Vorschlag A – Outdoorbekleidung

Die Anforderungen an Synthesefasern, welche für die Herstellung von Outdoorbekleidung genutzt werden, sind vielfältig. Ausgehend von 1,1,2,2-Tetrafluorethen lässt sich z. B. Polytetrafluorethen herstellen, das aufgrund seiner Eigenschaften im Bauwesen, in der Raumfahrttechnik, in der chemischen Industrie sowie in der Textilindustrie zur Herstellung von Outdoorbekleidung Verwendung findet.

1,2-Difluorethen weist im Vergleich zu Ethen andere chemische Eigenschaften auf. Darüber hinaus unterscheiden sich cis-1,2-Difluorethen und trans-1,2-Difluorethen in ihren physikalischen Eigenschaften.

Neben der wasserabweisenden Eigenschaft soll Outdoorbekleidung auch winddicht und zugleich atmungsaktiv sein. Solche Eigenschaften haben Membranen, die zum Beispiel unter den Handelsnamen Sympatex^® und Dermizax^® in den Verkauf gelangen. Die Makromoleküle für die Herstellung von Sympatex^®-Membranen sind ein Beispiel für sogenannte Copolymere, die den Aufbau betreffend von sogenannten Polymerblends zu unterscheiden sind. Dermizax^®-Membranen basieren hingegen auf Polyurethanen.

1,1,2,2-Tetrafluorethen lässt sich in zwei aufeinander folgenden Reaktionen herstellen (Material 1).

Formuliere für Reaktion 1 sowie für Reaktion 2 jeweils die Reaktionsgleichung in Strukturformeln mit allen bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren für alle beteiligten Stoffe.

Ermittle, ob es sich bei Reaktion 2 um eine Redoxreaktion handelt.

(6 BE)

Formuliere mit dem in Material 2 dargestellten Radikalstarter Dibenzoylperoxid für die Synthese von Polytetrafluorethen aus 1,1,2,2-Tetrafluorethen einen Reaktionsmechanismus einschließlich zweier Abbruchreaktionen, wobei die Polymerkette zwei Monomerbausteine des 1,1,2,2-Tetrafluorethens beinhalten soll.

Benenne den zugrundeliegenden Reaktionsmechanismus.

(7 BE)

In einem abgedunkelten Reaktionsgefäß befindet sich eine bestimmte Stoffmenge Ethen, in einem zweiten abgedunkelten Reaktionsgefäß mit gleichem Volumen befindet sich eine gleich große Stoffmenge cis-1,2-Difluorethen. Zu beiden Reaktionsgefäßen wird die gleiche Stoffmenge elementaren Broms hinzugegeben.

Formuliere für die Reaktion von Ethen mit Brom den Reaktionsmechanismus und benenne diesen.

Erkläre, ob Ethen und cis-1,2-Difluorethen unter den oben beschriebenen Bedingungen gleich schnell mit Brom reagieren.

(9 BE)

Außer cis-1,2-Difluorethen existiert auch der Stoff trans-1,2-Difluorethen. In einem Reaktionsansatz reagieren $6\,\text{mL}$ flüssiges, elementares Brom bei Raumtemperatur mit gasförmigem cis-1,2-Difluorethen vollständig zu 1,2-Dibrom-1,2-difluorethan.

Erkläre, aus welchem Grund cis-1,2-Difluorethen ein stärkerer Dipol ist als trans-1,2-Difluorethen.

Berechne das Volumen des für die oben beschriebene Reaktion benötigten gasförmigem cis-1,2-Difluorethens sowie die Masse des entstehenden 1,2-Dibrom-1,2-difluorethans.

Hinweise
Für die Dichte von flüssigem, elementarem Brom gilt: $\rho = 3,12\,\text{g} \cdot \text{mL}^{-1}.$

Bei $20^\circ C$ beträgt das molare Volumen eines Gases $V_m= 24\,\text{L} \cdot \text{mol}^{-1}.$

(10 BE)

Die Sympatex^®-Membran kann als sogenannter Polyesterether beschrieben werden. Die Polyesterether sind sogenannte Copolymere, deren Makromoleküle aus verschiedenen Monomer-Bausteinen aufgebaut sind. Material 3 zeigt die Strukturformel eines Polyether-Bausteins sowie die Strukturformel der Terephthalsäure.
Material 4 zeigt eine schematische Darstellung zur Herstellung von sogenannten Copolymeren sowie zur Herstellung sogenannter Polymerblends.

Zeichne einen Strukturformelausschnitt eines Polyesterether-Makromoleküls aus vier Polyether-Bausteinen und einem Terephthalsäure-Baustein, der sich in der Mitte befindet.

Beschreibe und erkläre auf der Grundlage von Material 4 jeweils die Herstellung eines Copolymers sowie die Herstellung eines Polymerblends.

Begründe für jede der Kunststoffklassen, ob sie sich für die Herstellung eines Polymerblends eignet oder nicht.

(10 BE)

Dermizax^®-Membranen werden aus Polyurethan hergestellt. Aufgrund ihrer Eigenschaften finden auch sie bei der Herstellung von Outdoorbekleidung Verwendung. Material 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem Polyurethan-Makromolekül.
Ersetzt man ausgehend von Material 5 das bifunktionale Isocyanat durch ein trifunktionales Isocyanat (jeweils eine funktionelle Gruppe am ersten, dritten und fünften Kohlenstoff-Atom des Benzolrings gebunden) ergibt sich eine andere Struktur des Kunststoffs.

Gib mit allen bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren die jeweilige Strukturformel der Monomere an, aus deren Bausteine das in Material 5 dargestellte Polyurethan-Makromolekül aufgebaut ist.

Zeichne einen fünf Monomerbausteine beinhaltenden Strukturformelausschnitt des Kunststoffs, zu dessen Herstellung anstelle des bifunktionalen Isocyanats das oben genannte trifunktionale Isocyanat verwendet wird.

Erkläre das Verhalten des bei Verwendung des trifunktionalen Isocyanats entstehenden Kunststoffs beim Erwärmen und benennen Sie die Kunststoffklasse, zu der dieser Kunststoff gehört.

(8 BE)

Material 1

Herstellung von 1,1,2,2-Tetrafluorethen

Reaktion 1: Trichlormethan und Fluorwasserstoff reagieren zu Chlordifluormethan und einem Gas, das angefeuchtetes Universalindikatorpapier rot färbt.

Reaktion 2: Chlordifluormethan reagiert zu 1,1,2,2-Tetrafluorethen und einem Gas, das angefeuchtetes Universalindikatorpapier rot färbt.

Material 2

Strukturformel von Dibenzoylperoxid

Material 3

Strukturformel eines Polyetherbausteins

Strukturformel von Terephthalsäure

Material 4

Schematische Darstellung zur Herstellung eines Copolymers

Hinweis
Das Copolymer ist beispielhaft aus drei kettenförmigen unverzweigten Makromolekülen aufgebaut dargestellt.

Schematische Darstellung zur Herstellung eines Polymerblends

Vor der Wärmezufuhr:

Nach dem Erkalten:

Hinweis
Die Kunststoffe A und B sind jeweils beispielhaft aus drei unverzweigten Makromolekülketten aufgebaut dargestellt und das Polymerblend aus sechs solcher Makromolekülketten.
Das Material zeigt eine mögliche Anordnung der Makromolekülketten.

Material 5

Ausschnitt aus einem Polyurethan-Makromolekül

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Reaktionsgleichungen für 1,1,2,2-Tetrafluorethen

Reaktion 1: Trichlormethan reagiert mit Fluorwasserstoff zu Chlordifluormethan und Chlorwasserstoff

Reaktion 2: Chlordifluormethan $(CHClF_2)$ reagiert unter Wärmezufuhr zu 1,1,2,2-Tetrafluorethen $(C_2F_4)$ und Chlorwasserstoff $(HCl).$

Redoxreaktion

Um zu beurteilen, ob Reaktion 2 eine Redoxreaktion ist, werden die Oxidationszahlen betrachtet:

$2 \stackrel{\color{#0096c8}{+2+1}}{CH}\stackrel{\color{#0096c8}{-1}}{Cl}\stackrel{\color{#0096c8}{-1}}{F_2}$ $\longrightarrow$ $\stackrel{\color{#0096c8}{+2}}{C_2}\stackrel{\color{#0096c8}{-1}}{F_4} + \ 2\stackrel{\color{#0096c8}{+1}}{H}\stackrel{\color{#0096c8}{-1}}{Cl}$

Da sich die Oxidationszahlen nicht verändern, handelt sich nicht um eine Redoxreaktion.

Reaktionsmechanismus für die Synthese von Polytetrafluorethen (PTFE)

1,1,2,2-Tetrafluorethen reagiert in einer radikalischen Polymerisation zu PTFE.

Bildung des Startradikals:

Zunächst wird das Peroxid homolytisch gespalten.

Kettenstart:

Das gebildete Radikal greift die Doppelbindung des 1,1,2,2-Tetrafluorethens an, wobei ein neues Radikal gebildet wird.

Kettenfortpflanzung:

Das neue Radikal greift nun weitere Monomere an. Diese werden zum Makroradikal addiert.

Kettenabbruch:

Es reagieren zwei Radikale zu einem stabilen Makromolekül.

Oder:

Es findet eine Disproportionierung statt.

Reaktionsmechanismus von Ethen mit Brom

Ethen reagiert mit Brom in einer elektrophilen Additionsreaktion.
Hierbei wird Brom an die elektronenreiche Doppelbindung von Ethen addiert. Dies kann bereits bei Raumtemperatur geschehen.

Zunächst kommt es zur Wechselwirkung zwischen dem Brom-Molekül und den $\pi$ -Elektronen der Doppelbindung. Dies wird als elektrophiler Kontakt bezeichnet.
Daraufhin entsteht ein $\pi$ -Komplex, ein Übergangszustand. Das Brom-Molekül wird polarisiert, da die Elektronendichte der Doppelbindung die Elektronen des Broms verschiebt, wodurch eine positive und negative Partialladung entsteht.
Im nächsten Schritt greifen die $\pi$ -Elektronen nucleophil das positiv geladene Brom-Atom an, was zu einer heterolytischen Spaltung des Brom-Moleküls führt.
Das entstandene Bromid-Ion $(Br^-)$ spaltet sich ab, während das positiv geladene Brom $(Br^+)$ zyklisch an die beiden Kohlenstoffatome der Doppelbindung bindet.
Es entsteht ein zyklisches Bromonium-Ion, das stabiler ist als ein einfaches Carbokation. In mesomeren Grenzformeln kann sowohl das nicht-zyklische Carbokation als auch das zyklische Bromonium-Ion dargestellt werden.
Durch einen nucleophilen Rückseitenangriff des Bromid-Ions auf das Bromonium-Ion wird die zyklische Struktur geöffnet, und es bildet sich das Reaktionsprodukt, 1,2-Dibromethan $(BrCH_2-CH_2Br).$

Vergleich der Reaktionsgeschwindigkeiten

Ethen wird schneller mit Brom reagieren als cis-1,2-Difluorethen. Dies liegt daran, dass die Doppelbindung in Ethen weniger sterisch gehindert ist und eine höhere Elektronendichte aufweist, was die Polarisation des Brom-Moleküls erleichtert. Beim cis-1,2-Difluorethen sorgen die beiden Fluor-Atome für eine Elektronenziehung, was die Elektronendichte in der Doppelbindung verringert und die Reaktivität herabsetzt.

Erklärung der Dipolmomente von cis- und trans-1,2-Difluorethen

Der Grund, warum cis-1,2-Difluorethen einen stärkeren Dipol als trans-1,2-Difluorethen hat, liegt in der räumlichen Anordnung der Fluor-Atome. Im cis-Isomer sind die beiden Fluor-Atome auf derselben Seite der Doppelbindung, wodurch ihre negativen Partialladungen addiert werden und einen stärkeren Dipol erzeugen. Im trans-Isomer liegen die Fluor-Atome auf gegenüberliegenden Seiten, was zu einer Aufhebung der Dipolmomente führt.

Berechnung des Volumens von cis-1,2-Difluorethen

Da cis-1,2-Difluorethen und Brom im Verhältnis 1:1 reagieren, kann von der Stoffmenge des Broms auf die von cis-1,2-Difluorethen geschlossen werden. Dafür wird zunächst die Masse aus der Dichte und dem Volumen ermittelt:

$\begin{array}[t]{rll} m (Br_2)&=& \rho \cdot V &\\[5pt] &=& 3,12\,\text{g} \cdot \text{mL}^{-1} \cdot 6\,\text{mL} &\\[5pt] &=& 18,72 \,\text{g} \end{array}$

Weiterhin gilt:

$\begin{array}[t]{rll} n (C_2H_2F_2) &=& n (Br_2) & \\[5pt] &=& \dfrac{m(Br_2)}{M(Br_2)} & \\[5pt] &=& \dfrac{18,72 \,\text{g} }{159,8\,\text{g} \cdot \text{mol}^{-1}} & \\[5pt] &=& 0,117\,\text{mol} \end{array}$

Für das Volumen folgt:

$\begin{array}[t]{rll} V(C_2H_2F_2) &=& V_m \cdot n(C_2H_2F_2) & \\[5pt] &=& 24\,\text{L} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot 0,117\,\text{mol} & \\[5pt] &=& 2,808 \,\text{L} \end{array}$

Berechnung der Masse von 1,2-Dibrom-1,2-difluorethan

Da das Stoffmengenverhältnis von Edukten und Produkten ebenfalls 1:1 beträgt, kann mit der zuvor berechneten Stoffmenge und der molaren Masse die Masse von 1,2-Dibrom-1,2-difluorethan berechnet werden:

$\begin{array}[t]{rll} m &=& n \cdot M & \\[5pt] &=& 0,117\,\text{mol} \cdot 240,8\,\text{g} \cdot \text{mol}^{-1} & \\[5pt] &=& 28,16 \,\text{g} \end{array}$

Strukturformelausschnitt eines Polyesterether-Makromoleküls

Herstellung eines Copolymers und eines Polymerblends

Copolymer: Bei der Herstellung eines Copolymers reagieren zwei verschiedene Monomere miteinander und bilden ein Polymer, das abwechselnd aus den Bausteinen beider Monomere besteht. Beispielsweise könnte Terephthalsäure mit einem Polyether in einer Polykondensation reagieren.
Polymerblend: Ein Polymerblend wird durch die physikalische Vermischung von zwei verschiedenen Polymeren hergestellt, ohne dass eine chemische Reaktion zwischen ihnen stattfindet. Die Polymere behalten ihre ursprüngliche Struktur.

Ein Copolymer eignet sich besser für die Herstellung von Materialien mit spezifischen Eigenschaften, während ein Polymerblend einfacher und schneller herzustellen ist, jedoch möglicherweise weniger beständig ist.

6.1

Strukturformel der Monomere und Verhalten des Kunststoffs beim Erwärmen

Bei der Verwendung eines trifunktionalen Isocyanats entsteht ein stark vernetzter Kunststoff. Dies führt zu einem duroplastischen Verhalten, was bedeutet, dass der Kunststoff beim Erwärmen seine Form behält und nicht schmilzt.

Kunststoffklasse: Dieser Kunststoff gehört zur Klasse der Duroplaste.

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