monomeren vormen de basis van macromoleculen die het leven in stand houden en door de mens gemaakte materialen leveren. Monomeren groeperen zich om lange ketens van macromoleculen te vormen, polymeren genoemd. Verschillende reacties leiden tot polymerisatie, meestal via katalysatoren. Talrijke voorbeelden van monomeren bestaan in de natuur of worden in de industrie gebruikt om nieuwe macromoleculen te maken.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Monomeren zijn kleine, enkele moleculen. In combinatie met andere monomeren via chemische bindingen vormen ze polymeren. Polymeren bestaan zowel in de natuur, zoals in eiwitten, of ze kunnen door de mens worden gemaakt, zoals in plastic.
Wat zijn monomeren?

Monomeren aanwezig als kleine moleculen. Ze vormen de basis van grotere moleculen via chemische bindingen. Wanneer deze eenheden in herhaling worden samengevoegd, wordt een polymeer gevormd. Wetenschapper Hermann Staudinger ontdekte dat monomeren polymeren vormen. Het leven op aarde hangt af van de binding die monomeren aan andere monomeren maken. Monomeren kunnen kunstmatig worden geconstrueerd tot polymeren, die vervolgens samenvallen met andere moleculen in het proces dat polymerisatie wordt genoemd. Mensen benutten deze mogelijkheid om kunststoffen en andere kunstmatige polymeren te maken. Monomeren worden ook natuurlijke polymeren die de levende organismen in de wereld vormen.
Monomeren in de natuur

Onder de monomeren in de natuurlijke wereld zijn eenvoudige suikers, vetzuren, nucleotiden en aminozuren. Monomeren binden zich in de natuur aan elkaar om andere verbindingen te vormen. Voedsel in de vorm van koolhydraten, eiwitten en vetten is afkomstig van de koppeling van verschillende monomeren. Andere monomeren kunnen gassen vormen; methyleen (CH2) kan bijvoorbeeld samen binden om ethyleen te vormen, een gas dat in de natuur voorkomt en verantwoordelijk is voor het rijpen van fruit. Ethyleen op zijn beurt dient als basismonomeer voor andere verbindingen zoals ethanol. Zowel planten als organismen maken natuurlijke polymeren.

Polymeren die in de natuur worden gevonden, zijn gemaakt van monomeren met koolstof, die zich gemakkelijk bindt met andere moleculen. Methoden die in de natuur worden gebruikt om polymeren te maken, omvatten dehydratatiesynthese, die moleculen met elkaar verbindt, maar toch resulteert in de verwijdering van een watermolecuul. Hydrolyse is daarentegen een methode om polymeren op te splitsen in monomeren. Dit gebeurt via het verbreken van bindingen tussen monomeren via enzymen en het toevoegen van water. Enzymen werken als katalysatoren om chemische reacties te versnellen en zijn zelf grote moleculen. Een voorbeeld van een enzym dat wordt gebruikt om een polymeer in een monomeer te breken is amylase, dat zetmeel omzet in suiker. Dit proces wordt gebruikt bij de spijsvertering. Mensen gebruiken ook natuurlijke polymeren voor het emulgeren, verdikken en stabiliseren van voedsel en medicijnen. Enkele aanvullende voorbeelden van natuurlijke polymeren zijn onder andere collageen, keratine, DNA, rubber en wol.
Eenvoudige suikermonomeren
Eenvoudige suikers zijn monomeren die monosacchariden worden genoemd. Monosachariden bevatten koolstof-, waterstof- en zuurstofmoleculen. Deze monomeren kunnen lange ketens vormen waaruit polymeren bestaan die bekend staan als koolhydraten, de energieopslagmoleculen die in voedsel worden aangetroffen. Glucose is een monomeer met de formule C 6H 1220 6, wat betekent dat het zes koolstofatomen, twaalf waterstofatomen en zes zuurstofatomen in zijn basevorm heeft. Glucose wordt voornamelijk via fotosynthese in planten gemaakt en is de ultieme brandstof voor dieren. Cellen gebruiken glucose voor cellulaire ademhaling. Glucose vormt de basis van veel koolhydraten. Andere eenvoudige suikers omvatten galactose en fructose, en deze dragen ook dezelfde chemische formule maar zijn structureel verschillende isomeren. De pentoses zijn eenvoudige suikers zoals ribose, arabinose en xylose. Door de suikermonomeren te combineren ontstaan disacchariden (gemaakt van twee suikers) of grotere polymeren die polysacchariden worden genoemd. Sucrose (tafelsuiker) is bijvoorbeeld een disacharide die afkomstig is van het toevoegen van twee monomeren, glucose en fructose. Andere disacchariden zijn lactose (suiker in melk) en maltose (een bijproduct van cellulose).

Zetmeel is een enorme polysacharide gemaakt van veel monomeren en dient als de belangrijkste opslag van energie voor planten, en het kan niet worden opgelost in water . Zetmeel wordt gemaakt van een enorm aantal glucosemoleculen als zijn basismonomeer. Zetmeel bestaat uit zaden, granen en vele andere voedingsmiddelen die mensen en dieren consumeren. Het proteïne-amylase werkt zetmeel terug in de basismonomeer glucose.

Glycogeen is een polysacharide dat door dieren wordt gebruikt voor energieopslag. Net als zetmeel is glycogeen basismonomeer glucose. Glycogeen verschilt van zetmeel door meer takken te hebben. Wanneer cellen energie nodig hebben, kan glycogeen via hydrolyse worden afgebroken tot glucose.

Lange ketens van glucosemonomeren vormen ook cellulose, een lineair, flexibel polysacharide dat wereldwijd wordt gevonden als een structureel bestanddeel in planten. Cellulose bevat ten minste de helft van de koolstof op aarde. Veel dieren kunnen cellulose niet volledig verteren, met uitzondering van herkauwers en termieten.

Een ander voorbeeld van een polysacharide, het broze macromoleculechitine, smeedt de schelpen van veel dieren zoals insecten en schaaldieren. Eenvoudige suikermonomeren zoals glucose vormen daarom de basis van levende organismen en leveren energie om te overleven.
Monomeren van vetten

Vetten zijn een soort lipiden, polymeren die hydrofoob (waterafstotend) zijn. Het basismonomeer voor vetten is het alcoholglycerol, dat drie koolstofatomen bevat met hydroxylgroepen gecombineerd met vetzuren. Vetten leveren twee keer zoveel energie op als de eenvoudige suiker, glucose. Om deze reden dienen vetten als een soort energieopslag voor dieren. Vetten met twee vetzuren en één glycerol worden diacylglycerolen of fosfolipiden genoemd. Lipiden met drie vetzuurstaarten en één glycerol worden triacylglycerolen genoemd, de vetten en oliën. Vetten zorgen ook voor isolatie van het lichaam en de zenuwen erin, evenals plasmamembranen in cellen.
Aminozuren: monomeren van eiwitten

Een aminozuur is een eiwiteenheid, een polymeer dat in de natuur voorkomt. Een aminozuur is daarom het monomeer van eiwitten. Een basisch aminozuur wordt gemaakt van een glucosemolecuul met een aminegroep (NH3), een carboxylgroep (COOH) en een R-groep (zijketen). Er bestaan 20 aminozuren en worden in verschillende combinaties gebruikt om eiwitten te maken. Eiwitten bieden talloze functies voor levende organismen. Verschillende aminozuurmonomeren komen samen via peptide (covalente) bindingen om een eiwit te vormen. Twee gebonden aminozuren vormen een dipeptide. Drie samengevoegde aminozuren vormen een tripeptide en vier aminozuren vormen een tetrapeptide. Volgens deze conventie dragen eiwitten met meer dan vier aminozuren ook de naam polypeptiden. Van deze 20 aminozuren omvatten de basismonomeren glucose met carboxyl- en aminegroepen. Glucose kan daarom ook een monomeer van eiwit worden genoemd.

De aminozuren vormen ketens als primaire structuur, en extra secundaire vormen komen voor bij waterstofbindingen die leiden tot alfa-helices en bèta-geplooide platen. Vouwen van aminozuren leidt tot actieve eiwitten in de tertiaire structuur. Extra vouwen en buigen levert stabiele, complexe quaternaire structuren zoals collageen op. Collageen biedt structurele fundamenten voor dieren. De eiwitkeratine geeft dieren huid, haar en veren. Eiwitten dienen ook als katalysatoren voor reacties in levende organismen; dit worden enzymen genoemd. Eiwitten dienen als communicators en materiaalverplaatsers tussen cellen. Het eiwit actine speelt bijvoorbeeld de rol van transporter voor de meeste organismen. De variërende driedimensionale structuren van eiwitten leiden tot hun respectieve functies. Het veranderen van de eiwitstructuur leidt direct tot een verandering in eiwitfunctie. Eiwitten worden gemaakt volgens de instructies van de genen van een cel. De interacties en variëteit van een eiwit worden bepaald door zijn basismonomeer van eiwitten, op glucose gebaseerde aminozuren.
Nucleotiden als monomeren

Nucleotiden dienen als de blauwdruk voor de constructie van aminozuren, die op hun beurt eiwitten omvatten. Nucleotiden slaan informatie op en dragen energie over voor organismen. Nucleotiden zijn de monomeren van natuurlijke, lineaire polymere nucleïnezuren zoals deoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA). DNA en RNA dragen de genetische code van een organisme. Nucleotide monomeren zijn gemaakt van een vijf-koolstof suiker, een fosfaat en een stikstofbase. Basen omvatten adenine en guanine, die zijn afgeleid van purine; en cytosine en thymine (voor DNA) of uracil (voor RNA), afgeleid van pyrimidine.

De gecombineerde suiker- en stikstofbase leveren verschillende functies op. Nucleotiden vormen de basis voor veel moleculen die nodig zijn voor het leven. Een voorbeeld is adenosine trifosfaat (ATP), het belangrijkste afleveringssysteem van energie voor organismen. Adenine, ribose en drie fosfaatgroepen vormen ATP-moleculen. Fosfodiesterbindingen verbinden de suikers van nucleïnezuren met elkaar. Deze koppelingen bezitten negatieve ladingen en leveren een stabiel macromolecuul op voor het opslaan van genetische informatie. RNA, dat suiker ribose en adenine, guanine, cytosine en uracil bevat, werkt op verschillende manieren in cellen. RNA dient als een enzym en helpt DNA-replicatie, evenals het maken van eiwitten. RNA bestaat in een enkele helixvorm. DNA is het stabielere molecuul dat een dubbele helixconfiguratie vormt en is daarom het meest voorkomende polynucleotide voor cellen. DNA bevat de suiker deoxyribose en de vier stikstofbasen adenine, guanine, cytosine en thymine, die de nucleotidebase van het molecuul vormen. De lange lengte en stabiliteit van DNA zorgt voor de opslag van enorme hoeveelheden informatie. Life on Earth dankt zijn voortzetting aan de nucleotide-monomeren die de ruggengraat van DNA en RNA vormen, evenals het energiemolecuul ATP.
Monomers for Plastic

Polymerisatie staat voor het creëren van synthetische polymeren via chemische reacties. Wanneer monomeren als ketens tot kunstmatige polymeren worden samengevoegd, worden deze stoffen kunststoffen. De monomeren waaruit polymeren bestaan, bepalen de eigenschappen van de kunststoffen die ze maken. Alle polymerisaties vinden plaats in een reeks van initiatie, propagatie en terminatie. Polymerisatie vereist verschillende succesmethoden, zoals combinaties van warmte en druk en de toevoeging van katalysatoren. Polymerisatie vereist ook waterstof om een reactie te beëindigen.

Verschillende factoren in de reacties beïnvloeden de vertakking of ketens van een polymeer. Polymeren kunnen een keten van hetzelfde type monomeer omvatten, of ze kunnen twee of meer soorten monomeren (copolymeren) omvatten. "Additiepolymerisatie" verwijst naar samen toegevoegde monomeren. "Condensatiepolymerisatie" verwijst naar polymerisatie waarbij slechts een deel van een monomeer wordt gebruikt. De naamgevingsconventie voor gebonden monomeren zonder verlies van atomen is om "poly" aan de monomerenaam toe te voegen. Veel nieuwe katalysatoren creëren nieuwe polymeren voor verschillende materialen.

Een van de basismonomeren voor het maken van kunststoffen is ethyleen. Dit monomeer bindt zich aan zichzelf of aan vele andere moleculen om polymeren te vormen. Het monomeer ethyleen kan worden gecombineerd tot een keten die polyethyleen wordt genoemd. Afhankelijk van de eigenschappen kunnen deze kunststoffen High Density Polyethylene (HDPE) of Low Density Polyethylene (LDPE) zijn. Twee monomeren, ethyleenglycol en tereftaloyl, maken het polymeer poly (ethyleentereftalaat) of PET, gebruikt in plastic flessen. Het monomeer propyleen vormt het polymeer polypropyleen via een katalysator die zijn dubbele bindingen verbreekt. Polypropyleen (PP) wordt gebruikt voor plastic voedselcontainers en frietzakken.

Vinylalcoholmonomeren vormen het polymeer poly (vinylalcohol). Dit ingrediënt is te vinden in de stopverf van kinderen. Polycarbonaatmonomeren zijn gemaakt van aromatische ringen gescheiden door koolstof. Polycarbonaat wordt vaak gebruikt in glazen en muziekschijven. Polystyreen, gebruikt in piepschuim en isolatie, bestaat uit polyethyleenmonomeren met een aromatische ring gesubstitueerd voor een waterstofatoom. Poly (chloorethyleen), ook bekend als poly (vinylchloride) of PVC, wordt gevormd uit verschillende monomeren van chloorethyleen. PVC vormt belangrijke items als buizen en gevelbeplating voor gebouwen. Kunststoffen bieden eindeloos bruikbare materialen voor alledaagse artikelen, zoals autokoplampen, voedselcontainers, verf, pijpen, textiel, medische apparatuur en meer.

Polymeren gemaakt van herhalende, gekoppelde monomeren vormen de basis van veel van wat mensen en andere organismen komen op aarde tegen. Inzicht in de basisrol van eenvoudige moleculen zoals monomeren geeft meer inzicht in de complexiteit van de natuurlijke wereld. Tegelijkertijd kan dergelijke kennis leiden tot de constructie van nieuwe polymeren die een groot voordeel kunnen bieden.