第二章_聚合反应

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H2 C H2 C
n
2. 杂链聚合物:主链上含有除碳原子以外还有其它 的元素的聚合物。 如:
H N
H2 C
6
H N C O
H2 C C
4
O
n
3. 元素有机聚合物:主链中没有碳原子的聚合物
如:
CH 3 O Si CH 3
无机高聚物:主链和侧链中均无碳原子的聚合物。如:
H N
P
N
P
B
2.1.3.2 根据性能和用途分类
不饱和双键单体的合成反应机理主要是以自由基聚合反
应。离子型聚合和自由基聚合都属于连锁反应。
(二)化合物的断裂方式:带有不饱和键的单体化合
物不饱和键断裂时有以下几种情况:
1. 均裂:形成自由基
2. 异裂:产生阳离子和阴离子 如:乙烯基类单体的聚合:
H H2 C C X
H C C
X
H C C
X
H C C
n
乙烯是气体
聚乙烯是固体等
2. 具有高弹性, 或其它特殊功能: 比如: 棉, 丝, 毛, 革, 天然橡胶等天然高分子及合成橡胶, 化学纤维, 塑料等合成高分子都具有交好的弹性。
乙炔气体 不导电
nHC
CH
H C
H C
n
聚乙炔 固体,导电
噻吩液体 不导电
n
S
S
n
聚噻吩 固体,导电
3. 高分子溶液的粘度上升. 4. 分子量(?)
引发剂的活化能一般为100 ~ 160 千焦/克分子. 对反应的速率而 言活化能小的聚合速率越大, 称为速效引发基. 分解速率与溶液有一定的关系. 如: 过氧化苯甲酰在不同溶剂中 的分解情况(温度 78.8 度, 时间 60分) 溶剂
CCl 4
苯 15.5
环乙烷 51
二氧六环 82.2
分解率(%) 13
n
单体1
单体2
重复结构单元
低聚物(Oligomer),聚合物(Polymer)
和高分子(Macromolecule)
高分子:具有重复结构单元的或没有重复单元结构的
大分子量化合物的总称。 聚合物:具有重复结构单元的大分子量化合物,一般
分子量达到一定程度后,增减其中几个单元
对材料的性质无多大影响。如:
为依据命名。 大多数烯烃类聚合物以原料为依据命名。常见的有: 聚苯乙烯 聚氯乙烯 聚a-烯烃
H2 C CH H2 C H C CH2 CH H2 C H C
2. 根据聚合物的结构命名
单元名称前加个聚字。
如:ห้องสมุดไป่ตู้
H N
H2 C
6
H N C O
H2 C C
8
O
n
已二胺
癸二酰
聚癸二酰已二胺
3. 根据商品名称命名: 1。后缀“纶”为合成纤维。
低聚物:具有重复结构单元,但是分子量不够大的化
合物。减少或增加其中几个单元,对化合物
性质的影响较大。
2.1.2 命名
虽然1972年提出聚合物的系统命名法,但目前高分 子的命名还是比较混乱。主要有以下几种命名方法。
1. 根据聚合物的来源来命名
比如以原料为依据:
聚乙烯, 乙烯为原料。 虽然烯键以基本破裂, 但是以原料
R C R + R’3N R C R NR‘ 3
氢转移终止:
R C R + H H C H H C CH2 R CH + R H H C C H
C
H
(二)阴离子聚合
(1)引发
R1
C R2 B H2 C
R1
C R2 M
M
B + H2C
(2)增长
H2 C
R1
C R2 M
H2C
C
R1
R2 B H2 C
(1) 引发 : 质子酸和碳阳离子引发,并加成到双键。
R1 MXn + H2C C R2 助催化剂 H2 C R1 C X R2
M
(2) 增长 (3) 终止
第一类: 电荷中和
R C R R
BF3O H
C R
OH
+ BF3
第二类: 生成稳定的正离子,不能增长。这种阻聚或中
毒效应可以由杂质如氧,胺和硫化物引起。
CH2
H2C
n
2. 缩聚反应:
含有两个或两个以上的功能团通过缩合而聚合的反应.
n HOOC(CH2)4COOH + n H2N(CH2)6NH2
O HO C H2 C O C
4
NH
H2 C
6
H N
n
H
+ (2n-1)H2O
分类的主要依据: 加成反应不除去小分子, 缩聚反
应过程中
除去小分子.
同一种聚合物可以由不同的原料, 不同的方法合成. 合成方法的不同, 虽然所得聚合物的化学成分相同, 但是, 物理性质却有很大的差别. 比如: 聚乙烯可以用以下三种方法合成
如:聚丙烯:- 为丙纶;聚丙烯腈:-为腈纶 聚氯乙烯: --- 氯纶等等。
2。后缀“橡胶”为合成橡胶
如:丁二烯-苯乙烯共聚物称为丁苯橡胶等。
3。后缀“树脂”为塑料一类的聚合物
4。直接引用国外商品名。如:聚酰胺称为尼龙 (nylon)。
H N H2 C
6
H N C O
H2 C C
4
O
n
尼龙-66
4. IUPAC(国际纯化学和应用化学会)系统命名法
然相同, 但是物理性质大有区别.
高聚物的物理性质不但与高聚物化学成分有关, 而且与他的分子量, 分子的立体结构排列等有关. 这一些与合成方法有很大的关系. 为此, 高分子的 合成方法有为重要.
根据聚合反应的机理分类, 可分为连锁反应和逐 步反应. 连锁反应一般指加成聚合反应, 而逐步反应指的 是缩聚反应. 对聚合反应虽然大体上可分为以上的两类, 但 是因为高聚物反应机理仍在继续研究的课题, 其
+
X H2 H C CH + C H X
R
H 2C
CH X
H2C
C
+
X 能继续反应
H2 H C CH X 终止,使分子量不能提高.
双键活化自由基反应是这一类反应中最重要的反应
如: 聚苯乙烯可以被引发剂引发打开双键进行聚合
R + H2C
CH R H2 C CH
在一定条件下,含有张力环的化合物也可以自由剂引发聚合
继续与单体反应
RH 2C
H C X
H2 H C C X
(3). 键的终止: R H2 H C C X X + C H
(1) H2 C R (2)
R
H2 H C C X
H2 H C C X H C
R
R 注: (1) 偶合终止; (2) 岐化终止.
(4). 键的转移: 甲. 向单体自由基转移 H2 H C C X
5. 分子量具有多分散性.
单体及重复单元
Cl C H Cl H2 C C H H2 C Cl C H
nH2C
CHCl
H2 C
H2 H C C Cl
聚乙烯
n
乙烯 单体
重复结构单元
P(ThO2-Th)
Br O Br O
S
+
Me3S n
S
S n Me 3
Pd(PPh 3)4 DMF, 90 度
S O O S
合物所生成的共价键的键能不同, 产生自由基的难易
程度也不同. 如: 石油馏分烷烃裂解能产生自由基, 但 需要几百度的高温. 不能有效的应用在引发聚合.
大部分自由基聚合在适当的引发剂产生自由基后,
通过这一些自由基来引发单体产生其它自由基来进 行. 3. 引发剂 (1). 引发剂的分类 作为引发剂的物质是易于分解或通过自发的化学
(1). 键的引发: 引发剂分解成初级自由基: 链引发 R
+ H C
2
I CH X
2R RH 2C
CH X
H C X H C X
H2 C CH X H2 C CH X H2 C CH X
(2). 键增长 RH C 2
H C X
CH X
2HC
RH 2C
2HC
RH 2C
H C X
H2 H C C X H2 H C C X
乙. 向引发剂转移
H2 H C C + R-R X
丙. 向大分子转移
X HC H2 C CH 2
H2 H C C X
H2 X C C H2C
R +R
H C X
支化 交联
CH X
H2 C
C X
H2 C H2 C
X C
C X
(四). 加聚反应实施方法
1. 本体聚合: 单体 + 引发剂 (少量) 不用分散剂和溶剂.
最小结构单元
命名:聚氧化亚乙基;(一般杂原子在前)
杂原子排列:
O, S, Se, Te, N, P, As, Sb, Bi, Si, Ge, Sn, Pb, B, Hg.
其它按周期表中的位置排列.
其它常用聚合物的系统命名法举例:
2.1.3 聚合物的分类 2.1.3.1 根据聚合物主链结构分类 1. 碳链聚合物:主链完全由碳原子构成的聚合物。 如:
2.悬乳聚合:
3. 乳液聚合: 三. 离子型聚合 离子型聚合反应也属于连锁反应. 分为阳离子聚合反应及 阴离子聚合反应. 其反应机理与自由基反应 大致相同. (一). 阳离子聚合反应 1. 阳离子聚合催化剂
(1)质子酸: 强无机酸。 如:盐酸,硫酸,HF, HClO4 等。 强有机酸: CF3COOH,CCl3COOH等。但只能产生低 聚合物。
n H2C
CH2
Cat
CH2
CH R
R' n+1
Cat
CH2
CH R
R' + HY
Cat-Y + H3C
CH2
CH R
R'
(2) 向单体转移
Cat
CH2
CH R
R' + H2C
CHR
1. nH2C
CH2
H2 H 2C C n 较硬的固体
(加成聚合) 2. Br(CH2)10Br + 2n Na (缩聚合) H2 H2C C + 2nNaBr n 脆的石蜡
3. nCH2N
H2C (缩聚合)
H2 C n
+ nN2
与1相同
其中反应1和3可得到分子量较高的高聚物, 反应2
得到的高聚物分子量不高, 为此他们的化学成分虽
通用性高分子 功能高分子
橡胶,纤维,塑料
粘合剂,涂料等。
导电高分子,荧光 高分子,磁性高分 子等
2.1.4 高分子材料的组成和成型加工
2.1.5 聚合反应
一.聚合物合成反应的分类
高聚物合成反应可分为两大类:
1. 加成聚合反应: 不饱和烯烃类以及环状化合物的
通过自身的加成反应而聚合的反应.
H2 C
nH2C
H2 C H2 C C CN C H2
R + HC
R CH
C H2
C CN
含有双键和张力环的化合物的自由基聚合,也有双键未被破坏 的举例:
R + H2C
H C
R
H2 C
H C
R
H2 C
H C
H C
H2 C
C
2. 自由基的产生 有机化合物和部分无机物在光, 热, 辐射等的作用 下有均裂成独电子集团的可能性. 但是, 因为各类化
X
1
2
3
3, 阴离子
1. 自由基(未成对电子); 2-阳离子;
(三) 自由基聚合反应的机理
1.链增长过程
A1
A1 A2 An An
A1 + A2 An-1 + A1 An
A1....----单 体 An-----聚合物 A1....-----活 性 中 心 A2,A3 ... An-1 , An
增长的活性中心
R1
C R2
B
H2 C CH
R1
M R2
(3)终止:通过岐化或偶合终止。
四, 齐格勒-那塔聚合
本方法是属配合-催化法。
ZIEGLER-NATTA 法的聚合机理
1. 引发 H2C CHR + Cat R' Cat CH2 CH R' R 2.增长 Cat CH2 CH R 3.终止 (1) 用含有活泼氢的化合物 R' +
(2)路易氏酸:MXn。 如:BF3, AlCl3, TiCl3,FeCl3, SnBr3 等。 (3)碳阳离子源 (4)卤酸
I2, 2I2 I + I3, I 引发。
Ar 3C-X, Ar 3CHgX 3, RCOBF, RCOCl
4

(5) 配位络合物
T iCl4 + ClR T iCl5R
2。反应机理
系统命名法只适合于重复单元以单个原子相连接的线 形聚合物。重复单元以两个原子连接的聚合物暂时没有 系统命名方法。 如:
n
基本规则: 1.找出最小结构单元: 2.排好重复单元中次级单元的顺序。
3. 以有机化合物的命名规则命名最小单元的名称。
4. 该名称前加“聚”字。 例:聚环氧乙烷: 结构:
H2 O CH 2 C O CH 2 H2 H2 C O C CH 2
中反应机理还未明确的反应也很多, 反应的条件,
共存物质等不同, 反应机理也有很大的差别.
2.2 连锁聚合反应
(一). 加成聚合反应的特点
1. 无小分子生成。
2. 聚合物与单体化学组成相同。
3. 分子量为单体分子量的整数倍。
4. 可达到很高的分子量, 反应瞬间完成.
通常的单体为不饱和碳氢化合物和部分脂肪环。
反应产生自由基的化合物. 主要有有机过氧化物; 有
机偶氮化物; 无机过氧化物等.
引发剂举例:
偶氮二异丁氰:
H3C C H3C CN N N C CH3 CH3
40~50度
2NC
CH3 C CH3
+
N2
CN
过氧化二苯甲酰:
O C O O O C
2 2
CO
O
+ CO2
过硫酸钾
K2S2O8 2
O
O
S
O O
第2章 高分子材料的制备反应
2. 1 高分子 与高分子材料 2.1.1 基本概念
无论是天然高分子或人工合成的高分子是有成千上万的原 子以共价键结合而成的。高分子与低分子比较,主要区别可
归纳为以下几点:
1. 物态改变: 若低分子为气体或液体状,对应的高分子 呈固体状。 如:
nH2C CH2 H2C H2 C
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