第二章 逐步聚合反应

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环状高分子则由于不含未反应的末端功能基,其分子量 和性能不会因末端功能基间的反应而不稳定。
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第二章 逐步聚合反应
分子内环化通常利用局部的极稀浓度来实现,如:环状
双酚A型聚碳酸酯的合成。
H3C CH3
n
O
O
O Cl
Cl O
+ 2n NaOH
-(2n NaOH + n CO2 + n H2O)
H3C CH3
O O
O
O O n-1
O
H3C CH3
具体操作时,将双酚A的氯甲酸酯逐滴滴入大量过量溶 剂中,从而达到局部极稀,产生分子内环化。
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3.1.2 单体单元内环化
环化反应发生在同一单体单元内,如: HO(CH2)nCOOH (ω-羟基酸)的聚合。
当n=1时,双分子反应形成乙交酯,
CH2 O
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第二章 逐步聚合反应
课程内容:
1. 概述 2. 线型缩聚反应的机理 3. 线型缩聚反应动力学 4. 影响线型缩聚物聚合度的因素和控制方法 5. 分子量分布 6. 逐步聚合的方法 7. 线型逐步聚合原理和方法的应用 8. 非线型缩聚 9. 凝胶化作用和凝胶点
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第二章 逐步聚合反应
基本要求
【掌握内容】
H-(ORO-OCR’CO)n-OH + (2n-1) H2O
聚醚化反应:二元醇与二元醇反应,
n HO-R-OH + n HO-R’-OH
H-(OR-OR’)n-OH + (2n-1) H2O
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聚酰胺反应:二元胺与二元羧酸、二元酯、二元酰 氯等反应,
n H2N-R-NH2 + n ClOC-R’-COCl
单官能度的醋酸与三官能度的甘油进行酯化反应,产物 为低分子的三醋酸甘油酯,副产物为水。
只要反应体系中有一种原料是单官能度物质,无论 其他原料的官能度为多少,都只能得到低分子产物。 1-n体系(1-1、1-2、1-3、1-4等),低分子化合物
(2)2 -n 体系(n ≥2 )
缩聚反应
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缩聚反应常用的官能团:—OH、—COOH、 —NH2、—COX(酰卤)、—COOR(酯基)、 —OCOCO—(酸酐)、—H、—X、—SO3H、 —SO2Cl等。
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第二章 逐步聚合反应
基本特征: (1)聚合反应是通过单体功能基之间的反应逐步进行的; (2)每步反应的机理相同,因而反应速率和活化能相同; (3)反应体系始终由单体和分子量递增的一系列中间产物
n H2N-R-NH2 + n HOOC-R’-COOH H-(HNRNH-OCR’CO)n-OH + (2n-1) H2O
c. 两功能基不同并可相互反应:如羟基酸聚合生成聚酯
n HO-R-COOH
H-(ORCO)n-OH + (n-1) H2O
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(i)平衡线形逐步聚合反应 指聚合过程中生成的聚合物分子可被反应中伴生的小分
H-(HNRNH-OCR’CO)n-Cl + (2n-1) HCl
聚硅氧烷化反应:硅醇之间聚合,
n HO-SiR1R2-OH + n HO-SiR1’R2’-OH H-(OSiR1’R2’-OSiR1R2)n-OH + (2n-1) H2O
共同特点:在生成聚合物分子的同时,伴随 有小分子副产物的生成,如H2O, HCl, ROH等。
反应,单体分子与聚合物分子之间不存在可逆平衡,即不 存在化学平衡。
不平衡逐步聚合反应概括起来有两种: a.热力学不平衡反应:聚合反应的基本化学反应本身为不
可逆反应;
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第二章 逐步聚合反应
b.聚合方法不平衡反应:即聚合反应本身是平衡反应,但 在实施聚合反应时,人为地使聚合产物从反应体系中迅 速析出或随时除去聚合反应伴生的小分子,使可逆反应 失去条件。
非线形逐步聚合
(1)线形逐步聚合反应 参与反应的每种单体只含两个功能基,聚合产物分子链
只会向两个方向增长,生成线形高分子。
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第二章 逐步聚合反应
a. 两功能基相同并可相互反应:如二元醇聚合生成聚醚
n HO-R-OH
H-(OR)n-OH + (n-1) H2O
b. 两功能基相同, 但相互不能反应,聚合反应只能在不同单 体间进行:如二元胺和二元羧酸聚合生成聚酰胺
3 线形缩聚反应机理
3.1 线形缩聚与成环反应
缩聚反应过程中常常存在两种环化反应:分子内环化与 单体单元内环化。 3.1.1 分子内环化
分子内环化是 AB 或 AA/BB 型单体线形缩聚反应中重 要的副反应,环的形成由A和B功能基间的平均距离控制。
★ 浓度很高且分子链很长时,A功能基与其他分子链上的B 功能基,相互反应生成线形高分子;
子降解,单体分子与聚合物分子之间存在可逆平衡的逐步 聚合反应。
如聚酯化反应:
n HOOC R COOH + n HO R' OH
聚合 水解
HO ( OC-R-CO O-R'-O )nH + (2n-1) H2O
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第二章 逐步聚合反应
(ii)不平衡线形逐步聚合反应 聚合反应过程中生成的聚合物分子之间不会发生交换
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第二章 逐步聚合反应
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第二章 逐步聚合反应
1 概述
1. 1 逐步聚合的基本概念
逐步聚合是高分子合成最基本的类型之一。逐步聚合 的基本特征官能团之间的反应。聚合度随时间逐步增长, 而转化率在聚合初期即可达到很高,因此表现出与连锁聚 合完全不同的规律。
缩聚反应是最常见的逐步聚合反应。聚酰胺、聚酯、 聚碳酸酯、酚醛树脂、脲醛树脂、醇酸树脂等均为重要的 缩聚产物。
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第二章 逐步聚合反应
【理解内容】
1 .线型缩聚反应动力学 2 .逐步聚合的实施方法 3 .重要线型逐步聚合物的合成方法及用途 4.典型体型缩聚物的合成方法及用途 5. 统计法计算体型逐步聚合反应凝胶点
【了解内容】
1.体型缩聚反应中凝胶点的测定方法 2.相对分子质量分布 3. 线型逐步聚合反应中的环化反应
O CO
CH2
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第二章 逐步聚合反应
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第二章 逐步聚合反应
3.2 线形缩聚机理
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第二章 逐步聚合反应
(2)非线形逐步聚合反应 聚合产物的分子链形态不是线形的,而是支化或交联型
的。聚合体系中必须含有带两个以上功能基的单体。
本章主要研究以缩聚为主的逐步聚合
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第二章 逐步聚合反应
2 缩聚反应
2.1 缩合反应的特征
在有机化学中,典型的缩合反应如醋酸和乙醇的酯化 反应。除了得到主产物醋酸乙酯外,还有副产物水。
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第二章 逐步聚合反应
★ 浓度很低时,A功能基与同一分子链上的B功能基浓度较 高,相互反应生成环状高分子,即分子内环化。
分子内环化反应经常被用来合成环状低聚物与环状高分 子。环化低聚物可用做开环聚合的单体,具有以下的优点: (1)没有小分子副产物生成; (2)聚合反应速率高; (3)所得聚合物的分子量分布窄。
CH3
CH3 H2
二甲苯
[ CH2
CH2 ] n
聚对二次甲基苯
CH2N2 N2
重氮甲烷
[ CH2 ] n
聚乙烯
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第二章 逐步聚合反应
1.2 逐步聚合的类型
逐步聚合反应主要有两大类:缩合聚合和逐步加成聚合 (1)缩聚反应
例:聚酯反应:二元醇与二元羧酸、二元酯、二元酰氯 等之间的反应。
n HO-R-OH + n HOOC-R’-COOH
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第二章 逐步聚合反应
HOOC-R-COOH + HO-R'-OH
HOOC-R-COO-R'-OH + H2O 二聚体
HOOC-R-COO-R'-OH +
HOOC-R-COOH HO-R'-OH
HOOC-R-COO-R'-OOC-R-COOH + H2O 三聚体
HO-R'-OOC-R-COO-R'-OH + H2O
-N=C=O,-N=C=S,-C≡C-,-C≡N等
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第二章 逐步聚合反应
Diels-Alder加成聚合:单体含一对共轭双键,如:
+
与缩聚反应不同,逐步加成聚合反应没有小分 子副产物生成。
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第七章 逐步聚合反应
逐步聚合还可以按以下方式分类:
逐步聚合
线形逐步聚合
平衡线形逐步聚合 不平衡线形逐步聚合
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第二章 逐步聚合反应
(2)逐步加成聚合 重键加成聚合:含活泼氢功能基的亲核化合物与含亲电
不饱和功能基的亲电化合物间的聚合。如聚氨酯的制备。
nO C N R N C O + n HO R' OH
[ C N R N C O R' O ] n
OH
HO
含活泼氢的功能基:-NH2, -NH, -OH, -SH, -SO2H, -COOH, -SiH等 亲电不饱和功能基:主要为连二双键和三键,如:-C=C=O,
2.2 缩聚反应的特征
若参与反应的物质均为二官能度的,则缩合反应转化 为缩聚反应。 官能团间经多次缩合形成聚合物的反应,即缩合聚合的简称。
以二元羧酸与二元醇的聚合反应为例。当一分子二元 酸与一分子二元醇反应时,形成一端为羟基,一端为羧基 的二聚物;二聚物可再与二元酸或二元醇反应,得到两端 均为羟基或均为羧基的三聚体,也可与二聚体反应,得到 四聚体;三聚体既可与单体反应,也可与二聚体或另一种 三聚体反应,如此不断进行,得到高分子量的聚酯。
2 HOCH2COOH
HOCH2COOCH2COOH
OC
CO
O CH2
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第二章 逐步聚合反应
3.1.2 单体单元内环化
当n=2时,羟基失水形成丙烯酸;
当n=3或4时,形成五、六元环。
HO(CH2)3COOH
CH2 CH2
O CO
CH2
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HO(CH2)4COOH
当n>4,聚合反应。
CH2
CH2 CH2
2 HOOC-R-COO-R'-OH
。 。 。
HOOC-R-COO-R'-OOC-R-COO-R'-OH + H2O 四聚体
。 。 。
n HOOC-R-COOH + n HO-R'-OH
OO HO ( C R C OR'O )n H + (2n-1) H2O
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第二章 逐步聚合反应
例: 对苯二甲酸与乙二醇反应得到涤纶树脂; 己二胺与己二酸反应得到聚酰胺-66; 双酚A与光气反应得到聚碳酸酯; 氨基酸自身聚合得到聚酰胺。
许多特殊结构的聚合物也都是通过缩聚反应制得的。 缩聚反应的基本特征是平衡和反应中脱出小分子。
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第二章 逐步聚合反应
除此之外,尚有许多非缩聚型的逐步聚合反应。如聚 氨酯的聚合,酸催化己内酰胺开环聚合制备聚酰胺、氧化 偶合反应制备聚苯醚、芳核取代制备聚砜等,都是著名的 非缩聚型逐步聚合例子。
逐步聚合产物一般为杂链聚合物。但部分碳链聚合物 也可能是通过逐步聚合得到的,例如:
CH3COOH + C2H5OH
CH3COOC2H5 + H2O
反应物分子中能参与反应的官能团数称为官能度。醋 酸和乙醇中都只有一个能参与反应的官能团,因此都是单 官能团物质。上述体系称为1—1官能度体系。
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第二 章 逐步聚合反应
(1)1 -n 体系
单官能度的丁醇和二官能度的邻苯二甲酸酐进行酯化反 应,产物为低分子邻苯二甲酸二丁酯,副产物为水。
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第二章 逐步聚合反应
逐步聚合概念的提出
加聚和缩聚概念的提出: 1929年,Carothers 借用有机化学中加成反应
和缩合反应的概念
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第二章 逐步聚合反应
逐步聚合概念的提出:
1951年,Flory从聚合反应的机理和动力学角度 出发; 此分类方法涉及到聚合反应本质; 缩聚是最重要的逐步聚合反应。
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第二章 逐步聚合反应
缩聚反应的分类
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第二章 逐步聚合反应
根据参加反应的单体种类,可分
混缩聚:aAa和bBb缩聚反应,自身不能均缩聚
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第二章 逐步聚合反应
根据反应热力学特征,可分 平衡缩聚:平衡常数小于1000,聚酯合成 不平衡缩聚:平衡常数大于1000,聚酰胺合成
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第二章 逐步聚合反应
组成,单体及任何中间产物两分子间都能发生反应; (4)聚合产物的分子量是逐步增大的, (5)反应中有小分子脱出。
聚合体系中任何两分子(单体或聚合物分子) 间都能相互反应生成聚合度更高的聚合物分子。
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第二章 逐步聚合反应
官能度体系
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第二章 逐步聚合反应
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第二章 逐步聚合反应
2—2官能度体系聚合得到线型聚合物; 2—f(f>2)官能度体系聚合得到支链型 或体型聚合物。
1、逐步聚合的基本概念 官能团、官能度、反应程度、官能团等活性、基团数比(当 量系数)、单体过量摩尔分率、凝胶现象、凝胶点 线型缩聚、体型缩聚、无规预聚物、结构预聚物
2、逐步聚合的分类及典型聚合物的命名 3、逐步聚合反应的特征 4、线型缩聚反应中影响聚合度的因素及控制聚合度的方法 5、Carothers 法计算体型逐步缩聚反应的凝胶点 6、线型逐步聚合与体型逐步聚合的比较 7、逐步聚合与连锁聚合的比较
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