第七章模板聚合

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(3)基本上不随氨基或卤化物上CH2的数目而变化。 (4)反应中Cl-的形成速率较Br-低得多。

作为模板使用的脂肪族离子聚体一般希望相对分子 质量比较低,以利于聚合物从模板上分离下来。

例1:6, 6-Br离子聚体的制备
将7.2g(0.029mol)1,6-二溴己烷溶于 25mLDMF中,于室温下加入溶有5.05g (0.029mol)的N, N, N’, N’-四甲基-六亚甲基二胺的DMF溶液25mL。反应48小时,将产物 通过过滤器于溶剂分离,并于50℃下进行真空 干燥。进一步精制可将粗产品溶于水中,用丙 酮沉淀。沉淀物用丙酮多次洗涤,在50℃下真 空干燥,产率88%。
速率的提高。

其次,与溶液聚合相比,模板聚合的引发剂浓
度级数也比较高。在自由基均相聚合过程中, 引发剂浓度的反应级数为0.5级,表明链终止 为增长链的双基相互作用。但在模板聚合中, 单体聚集在模板上,一旦引发就很快聚合完毕, 链终止主要是通过向溶剂转移。因此与引发剂 浓度的关系为1级反应。这也是导致聚合速率 提高的原因之一。
第七章
模板聚合
一.概述

―模板聚合”(Matrix polymerization)一词自 从Kargin于1960年提出来以后,至今已有近50 年历史。

日本土田英俊教授为模板聚合下的定义为:能 与单体或生长链通过氢键、静电键合、电子转 移相互作用、范德华力等相互作用的高分子 (模版),实现放进聚合体系进行的聚合称为 模板聚合。
体浓度5×10-3mol/L,聚合温度70℃。
苯乙烯磺酸(SSA)的模板聚合:(α,α,α)4-OH离聚体 为模板,异丙醇/水[25/57(体)]为溶剂,AIBN作为引 发剂,浓度10-4mol/L,单体浓度5×10-3mol/L,聚合温 度70℃。
SSS聚合转化率与时间的关系 (T= 70)
(α,α,α)4-离聚体—SSA聚合转 化率与时间的关系
y + +
SO 3
1.7nm
N
N ( CH2 )x N SO 3
x = 4 y = 0.9nm x = 6 y = 1.15nm x = 8 y = 1.4nm
CH CH2 CH CH2

由于每一个模板单元带上两个单体反离子,
使模板周围的单体浓度在同样的条件下比一
般聚合体系要高3个数量级,从而导致聚合
相对分子质量较大的PMMA使单体聚合速率加快。 全同立构PMMA作用下有利于间同立构PMMA的形成, 而在间同立构PMMA的作用下,有利于全同立构PMMA 的形成。 例如使用间同立构规整度为90%,相对分子质量为 3×105的s-PMMA为模板,在s-PMMA/MMA = 6时,使 单体MMA聚合,结果得到了全同立构为87%,间同立构 为5%,无规立构为8%的PMMA。
SSS聚合速率常数 与反应温度倒数的关系 Ea:95.5±2.5kJ/mol
(α,α,α)4-离聚体—SSA聚合转 化率与反应温度倒数的关系 Ea:70.8±3.8kJ/mol

首先是(α,α,α)4-OH离聚体与SSA反离子通
过静电作用形成当量复合物,使SSA在模板周 围的浓度提高。单体浓度可根据分子模型以围 绕一个直径为1.7nm,高度为0.9nm的圆柱体 上来计算。
N
N +
Br ( CH2 )4 Br
Br+ [ N
Br+ N ( CH2 )4 ] n
在反应过程中,离聚体相对分子质量的大小与反应时间
有关。反应时间越长,所得产物的相对分子质量越高。 为了获得相对分子质量分布比较均匀的离聚体,可对产 物进行分子量分级。

(α,α,α)4-Br离聚体分子链中两个连续电荷之 间的距离为0.45nm,有利于单体反离子的相 互作用,并使双键易于聚合。由于(α,α,α)4OH离聚体在水溶液中十分稳定,因此在实际 作为模板使用中,都将季胺溴盐通过离子交换 或与AgOH作用转化为季胺羟基盐(N+OH-) 的形式。反应式如下:


所得的聚合物通过元素分析结果如下:
计算值,% C=18.45,H=2.32,S=24.64,N=0;
检测值,% C=18.15,H=2.60,S=24.10,N=0 说明分离所得的聚合物确是聚乙烯磺酸钠,这一结果也 为IR光谱所证实。 产率只有50%的原因:

1、与模板上形成的二聚物或三聚物末分离出来;
板,分别加入当量比的SSA单体中和,采用异丙醇/水
混合溶剂[25/75(体)],以AIBN为引发剂,在70℃ 下进行聚合。单体转化率与时间的关系如图7和图8所 时,从中计算出的电荷密度与聚合速率见的关系如表 1所示。
1
2 3
1
2
不同离聚体作用下单体SSA转化率与 时间的关系 1:(α,α,α)4-离聚体—SSA 2:(α,α,α)6-离聚体—SSA 3:(α,α,α)8-离聚体—SSA

聚合反应速率方程:Vp = K[I][M]

3.3 模板聚合实例

以苯乙烯磺酸(SSA)为单体,以(α,α,α)4OH离聚体为模板,采用以下配方在70℃下进行 聚合:
复合物[(α,α,α)4-OH离聚体:SSA = 1:1]

1×10-3 mol/L

AIBN H2O/CH3CH(OH)CH3
不同离聚体作用下单体 SSA转化率与时间的关系 1、6,6-离聚体—SSA 2、6,10-离聚体—SSA

聚合速率与电荷密度成正比,随着电荷密度的升高而加 快。说明单体反离子沿着模板排列有一适宜范围。 Hirschfeld和schmidt在观察固体聚合时指出:当单体双 键之间的距离大于0.4nm时,会产生阻聚作用。 (α,α,α,)4-离聚体与SSA的双键平均距离在0.4nm范 围内,因此聚合速度快。
Br+ N ( CH2 )4 ] n AgOH OH[ N
+
Br+ [ N
OHN ( CH2 )4 ] n
+

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用上述方法还可以制备(α,α,α)6、(α,α,α)
8 –Br或OH等离聚体。随着聚合物中次甲基的
增加,电荷之间的距离也从0.45nm增加至
0.90nm。这对模板与单体之间的作用有一定
影响,从而影响聚合速率。
Ma M
b
M
c
2)增长链与模板的作用比单体更强时,增长链 总是与模板处于缔合状态,图b所示的高分子
复合物.
3)单体、增长链与模板的相互作用相同,此时
单体沿着模板进行聚合,所产生的聚合物与模 板缔合,图c .

3.2 自由基模板聚合动力学
为了比较单体在有模板和无模板作用下的聚合动力学, 选用了以下两个聚合体系: 苯乙烯磺酸钠(SSS)的溶液聚合:异丙醇/水[25/57 (体)]为溶剂,AIBN作为引发剂,浓度10-4mol/L,单
(CH2)y
X
CH3 [ N+ CH3
CH3 N+ CH3
X(CH2)y ]n

在上述反应物中,x、y值是控制生成物主链上电荷 密度分布及聚合物结构的主要参数。反应速率与以 下因素有关:
(1)反应级数与使用的溶剂有关。DMF溶剂为一级反 应,DMF-甲醇混合溶剂为二级反应。
(2)溶剂的介电常数越高,反应速率越快。



模板聚合虽然与一般聚合一样,都要从热力学
和动力学两方面去考察反应能否进行,但由于
模板的存在,使聚合速率加快,聚合物分子排
列整齐,从而引起科学家的研究兴趣。但由于
反应的复杂性,至今尚有许多理论问题没有得
到解决。
二 模板的合成

2.1 模板的种类与特征 目前模板聚合一般采用主链上含有氮原子的

将1g(α,α,α)4—离聚体—聚乙烯基磺酸溶 解于50 mL的6 mol/L的HCI中,加入1g K2S2O8,然后再用6 mol/L NaOH中和,此时 (α,α,α)4—离聚体会沉淀出来,清液中有聚 乙烯基磺酸钠、NaCl、K2S2O8存在。 采用相对分子质量为500的过滤袋将清液进 行过滤,除去低相对分子质量的盐类、溶剂和 相对分子质量低于500的聚合物。保留在过滤 袋内的聚合物溶液经冷冻干燥,即可得到产品, 产率为50%。
1×10-4 mol/L 75/25(体)

这种聚合反应对氧极其敏感,少量氧的存在都会起阻聚
作用,导致聚合的失败。聚合前采用抽真空的方法排氧。

取上述配制液5ml置于特制的聚合瓶中,用聚四氟乙烯 制成的耐高真空盖将其盖严,然后置于液氮中冷冻数分 钟,使全部配制液凝固。 采用机械泵和扩散泵抽真空至其压力低于10微米,再通 入氩气将氧气置换干净,如此反复数次。 将聚合瓶置于恒温水槽中,于70℃下进行聚合,并随时 测定它的转化率。



6,10-离聚体—SSA根据分子模型估算双键距离约为 0.6~0.8nm,大于允许距离0.4nm,因此聚合速率较馒

但由于模板具有催化作用,因此即使采用6,10-离聚体 作为模板,其聚合速率比无模板时仍要高出两个数量级。
制和变化;
(3)合成过程简单;
(4)通常反离子为卤素原子,但是在一定条件
下可以被其他阴离子取代。
2.2 脂肪族模板合成举例

N, N, N’, N’-四甲基α,β-二氨基碱和α,ω二卤化物反应得到脂肪族的离子聚体, 反应历程如下:
CH3 CH3 X (CH2)x
-
CH3 CH3
N
(CH2)x
N
+
X
三 模板聚合

3.1模板聚合基本上可分为三类:
1)当模板与单体的相互作用比与增长链的作用更
强时,模板先与单体作用,然后随着聚合的进行, 单体不断从模板上脱落而加成到增长链上,此时 模板实际上起到了催化剂的作用(图a)。
X X X X X M M M M* X X X X X X M M M M* M X X X X X X M M M* M M M M

许多聚合反应中都存在模板聚合现象。例如,将聚甲
基丙烯酸甲酯(PMMA)溶解于甲基丙烯酸甲酯 (MMA)中,在反应温度为60℃,无引发剂存在下 可引起聚合。

不同立体结构的PMMA对MMA单体在无引发剂存在 下的聚合有很大影响。

单体的聚合速率在规整的PMMA的作用下比在无规的 PMMA作用下要大许多;



待转化率达到要求后,将反应管置于液氮中使反应终止。 将聚合物经冷冻干燥等处理,即得含有模板的聚合物。

如何将聚合物从模板上分离出来,是当前研究
的重要课题,但成功的例子尚不多。

唯有乙烯基磺酸在模板(α,α,α)4-离聚体作用
下形成的聚合物,通过溶解于6 mol HCl中,将
聚乙烯磺酸钠从模板上分离开来获得成功。
2、相对分子质量低于500的聚合物通过过滤袋分离出去 了。

但这一方法作为从模板中分离出聚合物是达到了目的的。
3.4 影响模板聚合的因素

3.4.1 模板的影响 选择杂脂环族(α,α,α,)4-、(α,α,α,)6-、 (α,α,α,)8-以及脂肪族6,6-、6,10-离聚体为模
1.模板电荷分布对聚合速率的影响

在实用中,模板聚合最常见的过程为:不饱和 单体首先与模板聚合物进行某种形式的复合, 然后在模板上进行聚合,形成的聚合物最后从 模板上分离出来。
复合
M:单体,X-X-X-X-:模板
聚合
分离

模板聚合方法最早用于生物化学反应方面。

聚核酸的合成中,不仅需要活化的核苷酸和适宜的生
物酶,还要有己二酸二壬酯作为模板。
阳离子聚体作为模板。使用最多的有脂肪族 含氮聚合物和杂脂环族含氮聚合物: 1、脂肪族含氮聚合物
R1为脂肪族基团;R2、R3为(CH2)n
2、杂脂环族含氮聚合物
[
Br + N
Br + N
( CH2 )x]n
其中:x = 4,6,8

这类聚合物的特点: 它离子聚体要高;
(1)离子位于聚合物的主链上,它的密度较其 (2)离子在主链上的排列是有规律的,可以控

反应可用下式表示:
CH3 CH3
N (CH2)6 N
CH3 CH3
-
+
X
(CH2)6
X
CH3 [ N+ CH3
X (CH2)6
CH3 CH3
N + (CH2)6 ]n
X

2.3 杂脂环族模板合成举例
在杂脂环族模板的合成中,多选用低分子量的刚性离子 聚体,以利于聚合物从模板上分离出来。
(α,α,α)4-Br离子聚体制备过程: 将2.25g(0.012mol)1,4-二溴丁烷溶于5mL甲醇和 DMF[1:1(体)]的混合溶液中,于室温下加入溶有 1.346g(0.012mol)的1,4-二氮二环辛烷的甲醇/DMF 溶液5mL。反应48小时候,将产物移于旋转蒸发器中, 将溶剂蒸发后,所得粗产品经丙酮洗涤后干燥,又经甲 醇/乙醚萃取精制,然后于50℃下进行真空干燥即得精 品,产率90%。
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