第四章离子聚合

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制备成格利雅试剂 MgRX 以增加Mg-C键的极性,也能引 发活性较大的单体聚合,如丙烯腈、硝基乙烯等。
4.2.3 阴离子聚合引发剂与单体的匹配
阴离子聚合的单体和引发剂的活性各不相同,并具 有选择性。只有某些引发剂才能引发某些单体。 基本原则为: 活性大的引发剂可引发活性活从小至大的各种单体;
而引发活性小的引发剂,只能引发活性大的单体,
~CH2-CH2-CH2-SH
2、制备梳形和星形聚合物
CH3 ~CH2-C~ + C=O CH3 ~CH2-C~ C=O CHCH2~
活的PS 梳形聚合物
~CH2-CH-K+ →
OCH3
PMMA
ClH2C
CH2Cl + 4~CH2-CH-K+ CH2Cl
活的PS
~CH2-CH-CH2
CH2-CH-CH2~
添加终止剂(XA)
常用终止剂:水、醇、酸、醚、胺、醌等
动力学链不终止——链转移
碳阳离子活性中心与亲核物质(如单体、反离子等) 发生电荷转移,即链转移。 向单体转移终止——最主要的终止方式 活性种向单体转移,形成含不饱和端基的大分子, 同时引发剂再生,动力学链不终止。
自发终止(向反离子转移终止) 增长阳离子对重排导致活性链终止成聚合物,再生出引 发剂-共引发剂络合物,继续引发单体,动力学链不终止。
自由基聚合:慢引发、快增长、速终止(双基终止) 阳离子聚合:快引发、快增长、易转移、难终止
阴离子聚合:快引发、慢增长、无终止、无转移
慢增长是相对于引发而言较慢,其实 它的增长较自由基聚合快的多
4.2.5 活性聚合物和活性聚合
活性聚合物(Living Polymer)
当单体转化率达到100%,聚合仍不终止,形成 具有反应活性的聚合物,即活性聚合物。
增长反应是离子和分子间的反应,活化能
低,增长速度快,几乎与引发同时完成 。 (Ep=8.4~21kJ/mol); 中心阳离子始终与反离子形成离子对;
CH2 CH3
CH CH CH3
常伴有分子内重排,异构成更稳定的结构,
例如3-甲基-1-丁烯聚合。
CH2C (CH3)2
(3) 链终止
离子聚合的活性种带有电荷,无法双基终止,因此只
+
4.2.6 开环聚合
环状单体在引发剂或催化剂作用下形成线性聚合物的过 程称为开环聚合。
与缩聚反应相比,其聚合过程中无小分子生成;与烯烃 加聚相比,其聚合过程中无双键断裂,因此是一类独特的 聚合反应。
ClH2C
~CH2-CH-CH2
CH2-CH-CH2~
1,2,4,5-四氯甲基苯
星形聚合物
3、制备嵌段共聚物 先制备一种单体的“活的聚合物”,再加另一种
单 体共聚,制得任意链段长度的嵌段聚合物。 顺序加料嵌段(SBS树脂) nS Sn- SnBm- SnBmSi-
SnBmSi
偶合嵌段(ABBA形嵌段) 2AnBm-Li++Br(CH2)6Br→AnBm-(CH2)6-BmAn
氯甲烷为稀释剂, 在-100℃下聚合, 瞬间完成,分子量达20万
以上。 丁基橡胶冷却时不结晶,-50℃柔软,耐候,耐臭氧, 气密性好,主要用作内胎。
4.2 阴离子聚合
阴离子聚合通式:
式中:
A+:反离子, ,一般为金属离子。
B-:阴离子活性中心,一般由亲核试剂提供。
4.2.1 阴离子聚合的单体
单体:烯类化合物、羰基化合物、含氧杂环化合物等 原则上,取代基为吸电子基的烯类单体
含羰基化合物和杂环化合物:一般多采用离子聚合。
烯类单体通过电子效应判断进行何种聚合: 1)共轭单体能按三种机理聚合(苯乙烯、丁二烯、异戊二烯) 2)带有吸电子基团的单体可自由基和阴离子聚合(除非吸电 子性很强) 3)带有供电子基团(二甲基、烷氧基)的单体只能阳离子聚合 4)记住特殊的聚合方式(乙烯、丙烯) 5)含X原子一般自由基聚合
4.2.4 阴离子聚合的机理
阴离子聚合只有引发和增长两步基元反应:
引发反应取决于引发体系。 增长反应与阳离子聚合类似,也以离子紧对、松对,
甚至以自由离子的方式进行。
阴离子聚合无双基终止。增长反应中的活性链直到 单体完全耗尽仍可保持活性,因此有“活性聚合”的概 念。
阴离子聚合无终止的原因
从活性链上脱去负氢离子H-困难,能量很高。
式中: B-:反离子,又称抗衡离子 (通常为引发剂碎片,带 反电荷)。 A+:阳离子活性中心(碳阳离子,氧鎓离子),难以孤 立存在,往往与反离子形成离子对。
4.1.1 阳离子聚合的单体
回顾:连锁聚合的单体种类:
1.烯类单体: (95%以上) 2.含羰基(-C=O)化合物:醛、酮、酸、 酯。
3.杂环化合物:如环氧乙烷等。
~CH2-COOH
H+ ~CH2-COOLi CO2 OLi | ~CH2-CH-CH-CH2 O OH | ~CH2-CH-CH-CH2 O H+ ~C-H2Li+
活的PB
CH2-CH2 S ~CH2-CH2-CH2-SLi
H+
CH2-CH2 O ~CH2-CH2-CH2-OLi H+ ~CH2-CH2-CH2-OH
质子酸引发聚合温度较高(200~300℃),且聚合生成低分子产物( < 几千)
2、Lewis酸(最常用的阳离子引发剂)
AlCl3, BF3, SnCl4, ZnCl2, TiBr4等。
Lewis酸单独使用时活性不高,往往与少量共引发剂(如
水)共用,两者形成络合物离子对,才能引发阳离子聚合。
例如BF3-H2O引发体系。
BF3 H2O
X CH2 C Y H+(BF3OH)X
H+(BF3OH)X CH3-C+(BF3OH)Y
[ CH2 C H+(BF3OH)- ] Y
共引发剂:质子或碳阳离子供给体
质子供体,如H2O, ROH, RCOOH,HX等;
碳阳离子供体,如RCl, RCOX, (RCO)2O, ROR等。
阳离子聚合
取代基 X:
NO2
CN
COOCH3
阴离子聚合
CH CH2
C6H5
CH3
OR
自由基聚合
4.2.2 阴离子聚合的引发体系
阴离子聚合的引发剂:电子给体(亲核试剂) 根据引发机理可分两类: 电子转移引发 如碱金属,碱金属-芳烃引发剂 阴离子引发 如有机金属化合物
(1)电子转移引发
碱金属(Li、Na、K等)——电子直接转移引发
能通过单基终止和链转移终止,也可人为添加终止剂终止。
阳离子聚合的链终止
动力学链终止 动力学链不终止
动力学链终止
与反离子加成 反离子亲核性足够强时会与增长的碳阳离子以共价 键结合而终止。
活性中心与反离子的一部分结合而终止
CH3 CH3 CH3 (BF3OH) CH3 CH3 CH3 CH3 OH + BF3 CH3 H [ CH2 C ] n CH2 C H [ CH2 C ] n CH2 C
虽然高极性溶剂有利于增长,聚合速率和聚合度都较大,但溶 剂不应与中心离子反应,故应用中常选用低极性溶剂,如卤代烷。
(2)反离子的影响——影响显著
反离子亲核性对能否进行阳离子聚合有很大的影响。亲核
性强,易与活性中心离子结合,使链终止。如Cl-一般不宜作 为反离子。
反离子的体积越大,离子对越疏松,聚合速率越大。
反离子一般为金属离子,碳-金属键解离倾向大,无 法夺取每个原子或H+而终止。 活性链间相同电荷静电排斥,不可能双基终止; 微量杂质,如水、氧气、二氧化碳都会使阴离子聚合终止。
阴离子聚合需在高真空、惰性气氛或完全除水等条件下 进行,试剂和反应器都必须十分洁净。 在无终止聚合条件下,常通过人为加 入水、醇、胺等物质使聚合终止。
碱金属原子将最外层一价电子直接转移给单体,生成单 体自由基-阴离子,自由基阴离子末端很快偶合终止,形成 双阴离子,两端阴离子同时引发单体聚合。 如丁钠橡胶。 缺点:非均相引发体系
碱金属-芳烃引发剂——电子间接转移引发
如萘—钠引发体系在四氢呋喃溶液中引发苯乙烯的聚合。 碱金属亦可将电子转移给中间体(如萘),使中间体 转变为自由基-阴离子,然后再将活性转移给单体。这种引 发能量较低,反应速度快。
取代基对乙烯基单体聚合机理的影响如下:
阳离子聚合
取代基 X:
NO2
CN
COOCH3
阴离子聚合
CH CH2
C6H5
CH3
OR
自由基聚合
4.1.2 阳离子聚合的引发体系
常用引发剂
质子酸 Lewis酸
亲电试剂
4.1.2 阳离子聚合的引发体系
1、质子酸 如H2SO4、H3PO4、HClO4、Cl3CCOOH等强质子酸。 引发机理: 在非水介质中离解出部分质子,使烯烃质子化,引发 烯烃的阳离子聚合。 质子酸作为引发剂的条件: 有足够的酸强度产生质子; 同时酸根亲核性不能太强,以免与质子或阳离子结合形 成共价键,造成链终止。
小部分离解成质子和自由离子,两者之间建立平衡。
与单体双键加成形成碳阳离子
特点:引发速率极快,引发活化能为Ei = 8.4~21 kJ/mol (自由基聚合的Ei = 105~150 kJ/mol)。
(2) 链增长
引发反应生成的碳阳离子活性中心与反离子始终构成 离子对,单体分子不断插入其中而增长。
特点:
4.1.4 影响阳离子聚合的因素
(1) 反应介质(溶剂)的影响 在阳离子聚合中,活性中心离子与反离子形成离子对, 增长反应在离子对中进行。溶剂的极性大小影响离子对的 松紧程度,从而影响聚合速率。
共价键化合物
离子紧对
离子松对
自由离子
一般情况下,离子对为松对时的聚合速率和聚合度均较 大。溶剂的极性越大,松对比例越高,因此聚合速率和聚合 度都较大。
(3)聚合温度的影响——较小 根据Arrhenius公式,聚合速率和聚合度的综合活化能分别为:
聚合速率总活化能ER=-21~41.8 kJ/mol 聚合速率有随温度降低而增加的现象。 EXn一般为-12.5 ~-29 kJ/mol 聚合度随温度降低而增加——低温减弱链转移反应引起 的终止反应,延长活性种寿命,从而提高分子量。
例子
举例一:异丁烯聚合 AlCl3为引发剂, 氯甲烷为溶剂,在0 ~-40℃聚合, 得低分
子量(<5万)聚异丁烯,主要用于粘结剂、密封材料等;在
-100℃下聚合,得高分子量产物(5万~100万),主要用作 橡胶制品。 举例二:丁基橡胶制备 异丁烯和少量异戊二烯(1~6%)为单体, AlCl3为引发剂,
引发剂引发活性取决于向单体提供质子或碳阳离子的能力。
在工业上,一般采用反应速率较为适中的AlCl3-H2O引发体系。
4.1.3 阳离子聚合机理
链引发、链增长和链终止等基元反应; 快引发、快增长、易转移、难终止; 链转移是终止的主要的方式等。
(1) 链引发
主引发剂(C)与共引发剂(RH)形成络合离子对,
单阴离子
这类引发剂的活性太大,聚合不易控制,故目前已不使用。
金属烷基化合物——最常用的阴离子聚合引发剂
引发剂的活性与金属电负性有关,若M-C的极性越 大,引发活性越大。
RLi、RNa、RK都是引发活性很大的引发剂,其中以
RLi最为常用,如丁基锂。
Mg 的电负性较大,R2Mg 不能直接引发阴离子聚合。但
聚合反应按反应机理
连锁聚合
自由基聚合
离子聚合
逐步聚合
离子聚合
根据活性中心 的电荷性质
阳离子聚合
阴离子聚合
离子聚合的特点
微量的水、空气、杂质都 有极大的影响
单体的选择性高 聚合条件苛刻 聚合速率快,需在低温下进行 反应介质对聚合有很大影响
4.1 阳离子聚合
阳离子聚合通来自百度文库:
M A B M AM B M n
活性聚合
活性聚合物主要由阴离子聚合得到, 但现在在阳离子和自由基活性聚合方 面的研究也非常活跃。
引发体系在引发聚合之前,预先100%迅速转变成活 性中心,然后以相同的速率同时引发单体增长,至单体 耗尽仍保持活性,即活性聚合。
活性聚合的应用
1、制备遥爪聚合物 分子链两端都带有活性官能团的聚合物,两官能团遥 遥位居于分子链两端,像两个爪子。 -COOH:CO2 -OH:环氧乙烷 -NCO:二异氰酸酯
Na +
[ ]
THF
[
CH
]
Na
Na
萘自由基阴离子
Na + CH2
CH
CH2 +
苯乙烯自由基单 阴离子
2 Na
CH CH2
Na
CH CH2 CH2 CH Na
苯乙烯自由基双阴离子
(2)阴离子引发
有机金属化合物:如金属胺基化合物、金属烷基化合物和 格利雅试剂等。 金属胺基化合物 如NaNH2 和KNH2在液氨体系可呈自由阴离子形式引发聚 合,是研究得最早的阴离子引发剂。
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