缩聚反应的机理、动力学和聚合度

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如果羧基数和羟基数相等,令其起始浓 度C0=1,时间t的浓度为C, C= C0(1-P)=1-P。则酯的浓度为 1-C=P,水全未排除时,水的浓度也是P 。 如果一部分水排出,残留水的浓度为nw
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dp dt

k1[1
P2

Pnw K
]
上式表明:总反应速率与反应程度P、低分子副产物含 量nw、平衡常数K有关
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图4-4 对甲苯磺酸催化己二酸与二元醇缩聚反应动力学曲线
27
② 无外加酸的自催化聚酯化动力学
任何酯化反应都要酸作催化剂; 若无外加酸作催化剂,则反应物羧酸本身提供 的H+起自催化作用。则[H+]=[-COOH]。 假设羧基与羟基浓度相等,以C(mol/L)表 示,则:
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将上式分离变量,经积分得到:
例如聚酯化反应
RP


d[COOH ] dt


d[OH ] dt

d[OCO] dt
测定:跟踪官能团的变化
滴定法、气相色谱法、柱上色谱分离法、高压液 相色谱、红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱。
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2.4.2 官能团的等活性概念 线型缩聚反应的每一步都可以独立存在,并且可逆。
16
官能团的等活性 equal reactivity of functional groups:当官能团化合物的分 子链达到一定长度后,官能团的化学反 应活性与所在的分子链长无关。 各步正、逆反应速率常数相等,即
的几率)
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对n聚体聚体来说,分子中必然含有n-1个酯键和 一个不成键的羧基,则:
50
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:
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本节完
35
4.5 线型缩聚物的聚合度
一种聚合物的性能及加工与其相对分子 质量及相对分子质量分布关系密切。根 据聚合物不同用途和控制相对分子质量 的目的,分两种情况: 使相对分子质量达到或接近预期数值; 使相对分子质量尽可能高。 影响缩聚物聚合物度的因素有反应程度、 平衡常数和基团比,基团比是控制因素。
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4.5.1 反应程度和平衡常数对聚合度的影响 2-2体系,两种基团比相等时,
聚酯化是可逆反应,如果不将副产物水排除,
正拟反应将构成平衡,总速率等于零,反应程 度将受到限制。对于封闭体系,基团比相等时 得:
dp dt

k1[1
P2

P2 K
]

0
1 P2 P2 0
K
37
解得:
9
如果设 为平均相对结构单元质量,则 线型缩聚产物的数均相对分子质量为:
只有当反应程度P 很大,缩聚物的相对分子质 量 才会足够大。
10
11
由上表可见: 1) 缩聚反应后期才能得到高相对分子质量
的聚合物; 2) 聚合度随着反应程度P的增加急剧上 升; 3) 缩聚产物的相对分子质量一般不超过几
万这一数量级。
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表明聚合度与基团数比r 、反应程度P 的关系式
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a) 当Na=Nb,即 r=1 时,式(2-18)还原成:
b) 当P→1时,即a 完全反应时,式(2-18)为:
c) r=1、P→1 ,则聚合度为无穷大,成为一个 大分子。
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(2)aAa和bBb两单体等基团数比,另外加入微量单官
能团物质(端基封锁剂,相对分子质量稳定剂)Cb (其基团数为Nb`)按下式计算基团数比r
C、Co 分别为时间t和t=0时羧基或羟基 浓度。
将式
代入式(2-15)得:
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结论: 无外加酸的自缩聚基本符合三级反应规 律,但在低转化率和高转化率都会有一 些偏差。
与t 成线性关系,说明聚合度随反 应时间延长而缓慢增加。 自催化反应速率常数k″ 比有外加酸催化 的速率常数k′ 要小2个数量级。
在此基础上,调节聚合度通过某种二元单体微 过量或另加少量单官能团物质来封锁端基。
进一步在减压条件下尽快脱水,防止逆反应, 并要有足够的时间来提高反应程度和聚合度。
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4.5.3 线型缩聚反应分子量的控制方法
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(1)单体过量法(改变原料摩尔比)
对于aAa和bBb反应体系,其中bBb单体稍过 量,设:Na、Nb分别为官能团a、b 的起始数 目,Pa 为官能团a 的反应程度。
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反应程度与聚合度
反应程度:(p, extent of reaction)在给定时 间内,缩聚反应中已参加反应的官能团 与起始官能团物质的量物质的量之比。
7
线形缩聚产物相对分子质量或聚合度与反 应程度之间有怎样的关系?
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聚合度:进入大分子链中的平均总单体数 (或结构单元数)。
式(2-3)同样适用于“a-A-a + b-B-b”型(2/2官能度 体系) 缩聚反应。如等量的二元酸和二元醇之间的 反应。
r

Nb
Na 2Nb
`
式中分母中的“2 ”表示1个分子Cb中的一个基团b 相当
于一个过量bBb分子双官能团的作用。
(3)aRb (如羟基酸)加少量单官能团物质Cb,r 的算法
与上式相同
r

Nb
Na
2Nb `
由以上两式求得r 后,也可以应用式 算聚合度。
Xn
1 r 1 r 2rp
平衡常数中等,如聚酰胺化,K≈400,要求聚合 度为100时,需使nw≤4×10-2,低分子物质含量可 高些。
对于K值很大(103 )时,且对聚合度要求不高(几到 几十)时,例如,某些可溶性预聚物,可以在水介 质中进行。
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4.5.2 基团比对聚合度的影响
上述分析都是在两种基团的摩尔比相等的前提 下讨论的,而实际上的操作都是在基团比不相 等的情况下进行的,进行理论分析时需引入两 种基团数比或摩尔比r,工业上则多用过量摩 尔百分比或摩尔分数q表示。
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图4-3 己二酸自催化与四种二元醇得缩聚反应动力学曲线 1)癸二醇,202°C;2)癸二醇,191°C;
3)癸二醇,161°C; 4)二缩乙二醇,166°C
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③ 自催化和外加酸催化并存
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2) 平衡缩聚反应动力学
若酯化反应在密闭系统中进行,或水的 排除不及时,则逆反应不容忽视,与正 反应构成可逆平衡。
缩聚反应不断排出低分子副产物情况下,符合 不可逆条件。 酯化或聚酯化是酸催化反应,机理如下: 第一步 羧酸先质子化:
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第二步 质子化种与醇反应成酯:
聚酯化反应的速率可用羧基(或羟基)消 失速率表示。 第二步生成质子化羧酸的醇络合物的反 应速率最慢,因此酯化反应速率由这一 步反应速率决定:
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3 平衡常数大, K> 1000,可以看作不可逆,如 合成聚砜一类的逐步聚合。
缩聚的共有特性——逐步,但可逆平衡程度随反 应不同差别较大
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4.4 线型缩聚动力学
4.4.1 缩聚反应速率及其测定
不能用单位时间、单位体积内反应物消耗的物质 的量或产物生成的物质的量表示。
应该用单位时间、单位体积内反应掉的官能团数 或生成的新键数表示
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所有的平衡常数相等,即
正确吗???见教材P163 表4-3 原因有二:
1)在碳链增长后,诱导、共轭效应等对官能团 的活性作用减弱,因而官能团活性相近。
2)官能团的活性与基团的碰撞频率有关,不决 定于整个大分子的扩散速率。
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4.4.3 线型缩聚动力学
以二元酸和二元醇的聚酯化反应为例
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1) 不可逆条件下的线型缩聚反应动力学
4.3 线型缩聚反应机理
涤纶聚酯、聚酰胺-66、聚酰胺-6、聚碳 酸酯、聚砜、聚苯醚等合成纤维和工程 塑料都是由线型缩聚和逐步聚合而成的。 反应规律相似。 不同用途缩聚物对分子量有着不同的要 求。 缩聚反应的两大研究目标是缩聚速率和 缩聚物的数均分子量
1
4.3.1 线型缩聚和成环倾向
缩聚时需要考虑单体及中间产物的成环倾向。 一般情况下: 五、六元环的结构比较稳定,例如: ω-羟基酸HO(CH2)nCOOH n=1,经双分子缩合形成六元环乙交酯; n=2,β羟基失水,形成丙烯酸; n=3、4,易分子内缩合成稳定五、六元环内 酯; n≥5,主要形成线形聚酯。
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结论:
(1)外加酸催化的聚酯反应基本符合二级 反应规律,聚合度与单体起始浓度和反 应时间 t 是线性关系,即随反应时间增 加而线性增长,由直线的斜率可以求 k′→k
(2)有实验数据证明当P(或聚合度)在 一定范围内, 1/(1-P)—t的线性关系 良好,这也证明了官能团等活性的假定 是正确的。
氨基酸的缩聚情况类似。
2
解决方法:
提高单体浓度。成环为单分子反应,缩 聚为双分子分子反应,低浓度有利于成 环,高浓度有利于线形缩聚。 降低温度。环化反应活化能一般高于线 型聚合反应。
3
4.3.2 线型缩聚机理
线型缩聚机理的特征有二: 逐步和平衡
逐步特征
4
5
链增长主要依赖官能团之间的缩合反应来实现,是逐 步的平衡反应,无链引发阶段。
对于aAa和bBb反应体系,其中bBb单体稍过 量,设:Na、Nb分别为官能团a、b 的起始数 目,Pa 为官能团a 的反应程度。
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q (1 r) r

r

q
1 来自百度文库
1
两基团相等措施有三:
1)单体高度纯化和精确计量;
2)两基团在同一单体分子上,如氨基酸、羟基 酸;
3)二元胺和二元酸成盐
反应初期,体系中单体很快转化成低聚物,单体浓度 下降很快,转化率几乎与时间无关。在缩聚反应中, 转化率无实际意义;以反应程度来描述反应的进度。
不同大小的分子的官能团都有相同的反应活性,发生 分子间反应形成大分子。
相对分子质量随反应时间增加而逐步增大,很少超过 几万,但分布较窄。 聚合物分子链增长速率缓慢(几小时,几天),为加快 反应速率和得到所要求的分子量较高的产物,一般需 加热、减压、除去小分子等。 终止反应主要由物理因素(如体系粘度)和化学因素(如 某一官能团过量和引进单官能团化合物等)决定。
酯化反应是慢反应,一般由外加无机酸来提供质子, 催化加速酯化反应。
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① 外加酸催化聚酯化动力学
加入强酸以加速反应。反应过程中催化剂浓度 保持不变,[H+]为常数,设 如果参加反应得官能团是等物质的量配比,浓 度为C(mol/L), 即
C=[-COOH]=[-OH], 则:
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引入反应程度P, 将式(2-11)代入式(2-10),得:
即反应达到平衡时P与聚合度完全由K决定,与其它条 件无关。 若聚酯化反应K=4 ,在密闭系统内,最高,P=2/3,聚 合度为3。 因此,需在高度减压的条件下及时排除副产物水。
1 P2 Pnw 0
K
解得:
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表示聚合度与平衡常数的平方根成正比,与水含 量的平方根成反比。在实际反应中,往往根据所 要求的合格相对分子质量以及反应平衡常数K来 控制体系中的nw。 平衡常数小的,如聚酯化,K≈4,要求聚合度为 100时,由公式(2-8)得: nw ≤ 4×10-4。������ 必须除 去低分子物质,体系压力较低。
—— Flory相对分子质量分布函数
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此方法需要假定两个前提: i)官能团等活性,即各步反应速率常数相等; ii)等物质的量(如羟基和羧基数目始终保持相等,即各
个键的成键几率相等)。 设: t=0 时,No为-COOH(或-OH)数;
t 时刻,N 为未反应的-COOH(或-OH) P 为反应程度 (P也可看作是在该体系中形成每一个酯键
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可逆平衡
聚酯化和低分子酯化反应相似,都是可逆平衡 反应,正反应是酯化,逆反应是水解
平衡常数表达式为:
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缩聚反应的可逆程度可由平衡常数来衡量。根 据其大小,可将线型缩聚粗分为以下三类:
1 平衡常数小,如酯化反应,K≈ 4,低分子副产 物水的存在限制了分子量的提高,须在高度减 压下脱出。
2 平衡常数中等,如聚酰胺化反应,K=300~400, 水对分子量有所影响,聚合早期,可在水介质 中进行;只是后期,需在一定的减压条件下脱 水,提高反应程度。
来计
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由以上定量分析表明,线型缩聚物的聚 合度与两基团数比密切相关。任何原料 都很难做到两种基团数相等,微量杂质 的存在、分析误差、称量不准、聚合过 程中的挥发和分解损失都是造成不等的 原因,应该设法排除。
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4.5.4 线型缩聚物的分子量分布
聚合产物是分子量不等的大分子的混合物,分 子量存在着一定的分布。 分子量分布函数 线型缩聚反应产物的相对分子质量分布是指在 各种相对分子质量大小的缩聚物中,聚合度为 n 的缩聚物在全部分子中所占的分数(或比 例),即Nn/N (数量分数)。 Nn 为n 聚合度的分子数, N 为各种聚合度大小的分子总数。 还可用即Wn/W(重量分数)来表示。 相对分子质量分布的确定
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