीच एक समन्वय संकुलत बनता है। एक क्लासिकल उदाहरण है ज़िएगलर-नाटा पॉलिमराइजेशन, जिसमें टाइटेनियम उत्प्रेरक एथिलीन और प्रोपाइलिन जैसे 1-अल्केनों की पॉलिमराइजेशन में मदद करते हैं। यह प्रक्रिया जिस पॉलिमर का निर्माण होता है उसकी संरचना और आणविक भार को निर्धारित करने में मदद करती है।

मूल तंत्र:

अल्कीन मोनोमर धातु केंद्र पर सहयोग करते हैं, इसके बाद एक धातु-कार्बन बंध में प्रवेश करते हैं। इस चरण को कई बार दोहराया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक पॉलिमर श्रृंखला का निर्माण होता है।

RCH=CH2 → RCH-CH2-TiCl3 --coordination--> Ti-CH-CH2-R

श्रृंखला-वृद्धि और चरण-वृद्धि पॉलिमराइजेशन के बीच तुलना

हालांकि श्रृंखला-वृद्धि और चरण-वृद्धि पॉलिमराइजेशन दोनों ही पॉलिमर के निर्माण की ओर ले जाते हैं, उनके तंत्र और गतिज व्यवहार में स्पष्ट अंतर होते हैं।

• गति विज्ञान: श्रृंखला-वृद्धि पॉलिमराइजेशन एक त्वरित प्रक्रिया है, जिसमें पॉलिमर श्रृंखला उत्पन्न के बाद तेजी से बढ़ती है, जबकि चरण-वृद्धि पॉलिमराइजेशन प्रतिक्रिया समय के साथ, ओलिगोमर्स और अतं में उच्च आणविक भार पॉलिमरों के उत्पादन के माध्यम से होती है।
• आणविक भार: श्रृंखला-वृद्धि में, उच्च आणविक भार पॉलिमर बहुत निम्न मोनोमर रूपांतरण पर बनाए जाते हैं, जबकि चरण-वृद्धि में, उच्च आणविक भार पॉलिमर केवल बहुत उच्च मोनोमर रूपांतरण पर प्राप्त होते हैं।
• मोनोमर इकाइयाँ: श्रृंखला-वृद्धि पॉलिमराइजेशन आमतौर पर एक प्रकार के मोनोमर को शामिल करता है, जबकि चरण-वृद्धि पॉलिमराइजेशन में दो या अधिक विभिन्न मोनोमर शामिल होते हैं।
• पॉलिमर के प्रकार: श्रृंखला-वृद्धि जोड़ पॉलिमर जैसे पॉलीएथिलीन के लिए उपयुक्त है, जबकि चरण-वृद्धि संलयन पॉलिमर जैसे नायलॉन और पॉलीएस्टर के लिए अधिक उपयुक्त है।

इन तंत्रों को समझने से विशिष्ट गुणों वाले पॉलिमरों को डिज़ाइन करने में मदद मिलती है जो विभिन्न औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त होते हैं, जो प्लास्टिक, वस्त्र और जैव सामग्री जैसे क्षेत्रों में नवाचार को प्रेरित करते हैं।

पॉलिमर संरचनाओं और गुणों की विविधता पॉलिमराइजेशन तंत्रों की विविधता से उत्पन्न होती है, जिससे सामग्री रसायन विज्ञान के भीतर यह सबसे आकर्षक विषयों में से एक बनता है। पॉलिमराइजेशन का ज्ञान न केवल नए सामग्रियों के विकास को बढ़ावा देता है बल्कि मौजूदा सामग्रियों को व्यापक अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित करने में भी सक्षम बनाता है।

टिप्पणियाँ