Die Polymerisation mit Metallocenen ist einer der dynamischsten Bereiche in der Welt der Polymere, da es sich dabei um das innovativste Verfahren zur Herstellung von Vinylpolymeren seit der Entwicklung der Ziegler-Natta-Verfahren handelt.
Die neuen Katalysatoren ermöglichen es, bei Polyolefinen bisher unerreichte Leistungseigenschaften zu erzielen. So lassen sich beispielsweise lineare Polymere mit extrem hohem Molekulargewicht (6 bis 8 Millionen) synthetisieren und damit teurere technische Thermoplaste wie Kevlar ersetzen. Darüber hinaus ist es mit Metallocen-Katalysatoren möglich, elastomere Polyolefine in einer einzigen Reaktionseinheit herzustellen. Die Taktizität der Produkte lässt sich in hohem Maße steuern, einschließlich der Möglichkeit, verschiedene Formen in einem einzigen Reaktor herzustellen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Metallocen ein Komplex ist, der aus einem positiv geladenen Metallion besteht, das wie die Füllung eines Sandwichs zwischen zwei (negativ geladenen) Anionen aus der Familie der Cyclopentadienyle angeordnet ist.
Das Cyclopentadienyl-Anion entsteht durch die Stabilisierung eines Cyclopentadien-Moleküls, eines geschlossenen Rings mit 5 Kohlenstoffatomen, wie in Abbildung 3.8 dargestellt:
Abbildung 3.8: 
Anhand der unterschiedlichen Farben lässt sich erkennen, dass eines der Kohlenstoffatome an zwei Wasserstoffatome gebunden ist, während die anderen vier Kohlenstoffatome jeweils nur an ein Wasserstoffatom gebunden sind. Die beiden zuerst genannten Wasserstoffatome sind an ein Kohlenstoffatom gebunden, das über relativ wenige Elektronen verfügt (es ist über Einfachbindungen mit den benachbarten Kohlenstoffatomen im Ring verbunden) und daher ein großer Bedarf an Elektronen besteht. Dieser Bedarf führt zur Anziehung der gemeinsam mit den Wasserstoffatomen genutzten Elektronen und folglich zur sauren Eigenschaft der Wasserstoffatome.
Die sauren Wasserstoffatome sind nur schwach an den Kohlenstoff gebunden, und eines der H-Atome löst sich leicht ab, wobei das Elektron der kovalenten Bindung im Ring verbleibt:
Abbildung 3.9: Cyclopentadienyl-Anion durch Dehydrierung von Cyclopentadien
Das Cyclopentadienyl-Anion weist eine Besonderheit auf, wie in Abbildung 3.9 zu sehen ist: Das Elektronenpaar, das nach dem Austritt des Wasserstoffions in den Ring eingebaut wird, gesellt sich zu den 4 Elektronen der zweiten Bindungen der Olefinpaare im Ring, sodass eine Gruppe von 6 Elektronen entsteht. Diese Elektronengruppe definiert einen aromatischen Ring und sorgt somit für ein sehr hohes Maß an Stabilität.
Wenn ein Kation mit zwei positiven Ladungen an ein Pentadienyl-Paar gebunden wird, entsteht ein Sandwich mit ausgeglichener Ladung (Abbildung 3.10). Ist das Kation beispielsweise Fe++, bildet sich eine Metallocengruppe, die als Ferrocen bezeichnet wird.
Abbildung 3.10: Ferrocen
Wird ein Kation mit höherer Ladung, wie beispielsweise ein Zr+4, eingebunden, sind mehr Anionen erforderlich, um die Ladungen des Komplexes auszugleichen, der durch die Addition des Metallkations an die beiden Cyclopentadienylgruppen entsteht. In der Regel werden zwei Chlorid-Anionen an das Zr+4 gebunden, die jeweils eine negative Ladung tragen, um das erste der Metallocene zu bilden, das als Katalysator für Vinylpolymerisationen eingesetzt werden kann und als Zirkonocen oder Zirkonocen (genauer gesagt als Bis-Chlorzirkonocen, Abbildung 3.11) bezeichnet wird:
Abbildung 3.11: Bis(chlorocirconen)
Zirkonocene weisen aufgrund des Vorhandenseins von Chloratomen wesentliche Unterschiede zu Ferrocenen auf. Diese sind relativ voluminös und haben nur sehr wenig Platz zwischen den beiden Cyclopentadienylringen, die sich, um Platz zu schaffen, in einer geneigten (nicht parallelen) Position anordnen und sich wie eine Muschel öffnen (Abbildung 3.12). Im Allgemeinen kommt es immer dann zu einer Neigung der Cyclopentadienylringe, wenn ein Sandwich mit Metallkationen mit einer Ladung größer als 2 gebildet wird. Zur Veranschaulichung dieser Öffnung ist eine schematische Darstellung beigefügt:
Abbildung 3.12: aufgrund des Volumens der Cl-Atome
An dieser Stelle ist es angebracht, den Gedanken einzuführen, dass es – aus Gründen, die später offensichtlich werden – von großer Bedeutung und sinnvoll ist, Modifikationen an den Cyclopentadienylringen vorzunehmen, wie in der folgenden Struktur dargestellt:
Abbildung 3.13: Ethylenbrücke und aromatische Ringe in der Metallocengruppe
Die Unterschiede zwischen dieser Struktur und der der Bis-Chlorcirconocene sind:
An jeden Cyclopentadienylring wurde eine aromatische Gruppe mit sechs Kohlenstoffatomen angefügt, die in Abbildung 3.13 rot dargestellt ist. Die daraus resultierende Gruppe, die durch die Fusion des aromatischen Fünferrings mit dem aromatischen Sechserring unter Bildung von zwei gemeinsamen Kohlenstoffatomen entsteht, wird als Indenylgruppe bezeichnet. Zudem entsteht eine Ethylenbrücke – in der letzten Abbildung blau dargestellt – zwischen den beiden substituierten Cyclopentadienylringen.
Diese beiden Modifikationen sind für die katalytische Aktivität des Metalocens bei der Herstellung isotaktischer Polymere von entscheidender Bedeutung. Die voluminösen Indenylgruppen, die – wie in der obigen Abbildung dargestellt – in entgegengesetzte Richtungen zeigen, leiten die sich dem Metall nähernden Monomermoleküle und legen die Ausrichtung der Seitengruppen des Monomers fest. Auf diese Weise ermöglichen sie eine Anordnung der Monomere, die zur Bildung eines isotaktischen Produkts führt. Gleichzeitig hält die Ethylenbrücke die Indenylgruppen in der dargestellten Position und verhindert so, dass sie sich drehen und in einer räumlichen Anordnung zueinander ausrichten, die die Isotaktizität des Polymers nicht zulässt.