缩聚反应

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COOH
酐:
O C
O
C
O
O
C
O
C O
酯: H3COOC
O
HOOC
O C
O C
O
C CH
O CH
C
O
HOOC
COOCH3 酰氯: ClOC(CH2)4COCl
COOH COOH
O Cl C Cl
胺: H2N(CH2)6NH2, H2N(CH2)10NH2, H2N
异氰酸:O C N
NCO OCN
醛: O H-C-H
程度来表述反应深度更确切。
反应程度:是参加反应的官能团数占起始官能团数
的分数,用P表示。反应程度可以对任何一种参加反 应的官能团而言。
P = N0-N = 1- N
N0
N0
聚合度与反应程度关系
对于等物质量的二元酸和二元醇的缩聚反应,设: N0:体系中起始二元酸和二元醇的分子总数 ,等于起始 羧基数或羟基数;也等于反应时间t时的结构单元数。 N:反应到t 时体系中残留的羧基或羟基数,等于聚酯分
反应。如酚醛树脂、环氧树脂等。
均缩聚只有一种单体进行的缩聚反应,即2-体系(如羟
基酸或氨基酸缩聚),也称自缩聚;
普通缩聚或混缩聚两种分别带有相同官能团的单体
进行的缩聚反应,即 2-2体系,也称为杂缩聚
共缩聚在一般缩聚体系中加入第三或第四单体进行的
缩聚反应。如乙二醇与对苯二甲酸缩聚成涤纶聚酯, 加入第三单体丁二醇共缩聚,降低涤纶的结晶度与熔
r
Na Na+Nc
q Nc Na
体系中的大分子数 Na-NaP+Nc 体系中的结构单元数(即单体数) Na+Nc
Na+Nc
1
1+ q
Xn = Na-NaP+Nc = 1-rP = 1 + q-P
例:生产尼龙-66,想获得Mn = 13500的产品,采 用己二酸过量法, 若使反应程度P = 0. 994,试求己二 胺和己二酸的配料比。
K值中等,如聚酰胺化反应,K 300-500 水对分子量有所影响。
K值很大,在几千以上,如聚碳酸酯、聚砜 可看成不可逆缩聚 。
4)反应程度
转化率(Conversion):参加反应的单体量占总单体
量的百分比。
缩聚早期,单体很快消失,转变 成二、三、四聚体,转化率就变
得很高,而分子量逐步增加。
所以研究缩聚过程中转化率并无 实际意义,改用反应基团的反应
以二元醇和二元酸合成聚酯为例 二元醇和二元酸第一步反应形成二聚体:
HOROH + HOOCR`COOH
HOROCOR`COOH + H2O
HOROH 2
HOOCR`COOH
HOROCOR`COOROH
HOOCR`COOROCOR`COOH
三聚体
四聚体
三聚体
三聚体和四聚体可以相互反应,也可自身反应, 也可与单体、二聚体反应
H (OROCOR`CO )m ( OROCOR`CO)n OH H (OROCOR`CO )p ( OROCOR`CO)q OH
H (OROCOR`CO )m + ( OROCOR`CO)n OH
HO (COR`COORO)q
( COR`COORO)p H
特 点
既不增加又不减少官能团数目,不影响反应程度 不影响体系中分子链的数目,使分子量分布更均一
则:n聚体的重量 Wn = nMoNn 聚合物的总重量 W = NoMo
故: n聚体的重量分数为:
2.7 体型缩聚和凝胶化作用(Gelation)
当聚合体系中的单体都为双官能团单体时,其聚合产 物是线形的,但是当体系中至少含有一种官能度为3或
以上的单体时,生成的聚合产物便是非线形的。


HO CO(CH2)4CONH(CH2)6NH n CO(CH2)4COOH
Xn
(Na+Nb) / 2 ( Na+Nb-2 NaP)
/
2
1+r 1+r-2rP
q+2 q+2(1-P)
解:当己二酸过量时,尼龙-66的分子结构为:
HO CO(CH2)4CONH(CH2)6NH n CO(CH2)4COOH
不同聚合物进行链交换反应,可形成嵌段缩聚物
醇: HOCH2CH2OH, HOCH2CH2CH2OH,CH2 OH
酚: HO
CH3
C
OH
CH OH HOCH2 CH2 OH
CH3 酸: HOOC(CH2)4COOH, HOOC(CH2)8COOH, HOOC
CH2 OH C CH2OH CH2 OH
◆1-1、1-2、1-3体系:缩合反应 如乙酸乙酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯等。
◆2-2或2体系:线形缩聚 单体含有两个官能团,形成的大分子向两个 方向增长,得到线形缩聚物的反应。如涤纶
聚酯、尼龙等。
◆2-3或2-4等多官能度体系:体形缩聚 至少有以单体含两个以上官能团,形成大分 子向三个方向增长,得到线形结构缩聚物的
团数的一半 (Na+Nb-2NaP)/2 体系中结构单元数等于单体分子数(Na+Nb)/2
平均聚合度:结构单元数除以大分子总数
( Na+Nb ) / 2
1+r
q+2
Xn = ( Na+Nb-2NaP ) / 2 = 1+r-2rP = q+2( 1-P )
两种极限情况
习题2-5b and c
习题2-5a
任何情况下,缩聚物 的聚合度均随P的增
大而增大。
2.线形缩聚物聚合度的控制
反应程度和平衡条件是影响线形缩聚物聚 合度的重要因素,但不能用作控制分子量 的手段;因为缩聚物的分子两端仍保留着
可继续反应的官能团。
控制方法:端基封锁
在两官能团等当量的基础上:使某官能团稍过量, 或加入少量单官能团物质
aAa单体为基准,bBb微过量。 设:官能团a的反应程度为P
则: a官能团的反应数为 NaP (也是b官能团的反应数) a官能团的残留数为 Na-NaP b官能团的残留数为 Nb-NaP
a、b官能团的残留总数为 Na+Nb-2NaP 残留的官能团总数分布在大分子的两端,而每个大分
子有两个官能团。则:体系中大分子总数是端基官能
3×2 + 2×3 12
化学降解 低分子醇、酸、水可使聚酯、 聚酰胺等醇解、酸解、水解:
H (OROCOR`CO ) m ( OROCOR`CO) n OH H OROH
HOOCR`CO OH H OH
降解反应使分子量降低,在聚 合和加工中都可能发生。
链交换反应聚酯、聚酰胺、聚硫化物的两个分子可在 任何地方的酯键、酰胺键、硫键处进行链交换反应:
112
114
结构单元的平均分子量 M0=112
+ 2
114
=
113
Xn
=
13500-146=118 113
1+r
q+2
Xn = 1+r-2rP = q+2( 1-P )
118= 1
+
1+r r-2 ×0.994r
r = 0.995
q+2
118 = q + 2(1-0.994)
q = 5.0 ×10-3
点,增加柔性。 在均缩聚中加入第二种单体进行的缩聚反应; 在混缩聚中加入第三或第四种单体进行的缩聚反应。
共缩聚在制备无规和嵌段共聚物方面获得应用: ◆无规共缩聚可适当降低聚合物的 Tg、Tm ◆可合成聚氨酯、聚酯型热塑弹性体
2.3 线形缩聚应的机理
1)线形缩聚单体
条件: ◆必须是2-2、2官能度体系; ◆反应单体不易成环; ◆较少副反应。
2 HOCH2COOH
H2O HOCH2COOCH2COOH
H2O
CH2 O
OC
CO
O CH2
除环化反应外,还可能发生如下副反应 官能团的消去反应
包括羧酸的脱羧、胺的脱氨等反应,如:
HOOC(CH2)nCOOH HOOC(CH2)nH + CO2
二元酸脱羧温度(℃)
己二酸 300~320 庚二酸 290~310 辛二酸 340~360 壬二酸 320~340 癸二酸 350~370
参与反应的单体只含有两个功能基团,大分子链只会向 两个方向增长,分子量逐步增大,体系的粘度逐渐上升,
获得的是可溶可熔的线形高分子。
成环是缩聚反应的副反应,与环的大小密切相关。环 的稳定性如下: 5, 6 > 7 > 8 ~ 11 > 3, 4 一般环的稳定性越大,反应中越易成环。 五元环、六元环最稳定,故易形成,如:
2.6 线形缩聚物的分子量分布
对于n聚体来说,分子中必然含有n-1个 酯键和一个不成键的羧基,则:
体系中存在各种聚合度大小的分子(分子总数 为N),n聚体的分子数为Nn。生成n聚体的几率
也可以表示为:
不同反应程度下线型缩聚物相对 分子质量的数量分布函数。
若忽略端基重量,设:Wn为n聚体的重量 Nn为n聚体的分子数目 Mo为相对结构单元质量
2.1 引言
缩聚在高分子合成中占有重要的地位,聚 酯、聚酰胺、酚醛树脂、环氧树脂等杂链
聚合物多由缩聚反应合成。
2.2 缩聚反应
高分子
3)缩聚反应的分类
根据体系官能度不同,可分为
缩合反应(Condensation) 线形缩聚(Linear Polycondensation) 体形缩聚(Tridimensional Polycondensation)
可逆程度可由平衡常数来衡量,如聚酯化反应:
OH +
COOH k1
k1
OCO + H2O
K k1 [OCO ][H2O] k - 1 [OH ][COOH ]
对所有缩聚反应来说,逐步特性是共有的,而可 逆平衡的程度可以有很大的差别。
根据平衡常数K的大小,可将线型缩聚大致分为三类:
K值小, 如聚酯化反应,K 4, 副产物水对分子量影响很大。
子数。
2.4 线形缩聚动力学
1. 官能团等活性理论 缩聚反应在形成大分子的过程中是逐步进行的, 若每一步都有不同的速率常数,研究将无法进行。 原先认为:官能团的活性将随分子量增加而递减。 Flory提出了官能团等活性理论: 不同链长的端基 官能团,具有相同的反应能力和参加反应的机会,
即官能团的活性与分子的大小无关。
体系中的结构单元数(即单体数):Na+Nc
Na+Nc
2(Na+Nc)
Xn = Na+Nc-NaP = 2(Na+Nc-NaP)
Na+(Na+2Nc)
1+r
= Na+(Na+2Nc-) 2NaP = 1+r-2rP
习题2-5d
和第一种情况相同,只是 r 和 q 表达式不同。
分子数为Nc 摩尔系数和分子过量分率定义为:
求出当Xn 时的反应程度,即凝胶点Pc
分两种情况讨论:
(a)两官能团等当量 单体的平均官能度:是指混合单体中平均每一单
体分子带有的官能团数:
∑ f =
fiNi faNa + fbNb + =
式中fi、Ni分别为第i种
∑ Ni Na + Nb + 单体的官能度和分子数
如,求2 mol甘油(f = 3)和 3
Nc为单官能团物质Cb的分子数
摩尔系数和分子过量分率定义为:
r
=
Na
Na+2Nc
q=
Nc Na
=
2Nc Na
2
r
=
1
q+1
aAa单体的官能团a的残留数 Na-NaP bBb单体的官能团b的残留数 Nb-NaP = Na-NaP
两单体官能团(a+b)的残留数 2(Na-NaP)
体系中的大分子总数 2(Na-NaP+) 2Nc = Na+Nc-NaP 2
含羟基的任何聚体和含羧基的任何聚体都可以进行 反应,形成如下通式:
n-聚体 + m-聚体
(n + m)-聚体+水
如此进行下去,分子量随时间延 长而增加,显示出逐步的特征。
3)线形缩聚的可逆特性
◆指缩聚过程中生成的产物可被反应中伴生的小分子降 解,单体分子与聚合物分子之间存在可逆平衡的反应。 ◆大部分线型缩聚反应是可逆反应,但可逆程度有差别。
脲:尿素
CHO
O
O
H2N-C-NH2
氯:ClCH2CH2Cl CH2 CH CH2Cl Cl O
活泼氢:
OH HO
OH
H3C
NH2 H2N
NH2
H2N
NH2
NCO
CH3
O
S
Cl
O
OH
OH
CH3
2)线形缩聚的逐步特性
缩聚是官能团间的逐步反应,且每一步都是可逆的。 故线形缩聚机理特征:逐步的、可逆平衡。
非线型聚合反应又可分为支化型(Branched Polymer)和 交联型(Cross-linked Polymer),其各自的生成条件不同。
体形缩聚
此时体系分为两部分:
★ ★ ★ ★ ★凝胶点的预测
(A) Carothers理论
当反应体系开始出现凝胶时,认为数均聚合 度趋于无穷大Xn ,然后根据 P-Xn关系式,
Flory指出:官能团等活性理论是近似的,不是绝对的。 这一理论大大简化了研究处理,可用同一平衡常
数表示整个缩聚过程可以用两种官能团之间的反应来表 征:
COOH + HO
k1
OCO
k1
K k1 [OCO ][H2O] k - 1 [OH ][COOH ]
2. 线型缩聚动力学
2.5 线形缩聚物聚合度的影响因素及控制 1.影响因素
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