中科大聚合反应原理专论课件-Chapter 2 - Controlled Free Radical Polymerization
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《聚合反应原理专论》 chapter 1 (中科大研究生教学课件)
葡萄糖
糖 糖 胰岛素
Why do we develop the living polymerization
Control of molecular weight Prepare polymers with narrow molecular weight distribution Preparation of complicated architecture polymers, such as block copolymers, nonlinear polymers, including star, star block, hyperbranched, dendrimerlike copolymers etc.
Grafting polymer
Comb polymer
Star block copolymer
Miktoarm star polymer
General radical polymerization can not prepare block copolymers and other nonlinear polymers, the reason is:
O C
OCH 2CH 2OH n
H
O(CH 2)4OH m
OCN CH 2
n
NCO
Any application of block copolymers and nonlinear polymers
1. SBS is a thermoplastic elastomer.
2. Control of drug release: For example: synthesis of amphiphilic copolymers.
Cl Cl CH 2 CH CH CH 2 CH 2=CHCl
糖 糖 胰岛素
Why do we develop the living polymerization
Control of molecular weight Prepare polymers with narrow molecular weight distribution Preparation of complicated architecture polymers, such as block copolymers, nonlinear polymers, including star, star block, hyperbranched, dendrimerlike copolymers etc.
Grafting polymer
Comb polymer
Star block copolymer
Miktoarm star polymer
General radical polymerization can not prepare block copolymers and other nonlinear polymers, the reason is:
O C
OCH 2CH 2OH n
H
O(CH 2)4OH m
OCN CH 2
n
NCO
Any application of block copolymers and nonlinear polymers
1. SBS is a thermoplastic elastomer.
2. Control of drug release: For example: synthesis of amphiphilic copolymers.
Cl Cl CH 2 CH CH CH 2 CH 2=CHCl
第二章 聚合反应原理(2020年整理).pptx
称高分子化合物或高分子。高分子化合物也称之为大分子(macromolecule)、聚合物(polymer )。
高分子化合物的特点: 1 高的分子量:M.W.(molecular weight)>104;M.W.<103 时称为齐聚物(oligomer)、 寡聚 物或低聚物; 2 存在结构单元:结构单元是由单体(小分子化合物)通过聚合反应转变成的构成大 分子 链的单元;
到不同的平均分子量。常用的有以下几种:
⑴数均分子量(number average of molecular weight)
W
Mn
Ni
Ni i M Ni
ni iM
其中:W聚合物试样的质量(g);Ni-i-聚体的摩尔数;Mi-i-聚体的相对分子量 ni-i-聚体的摩尔分数。
测定方法有端基分析法、依数性测定法(包括冰点下降法、沸点升高法、渗透压法和蒸汽 压降低法)。
3 结构单元通过共价键连接,连接形式有线形、分支形或网络状结构。
如聚苯乙烯(PS):M.W.:10~30 万,线形,含一种结构单元—苯乙烯单元,属通用合成
塑料。
nCH2
CH
CH2
CH n
★结构单元(structural unit)和重复单元(repeating unit ):
PVC
PMMA
PS
CH3
重复单元 n
n CH2
CH
Cl
n CH2
CH
CH3
CH2 CH2
CH n
Cl
CH n
CH3
O
O
nHOOC
COOH+ nHO(CH2)2O#43;(2n-1)H2O
如果结构非常复杂,如分支、网络型大分子,不存在重复单元,其结构式一般只能写出其 特征结构单元和特征结构。如醇酸树脂等:
高分子化合物的特点: 1 高的分子量:M.W.(molecular weight)>104;M.W.<103 时称为齐聚物(oligomer)、 寡聚 物或低聚物; 2 存在结构单元:结构单元是由单体(小分子化合物)通过聚合反应转变成的构成大 分子 链的单元;
到不同的平均分子量。常用的有以下几种:
⑴数均分子量(number average of molecular weight)
W
Mn
Ni
Ni i M Ni
ni iM
其中:W聚合物试样的质量(g);Ni-i-聚体的摩尔数;Mi-i-聚体的相对分子量 ni-i-聚体的摩尔分数。
测定方法有端基分析法、依数性测定法(包括冰点下降法、沸点升高法、渗透压法和蒸汽 压降低法)。
3 结构单元通过共价键连接,连接形式有线形、分支形或网络状结构。
如聚苯乙烯(PS):M.W.:10~30 万,线形,含一种结构单元—苯乙烯单元,属通用合成
塑料。
nCH2
CH
CH2
CH n
★结构单元(structural unit)和重复单元(repeating unit ):
PVC
PMMA
PS
CH3
重复单元 n
n CH2
CH
Cl
n CH2
CH
CH3
CH2 CH2
CH n
Cl
CH n
CH3
O
O
nHOOC
COOH+ nHO(CH2)2O#43;(2n-1)H2O
如果结构非常复杂,如分支、网络型大分子,不存在重复单元,其结构式一般只能写出其 特征结构单元和特征结构。如醇酸树脂等:
聚合反应机理高分子科学与工程系PPT课件
X
X
CH2 CH2 + CH CH
X
X
歧化终止特征:
1. 大分子的聚合度与链自由基中单元数相同; 2. 每个大分子只有一端为引发剂残基;
3. 一个大分子的另一端为饱和,而另一个大分子的另一端
为不饱和。
第20页/共90页
四、链转移
自由基从单体、溶剂、引发剂、大分子上夺取原子而 终止,而失去原子的分子成为新的自由基,该过程称为 “链转移反应”。
第7页/共90页
2. 逐步聚合反应 大分子形成的过程是逐步性的,分子量逐步增加。
• 特征: 1) 聚合是通过单体官能团之间的反应逐步进行的 2) 反应初期单体很快消失,形成二聚体、三聚体、 四聚体等低聚物,随后这些低聚物间进行反应,分子 量随反应时间逐步增加。 3) 在逐步聚合全过程中,体系由单体和分子量递增 的一系列中间产物所组成。
链引发反应随所用引发剂、单体及反应条件的不同,
引发机理有很大的差别。
CH3 H A + CH2 C
CH3
CH3 H CH2 C A
CH3
第30页/共90页
2. 链增长反应
CH3
CH3
H CH2 C (BF3OH) + n CH2 C
CH3
CH3
CH3
CH3
H [ CH2 C ]nCH2 C (BF3OH)
BuCH2CH - Li+
C CH2 CH3
快引发
2. 链增长
增长反应是单体与增长聚合物链之间的加成反应,
单体不断插入到离子对中,活性中心不断向后转移。
H
kp
CH2 C
Li+ + CH2 CH
X
最新《聚合反应原理专论》 chapter 3(中科大研究生教学课件幻灯片课件
MW increased in a linear fashion with conversion. Polydispersity values are 1.2~1.3.
Disadvantages of biomolecular process
• The molar ratio of [BPO] to [TEMPO] is 1 : 1.3 for
3-2 Initiation
1. Two types of initiators (1) Bimolecular process
OO
CC
+
OO
.+ O N
130 oC
. . O
C
( O
)n
+ ON
O
C
( O
)n
ON
Features of this method:
➢ The bond between carbon and nitrogen is unstable
ensuring reversible termination of all chain radicals
CH2 CH
AIBN
CH2 CH
CH2 CH
This will lead to decrease of polymerization rate
CH2 CH R R
R= Chain radicals impurities
In this reaction, selecting suitable stable radical is key point. In many stable radicals, N-O and alkoxylamines free radicals are the best
Disadvantages of biomolecular process
• The molar ratio of [BPO] to [TEMPO] is 1 : 1.3 for
3-2 Initiation
1. Two types of initiators (1) Bimolecular process
OO
CC
+
OO
.+ O N
130 oC
. . O
C
( O
)n
+ ON
O
C
( O
)n
ON
Features of this method:
➢ The bond between carbon and nitrogen is unstable
ensuring reversible termination of all chain radicals
CH2 CH
AIBN
CH2 CH
CH2 CH
This will lead to decrease of polymerization rate
CH2 CH R R
R= Chain radicals impurities
In this reaction, selecting suitable stable radical is key point. In many stable radicals, N-O and alkoxylamines free radicals are the best
聚合反应模板.ppt
24
偶合终止:两链自由基的独电子相互结合成共 价键的终止反应
CH2CH + CHCH 2
X
X
CH 2CH X
CHCH 2 X
偶合终止的结果:
• 大分子的为两个链自由基重复单元数之和。
• 用引发剂引发且无链转移时,大分子两端均 为引发剂残基。
2019-10-24
谢谢聆听
25
歧化终止:某链自由基夺取另一自由基的氢原 子或其他原子终止反应
第二章 自由基聚合反应
2.1 连锁聚合概述
按反应机理
聚合反应
连锁聚合
自由基聚合 阳离子聚合 阴离子聚合
逐步聚合 自由基聚合的产物占聚合物总产量60%以上
自由基聚合的理论研究比较成熟完善
2019-10-24
谢谢聆听
1
连锁聚合的特点
分子量与时间的关系
转化率与时间的关系
2019-10-24
谢谢聆听
2
CH2CHY +S
X
单体(monomer) 溶剂(solvent) 引发剂(initiator) 大分子(macromolecule)
链转移反应不仅将影响聚合物的分子量,形成支链分子往往也 是链转移的结果 。
2019-10-24
谢谢聆听
29
二. 自由基聚合特征
自由基聚合反应在微观上可区分为链引发、增长、终止、转 移等基元反应, •具有为慢引发、快增长、快终止的特点。 其中引发速率最小,所以它成为控制总聚合速率的关键。
引发剂(initiator)——分子结构上具有弱键、易分解产 生自由基、能引发单体聚合的化合物(或物质)
• 引发剂
在聚合过程中逐渐被消耗、残基连接在大分子末端、不能 再还原成原来的物质
【优文档】聚合反应PPT
链式聚合反应是指在聚合反应过程中,聚合物链是仅由单体和聚合物链上的反应活性中心之间的反应生成,并且在新的聚合物链上再
生反应间活性通点过。 缩合或加成反应生成的。其中通过缩合反应生成聚合物链的称缩合
根加据聚反应机是理指和聚动合力产学物性的质重的复不结同构,单分元为的逐组步成聚与合单反体应相同(S的tep聚-G合ro反w应th,Po其ly聚me合ri产za物tio称n)加和聚链物式;聚合反应(Chain-Growth polymerization)。
—早根链—期据式聚 , 反 聚P合根应合o反据机反ly应单理应m体和是与动指e其力在riz生学聚a成性合t的质反io聚的应n合不过)物同程和之,中链间分,在为聚式分逐合子步物聚组聚链合成合是与反仅反结应由构单(应S上体te(p的和C-G变聚hro化合aw把物tihn聚链P-o合上Gly反的mre应反oriw分应za为活ttiho加性n)p聚中和o反心链l应之式y和间m聚缩的合e聚 反反ri反应应z应生a(C。成thiao,inn并-G)且r。o在wt新h p的ol聚ym合e物riz链ati上on再)。
链式聚合反应是指在聚合反应过程中,聚合物链是仅由单体和聚合物链上 根缩据聚反应机是理指和聚动合力产学物性的质分的子不组同成,比分单为体逐分步子聚少合若反干应原子(S,tep即-G在ro聚w合th反Po应ly过me程ri中za伴tio随n)有和水链等式小聚分合子反副应产(C物ha生in成-G,ro其wt聚h p合ol产ym物e称riz缩ati聚on物)。。
高聚物合成原理 ——聚合反应
主讲人:杨鑫莉
聚合反应的类别
早期,根据单体与其生成的聚合物之间在分子组成与结构上的 变化把聚合反应分为加聚反应和缩聚反应。
加聚反应是指聚合产物的重复结构单元的组成与单体相同的聚 合反应,其聚合产物称加聚物;
生反应间活性通点过。 缩合或加成反应生成的。其中通过缩合反应生成聚合物链的称缩合
根加据聚反应机是理指和聚动合力产学物性的质重的复不结同构,单分元为的逐组步成聚与合单反体应相同(S的tep聚-G合ro反w应th,Po其ly聚me合ri产za物tio称n)加和聚链物式;聚合反应(Chain-Growth polymerization)。
—早根链—期据式聚 , 反 聚P合根应合o反据机反ly应单理应m体和是与动指e其力在riz生学聚a成性合t的质反io聚的应n合不过)物同程和之,中链间分,在为聚式分逐合子步物聚组聚链合成合是与反仅反结应由构单(应S上体te(p的和C-G变聚hro化合aw把物tihn聚链P-o合上Gly反的mre应反oriw分应za为活ttiho加性n)p聚中和o反心链l应之式y和间m聚缩的合e聚 反反ri反应应z应生a(C。成thiao,inn并-G)且r。o在wt新h p的ol聚ym合e物riz链ati上on再)。
链式聚合反应是指在聚合反应过程中,聚合物链是仅由单体和聚合物链上 根缩据聚反应机是理指和聚动合力产学物性的质分的子不组同成,比分单为体逐分步子聚少合若反干应原子(S,tep即-G在ro聚w合th反Po应ly过me程ri中za伴tio随n)有和水链等式小聚分合子反副应产(C物ha生in成-G,ro其wt聚h p合ol产ym物e称riz缩ati聚on物)。。
高聚物合成原理 ——聚合反应
主讲人:杨鑫莉
聚合反应的类别
早期,根据单体与其生成的聚合物之间在分子组成与结构上的 变化把聚合反应分为加聚反应和缩聚反应。
加聚反应是指聚合产物的重复结构单元的组成与单体相同的聚 合反应,其聚合产物称加聚物;
《聚合反应》课件
3
能源储存
介绍聚合反应在能源储存技术中的创新应用,如锂离子电池和超级电容器。
聚合反应的反应条件
温度
探讨温度对聚合反应速率和产 物性质的影响。
压力
讨论压力对聚合反应平衡和反 应速率的影响。
催化剂
解释催化剂的作用和选择,以 提高聚合反应的效率。
什么是助聚剂?
介绍助聚剂的定义和功能,以及助聚剂在聚合反应中的应用。
2
反应时间控制
讨论对反应时间的控制,以实现最佳产物产率和质量。
3
催化剂用量
介绍催化剂用量对聚合反应的影响,以及如何进行控制。
2 有机化学品
讨论聚合反应在有机化学品合成中的重要性,如聚酰胺和聚酯的制备。
3 功能性材料
介绍聚合反应在制备功能性材料方面的应用,如涂层、封装和电子元件。
聚合反应在环保领域中的应用
1
可降解材料
探讨聚合反应在可降解材料的制备上的贡献,解决塑料污染问题。
2
水处理
讨论聚合反应在水处理中的应用,如净化废水和去除有害物质。
聚合反应生成的聚合物性质
物理性质 化学性质 机械性能
介绍聚合物的物理性质,如密度、熔点和玻璃化 转变温度。
讨论聚合物的化学性质,如稳定性、可降解性和 功能化。
探索聚合物的力学性能,如强度、弹性和耐磨性。
反应的催化作用
催化反应
解释催化反应的概念和机制,以及催化剂的种类。
聚合反应中的催化剂
介绍各种聚合反应中使用的催化剂,如阻聚剂和活 性剂等。
《聚合反应》PPT课件
在这个PPT课件中,我们将深入探讨聚合反应的各个方面,从基本概念到反应 机理,从环保应用到实验操作技巧,展示聚合反应的重要性和前景展望。
聚合反应工程讲课课件11[可修改版ppt]
内容提要
搅拌聚合釜的传热和传质
(The Heat and Matter Transfer of Polyreactor with Stirred)
讨论搅拌聚合釜的传热和传质过程。传热对聚合过程 有巨大影响,在设计搅拌聚合釜时对传热方式及传热面 积必须作出可靠设计。本章就传热的计算方法进行讨论。
聚合反应器简介 (Introduction of Polyreactor)
[][ ] du dy
dy/n cm 2
cm /s cm
dysn cm 2
此单位用符号P表示,称为泊。 N·s/m2(或Pa·s)、P、 cP与的换算关系为
1 Ps a 1P 0 10 c0 P0
➢ 运动黏度
运动黏度:流体黏度μ与密度ρ之比称为运动黏度,用符号
ν表示
ν=μ/ρ
(2)
其单位为m2/s。而CGS单位制中,其单位为cm2/s,称为斯 托克斯,用符号St表示。
聚合反应工程讲课课件11
CHAPTER 1 Introduction
outline
---- Course aims, objectives and outline
由多种原子以相同的、简单的结构单元通过共价键多 次重复连接而成的相对分子质量很大的化合物。
尼龙
聚氯乙烯
顺丁橡胶
相对分子质量 1.2~1.8×104 相对分子质量 25~30×104
在动力学分析的基础上,着重讨论反应器形式和操作 方 式对不同聚合机理聚合产物的分子量分布的影响。
搅拌聚合釜的设计 (Design for Polyreactor with Stirred )
介绍搅拌聚合釜的主要部件—搅拌器的设计方法。主要 介绍分散和悬浮类型搅拌器的设计。
《聚合反应原理专论》 chapter 4 (中科大研究生教学课件)
R X R X Initiator Initiator
M XnLm MnnXnLm M XnLm
Metal complex Metal complex
The choice of the metals and the initiators according to the monomer structures is crucial for controlling radical polymerization.
The rate and control of polymerization can also be increased by addition of some additives or by changing solvent.
2. Transition-metal catalysts
(1) Function of transition-metal complex a. Induce reversible activation (homolytic cleavage) of a dormant carbon-halogen bond at a polymer terminal via a one-electron redox reaction of metal center
CH 3 CH 2 C C C=O OCH 3
heat
CH 3 CH 2 C C=O OCH 3
. .
C
1
CH2 CH SCNEt2 O
hv
CH2 CH
..
S
SCNEt2 O S
CH2 CH Se
hv
CH2 CH
..
Se
CH2 CH O N
heat
CH2 CH
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COOCH3
CN
. CH3
CH3 C (MMA)n-1MMA COOCH3 +St
.Ph
+ C Ph CN
CH3
Ph
CH3 C (MMA)n (St)m C Ph
COOCH3
CN
b. B-O·radical
• Borinate radical can be produced by heating, for example:
• C(R2)3 should be stable radicals, • Can exist in high concentration.
• Stable during the polymerization, no substitution reaction, or dehydrogenation,
. . Ph N=N CPh3 heat Ph + CPh3
. . Ph + CH2=CH
Ph CH2 CH
Propagation
. . Ph (CH2 CH )n CH2 CH + CH2=CH Ph (CH2 CH )n+1CH2CH . . Ph (CH2 CH )n CH2 CH + CPh3 Ph (CH2 CH )n CH2 CH CPh3
is possible.
§2-2 Difference between anionic and free radical polymerization
Table 2-1. Comparison of free radical with living anionic polymerization
Active Species
method of free radical polymerization
Process conditions: bulk, solution, suspension, emulsion polymerizations.
Medium: water and common organic compounds
Some side reactions
Benzene Ph N=N CPh3 heat
N2 + Ph. + Ph3C.
Ph. +
Ph .
H 1
1 + Ph3C.
Ph
H 2
H CPh3
Ph . + Ph3C.
H
Ph3CH + Ph
Another compounds as initiator
C
Radical polymerization of MMA, St, and MA
for example,
. . Ph3 C + Ph3 C
Ph3C H
Thus azo compounds were synthesized
Ph N N CPh3
Initiation reaction
Ph N N CPh3
Ph
CH2 CH
Ph N2 CPh3 Ph CH2 CH
Initiation and polymerization mechanism
Initiation
CC
CPh3
CPh3
• Triphenyl methyl radicals are very stable and
can exist in high concentration
• Fast equilibrium, reduce the concentration of chain radicals
Chapter 2
Controlled Free Radical Polymerization
§2-1 The significances of living free radical polymerization
1. Importance in polymer industry
(1) Most of polymer materials are produced by the
(1) The compounds with triphenyl methyl group
CC C
Ph3CCH2CH2CH2OH N N CPh3
Theoretical consideration
• Homolytical split of C-C bond in polymerization condition
Preparation of block copolymers Comparing two radicals
.N N N
a
.N N N
b
Radical stability b >> a
4. Design of initiator
• The component of initiator: R1-C(R2)3
10-9 ~ 10-7 102 ~104 106~108 0.1 ~ 10
§2-3 Progress of living free radical polymerization
1. Living polymerization system containing Cr++ and peroxides
(3) Initiation efficiency
R group has big effect on the activity of radical pair, steric hindrance of the group is a key factor.
O
O
R
R
O
O
OO COOC
R=
O OO C OO C
OO
30
COOC
O
KPO
OO
20
C OO C
O
f (%)
10
BPO
0 0
5
10
15
20
25
Temperature (oC)
The influence of temperature on the f value
2. Initiation system by thermal decomposition
CH2 CH
CPh3
CH2 CH CPh3
Reversible termination
The reaction of free radicals
Ph3C CHPh2 heat Ph3C. + .CHPh2
Ph3C .
O2, ROH fast
Ph3COOH
Ph2CH.
O2, ROH fast
Ph2CHOOH
C8H17 O O B
. . heat C8H17 O + O B
Partially control polymerization of MMA
c. Triazolinyl radical
N RNNFra bibliotek. . heat
N
R +N
+nM
N
. R (M)n-1 M +
.N
N N
N R (M)n N
N
Controllable radical polymerization of MMA, St, MA and Vinyl acetate
(1) Ageing
OO C OO C
+ Cr2+
.O
O
C O + Cr3+ -O C
+
.O
O
C O Cr3+ -O C
(2) Initiation and propagation reactions
. O
O
C O Cr3+ -O C
MMA
. O
C
O
CH2
CH3 C
Cr3+ -O
O C
C=O
OCH3
(4) Developing new products
Products from homopolymerization are limited. The synthesis of new monomers is very difficult. Copolymerization can produce a variety of new
O
O
R=
Ketopinyl peroxide
(过氧化茨烷酮酰)
Initiation efficiency ( f ) = number of radical residues in the polymer/ number of radicals produced
The effect of polymerization temperature
• The bond between R1 and C(R2)3 can be C-C, C-O, C-N, C-S etc
• The bond between R1 and C(R2)3 should be weak and can be split homolytically in the polymerization condition
Initiation rate Conc of (mole/sec) active
species
(mol.L-1)
kapp
(L/molsec)
kt
τs
(L/mol-s) (Sec)
Anionic Very fast
10-4 ~ 10-2 2 ~3800 small
Long
Free radical
10-10 ~ 10-8
Ph2CH.