高分子化学第6章配位聚合

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另外可以用红外光谱、核磁共振谱等仪器测定。
注意:分子规整的聚合物易结晶,但不一定会结晶,而结晶 是立构规整,只是结构是规整的。
沸腾正庚烷萃取剩余物重
聚丙烯的全同指数= (I I P)
未萃取时的聚合物总重
也可用红外光谱的特征吸收谱带测定
IIP=K
A975 全同螺旋链段特征吸收,峰面积 A1460 甲基的特征吸收,峰面积
规整聚合物的量 聚合物总量(规整+无
规)100 %
二烯烃聚合物
如丁二烯聚合物:
全同 Tm = 128℃
1, 2聚合物都具有较高的熔点 间同 Tm = 156℃
反式1, 4聚合物 Tg = -80℃, Tm = 148℃
1, 4聚合物
较硬的低弹性材料
顺式1, 4聚合物 Tg = -108℃, Tm = 2 ℃ 是弹性优异的橡胶
二级插入
δ-
δ+
CH2 CH Mt + CH2 CH
R
R
δ-
δ+
CH2 CH CH2 CH Mt
R
R
带有取代基一端带负电荷并与反离子 相连,称为二级插入
两种插入所形成的聚合物的结构完全相同
但研究发现: 丙烯的全同聚合是一级插入, 丙烯的间同聚合却为二级插入
• 单体插入反应有:
一级插入——不带取代基的一端为负电荷端和反离子Mt相连; 二级插入——带取代基的一端带负电荷并和反离子Mt相连。 单体的插入反应全是一级或二级插入,则聚合物结构规整,为 定向聚合或有规立构聚合。
链增长反应可表示如下
δ-
CH CH2
δ+ 过渡金属
Mt
δ-
δ+
CH CH2 Mt
空位
CH CH2 R
¦Ä¦环Ħ状Ä过 CH CH2 渡状态 R
δ-
δ+
CH CH2 CH CH2 Mt
R
R
2. 配位聚合的特点
单体首先在过渡金属上配位形成络合物 证据:乙烯和Pt、Pd生成络合物后仍可分离
制得了4-甲基-1-戊烯-VCl3的络合物
结晶的材料用作塑料和合成纤维。
立构规整聚合物的物理机械性能优于相应的无规聚合物,在工 业上有更高的使用价值。
如:全同PP:Tm=175 ℃,结晶 3. 立构规整度(tacticity)的测定 立构规整聚合物占总聚合物的分数,也称等规度或全同指数。
结晶度:结晶聚合物占总聚合物的量。
全同指数( IIP)
对于合成橡胶,希望得到高顺式 结构
测定方法 可根据规整聚合物的物理性质(如结晶、比重、熔点、化
学键的特征吸收或振动)来测量。测定依据是规整聚合物的物 理性质。
常用的是溶剂法,根据有规物与无规物溶解性能的差别。 选用可使无规聚合物溶解的溶剂,除去无规物,测出有规物的 含量,即可计算IIP.
全同聚丙烯的全同指数(isotactic Index)或称等规度), 常用沸腾正庚烷的萃取剩余物所占分数来表示。
Nobel
配位聚合是一种新型的加聚反应,从词义上说是单体与引 发剂经过配位方式进行的聚合反应。所以称配位聚合,得到的 聚合物具有定向立构规整性,定向聚合。
几种聚合名称含义的区别
配位聚合、络合聚合 在含意上是一样的,可互用 一般认为,配位比络合表达的意义更明确 配位聚合的结果:
可以形成有规立构聚合物 也可以是无规聚合物
2. 引发剂的作用 1) 提供引发聚合的活性种; 2) 提供独特的配位能力(反离子同单体和增长链的配位促使单
体分子按一定的构型进入增长链)起着连续定向模板作用。 控制方式: a. 引发中心控制:反离子与取代基之间的相斥作用-全同结构 b. 增长链端控制:相邻单体取代基间的相斥作用-间同结构
3. 单体的极性与聚合体系的相态
✓ 1954年,Natta用 Al(C2H5)3-TiCl3将丙烯合成规整度很高 的聚合物。(熔点175℃)
Natta
Natta (1903 ~ 1979)小传
意大利人,21岁获化学工程博士学位 1938年任米兰工业大学教授,工业化学研究所所长 50年代以前,从事甲醇、甲醛、丁醛等应用化学研 究,取得许多重大成果 1952年, 在德 Frankford 参加Ziegler的报告会,被 其研究工作深深打动 1954年,发现丙烯聚合催化剂 1963年,获Nobel化学奖
结晶度低:50-70% 低熔点:105-110 ℃
低密度:0.91-0.93g/cm3
✓ 1953年,Ziegler用Al (C2H5)3-TiCl4常压聚合得到高
密度聚乙烯(HDPE)(50-70℃)
结晶度高:80-90% 高熔点:125-135 ℃ 高密度:0.94-0.96g/cm3
Ziegler
• 极性单体(如MMA):均相引发剂易获得全同聚合物。
• 共轭单体(如St):均可获得有规立构聚合物。
• 聚合体系的相态:均相体系容易定向。 三.Zigler-Natta引发剂 1.Zigler引发剂和Natta引发剂 典型的Zigler引发剂:AlEt3(或AliBu3)—TiCl4。 典型的Natta引发剂:TiCl3—AlEt3。 Zigler和Natta引发剂,性质在很多方面不同的,但也有很多共 同点,其共引发剂均是有机铝化物,主引发剂都是ⅣB族过渡金 属卤化物。
2.Zigler-Natta引发剂和组份和种类 主引发剂是Ⅳ~Ⅷ族过渡金属化合物。 共引发剂是Ⅰ~Ⅲ族的金属有机化合物。 采用两组分Zigler-Natta引发剂时,所得聚合物的结构和立构规 整度,虽然有时也与共引发剂的种类有关,但主要取决于主引发 剂过渡金属组分。
3. Zigler-Natta引发剂的性质和反应 1)引发剂的性质直接取决于两组分的化学组成、过渡金属的 性质、两组分的配比和化学反应。
(A) 普通结构 (B) 桥链结构
(C) 限定几何构型配位体结构
金属茂中的五元环部分是环戊二烯基(Cp)或是茚基(Ind), 其中五元环上的氢可以被烷基所取代,金属M为锆(Zr)钛和 铪(Hf),X为氯、甲基等。
金属茂引发剂主要用于聚烯烃的合成,是80年代出现的新一 代引发剂,90年代已发展成聚烯烃的新型高效引发剂。
全同
光学异构
左旋 右旋
间同



几何异构

无规 顺式
反式
构象
C-C单键内旋转异构体
伸展型、无规线团、螺旋型和折叠链
nCH2=CH R
CH 2
* CH
CH 2
* CH
CH 2
* CH
R
R
R
CH3 H C=C
CH2 CH2
顺式1.4聚异戊二烯
CH3 CH2
C=C
CH 2
H
反式1.4聚异戊二烯百度文库
2. 立构规整聚合物的性能 聚合物的立构规整性首先影响聚合物的结晶能力。如无规聚丙 烯是无定型且用途不大的物质,而全同和间同聚丙烯则是高度
✓ 同年,Goodrich-Gulf公司采用(C2H5)3-TiCl4使异戊二 烯聚合,制得顺式1,4含量很高的聚异戊二烯。(95-97%)(成功 合成了NR)
✓Firestone轮胎和橡胶公司用LiR,得到顺式1,4含量很高的 聚异戊二烯(90-94%) ✓Ti,Co,Ni体系,顺式1,4含量很高的聚丁二烯(9497%)
2)反应—复杂(TiCl4-AlEt3 a.络合反应-产生引发活性种. b.烷基化反应-形成Ti-C键. c.还原反应-Ti还原成低价态.
四. 茂金属引发剂 由过度金属锆(Zr)或钛(Ti)与两个环戊二烯基或环戊
二烯基取代基及两个氯原子(或甲基)形成的有机金属络合 物和助催化剂甲基铝氧烷组成的 ,称作茂金属催化剂。是环 戊二烯基过渡金属化合物类的简称。
反应是阴离子性质
间接证据:
-烯烃的聚合速率随双键上烷基的增大而 降低
CH2=CH2 > CH2=CH-CH3 > CH2=CH-CH2 -CH3 直接证据:
用标记元素的终止剂终止增长链
14CH3OH 14CH3O- + H+
得到的聚合物无14C放射性,表明加上的是H +,而链端是阴离子
因此,配位聚合属于配位阴离子聚合
反应是四元环(或称四中心)的插入过程:
反应1是Mn+对 C=C双键的进攻。 反应2是增长C- 对C= C双键的进 攻。
单体的插入反应有两种可能的途 径 一级插入
δ-
δ+
CH CH2 Mt + CH CH2
R
R
δ-
δ+
CH CH2 CH CH2 Mt
R
R
不带取代基的一端带负电荷,与过渡金属相连 接,称为一级插入
K为仪器常数
二烯烃聚合物的立构规整度用某种立构体的 百分含量表示
聚丁二烯IR吸收谱带
全同1, 2: 991、694 cm-1 间同1, 2: 990、664 cm-1 顺式1, 4: 741 cm-1 反式1, 4: 964 cm-1
6.4 α-烯烃的配位阴离子聚合
丙烯:在不同的条件下可制得全同和间同聚丙烯(用α-TiCl3AlEt3于30~70℃聚合得全同聚丙烯,用VCl4-AlEt2Cl于78℃得间同聚丙烯)是重要的工程塑料之一。
Ziegler (1898-1973)小传
未满22岁获得博士学位 曾在Frankfort, Heideberg大学任教 1936年任Halle大学化学系主任,后任校长 1943年任Mak Planck研究院院长 1946年兼任联邦德国化学会会长 主要贡献是发明了Ziegler催化剂 1963年荣获Nobel化学奖 治学严谨,实验技巧娴熟,一生发表论文200余篇
综上分析,可知配位聚合是阴离子聚合,反离子是金属离 子,单体富电子双键与亲电的金属配位,可以得到结构规整的 聚合物,也有无规的。聚合物的结构与引发剂类型,引发剂的 组合、配比,单体种类,反应条件均有关。
二.引发剂 1. 配位(络合)引发剂类型: 1)Zigler-Natta引发剂; 2)π烯丙基过渡金属型引发剂; 3)烷基锂引发剂(引发二烯烃聚合) 以Zigler-Natta引发剂种类最多,组分多变,应用最广。
聚合工艺有气相法、淤浆法、溶液法和高压法。
6.3 聚合物的立构规整性(stereoregularity)
1. 立体异构现象(大分子的微结构)
线型
宏观结构
支链型


体型



重复单元结构


微观结构




聚 集
结晶

结 构
无定型态
序列结构 立体异构 玻璃态 高弹态
粘流态
对映体结构 几何异构
构象
(手性中心碳原子:非对称取 代的烯类单体或α—烯烃聚合 物分子链中的不对称的碳原子)
增长反应是经过四元环的插入
过程
δ-
δ+
CH CH2 增长链端阴离
子 碳对原烯子烃的双¦Ä键亲¦Ä¦Ä δ+CH
核进攻
R
Mt 过 渡 金 属 阳 离 子 Mt+ 对 烯 烃
CH2δ- 双键碳原子的 亲电进攻
插入反应包括两个同时进行的化学过程:
一. 配位聚合的特点: 单体首先在嗜电性金属上配位形成π络合物。 反应是阴离子性的,反离子是金属离子。 (α-烯烃的聚合速度随双键上烷基(R)的增大而降低, 若是阳离子过程,聚合速度将呈相反次序变化。)
第六章 配位聚合
6.1 引言(Introduction) 6.2 配位聚合
6.3 聚合物的立构规整性(stereoregularity) 6.4 α-烯烃的配位阴离子聚合
6.1 引言(Introduction)
1. 低密度聚乙烯
二十世纪30年代
ICI 公司
乙烯+苯甲醛
高温(180-200℃)
压力(180-200MPa)
金属茂引发剂具有聚合引发活性高,聚合物分子量均一、 分布窄,结构规整性高的特点。由于金属茂引发剂具有单一的 活性中心,能精密控制分子量及其分布、聚合物的结构和制备 特种聚合物,因此得到了迅速发展。目前已进入工业化应用开 发阶段。
发达国家已成功地用于工业规模合成线性低密度聚乙烯 (LLDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、等规聚丙烯(IPP)、间 规聚丙烯(SPP)、无规聚丙烯(APP)、间规聚苯乙烯(SPS) 等。
6.2 配位聚合
配位聚合:指单体分子首先在活性种的空位配位,形成 某种形式的络合物(常称α—π络合物),随后单体分子 相继插入过渡金属—烷基键(Mt-R)中进行增长,增长 反应如下图式如示:
本质:单体对增长链端各络合物的插入反应,所以又 称络合聚合或插入聚合(insertion polymerization)。
定向聚合、有规立构聚合 这两者是同意语,是以产物的结构定义的 都是指以形成有规立构聚合物为主的聚合过程
乙丙橡胶的制备采用Z-N催化剂,属配位聚合, 但结构是无规的,不是定向聚合
配位聚合
聚合物有立构规整,
也可以是不规整
Zigler-Natta聚合
定向聚合
聚合物结构规整
有规立构聚合
配位聚合的活性种根据链端的电荷性质,可以有R+、R-, 但其反离子大多是金属离子,所以配位聚合大多是阴离子 聚合。
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