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《《開環(huán)聚合》PPT課件(I)》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、第八章開環(huán)聚合8.1概述開環(huán)聚合:環(huán)狀單體開環(huán)相互連接形成線型聚合物的過程。鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng):包括鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止等基元反應(yīng)。但開環(huán)聚合反應(yīng)與乙烯基單體的鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)又有所區(qū)別,其鏈增長反應(yīng)速率常數(shù)與許多逐步聚合反應(yīng)的速率常數(shù)相似,而比通常乙烯基單體的鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)低數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。開環(huán)聚合的特點(diǎn):可在高分子主鏈結(jié)構(gòu)中引入多種功能基:酯、醚、酰胺等聚合反應(yīng)前后的體積收縮比乙烯基單體聚合小單體環(huán)丙烷環(huán)丁烷環(huán)戊烷環(huán)己烷環(huán)庚烷環(huán)辛烷ΔGkcal/mol)-22.1-21.2-2.21.4-3.9-8.2一些環(huán)烷烴轉(zhuǎn)變?yōu)榫€形高分子時(shí)的ΔG可見除環(huán)己烷外,其余環(huán)烷烴的開環(huán)聚合的ΔG均小于0
2、,反應(yīng)在熱力學(xué)上都是可行的,其熱力學(xué)可行性順序?yàn)?三元環(huán),四元環(huán)>八元環(huán)>五元環(huán),七元環(huán)環(huán)狀單體開環(huán)聚合的難易取決于兩方面因素:熱力學(xué)因素環(huán)烷烴的鍵極性小,不易受引發(fā)活性種進(jìn)攻而開環(huán)。雜環(huán)化合物中的雜原子易受引發(fā)活性種進(jìn)攻并引發(fā)開環(huán),在動(dòng)力學(xué)上比環(huán)烷烴更有利于開環(huán)聚合。因此,絕大多數(shù)的開環(huán)聚合單體都是雜環(huán)化合物,包括環(huán)醚、環(huán)縮醛、內(nèi)酯、內(nèi)酰胺、環(huán)胺、環(huán)硫醚、環(huán)酸酐等。動(dòng)力學(xué)因素:動(dòng)力學(xué)上可行的開環(huán)方式和反應(yīng)。同類環(huán)單體的聚合反應(yīng)活性與環(huán)大小密切相關(guān):三元、四元環(huán)>七至十一元環(huán)>五元環(huán)絕大多數(shù)六元環(huán)單體不能開環(huán)聚合8.2陽離子開環(huán)聚合反應(yīng)8.2.1環(huán)醚環(huán)醚分子中的C-O鍵是其活
3、性基,其中的O具有Lewis堿性,因此除張力大的三元環(huán)環(huán)氧化物外,環(huán)醚只能進(jìn)行陽離子開環(huán)聚合。常見的只含一個(gè)醚鍵的環(huán)醚單體包括三元環(huán)(環(huán)氧化物)、四元環(huán)(如環(huán)丙醚)和五元環(huán)(如四氫呋喃);常見的含兩個(gè)以上醚鍵的環(huán)醚單體主要為環(huán)縮醛,如三聚甲醛:環(huán)氧化物環(huán)丙醚四氫呋喃三聚甲醛(1)鏈引發(fā)反應(yīng)許多用于乙烯基單體陽離子聚合反應(yīng)的引發(fā)劑也可用于環(huán)醚的陽離子開環(huán)聚合,包括強(qiáng)質(zhì)子酸、Lewis酸、碳陽離子源/Lewis酸復(fù)合體系等。以質(zhì)子酸引發(fā)四氫呋喃聚合為例:二級(jí)環(huán)氧鎓離子三級(jí)氧鎓離子鏈增長活性中心α-C具有缺電子性在四氫呋喃等活性較低環(huán)醚單體的聚合反應(yīng)中,常加入少量活潑三元環(huán)醚單體如
4、環(huán)氧乙烷提高引發(fā)速率。此時(shí)引發(fā)反應(yīng)首先通過活潑單體形成二級(jí)或三級(jí)氧鎓離子活性種,再引發(fā)低活性的單體聚合,此時(shí)活潑單體可看作是引發(fā)促進(jìn)劑。(2)鏈增長反應(yīng)鏈增長反應(yīng)為單體的O對(duì)增長鏈的三級(jí)環(huán)氧鎓離子活性中心的α-C的親核進(jìn)攻反應(yīng)。以四氫呋喃的聚合為例:鏈增長活性中心與抗衡陰離子之間存在離解平衡:多種活性種(3)鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)向高分子的鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)是環(huán)醚陽離子開環(huán)聚合中常見的鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)。鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)的結(jié)果:高分子鏈發(fā)生交換向高分子的鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)也可發(fā)生在分子內(nèi),即回咬反應(yīng),結(jié)果得到環(huán)狀低聚物:環(huán)狀低聚物鏈增長與向高分子鏈轉(zhuǎn)移是一對(duì)競爭反應(yīng):主要取決于單體與高分子中所含醚基親核性的相對(duì)強(qiáng)弱,
5、單體含醚基的相對(duì)親核性越強(qiáng)越有利于鏈增長,相反則有利于向高分子鏈轉(zhuǎn)移。單體中sp3雜化的O轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔镏衧p2雜化的氧鎓離子,使鍵角張力增大,單體與高分子鏈中O親核性之比最小,不利于鏈增長。三元環(huán)醚單體如環(huán)氧乙烷聚合鏈增長時(shí):單體與高分子鏈中O的親核性之比隨單體環(huán)的增大而增大。由于高分子中所含醚基的親核性更強(qiáng),有利于向高分子的鏈轉(zhuǎn)移,生成環(huán)狀低聚物。事實(shí)上通常的環(huán)氧乙烷陽離子聚合的主要產(chǎn)物為1,4-二氧六環(huán)(80%~90%),因此環(huán)氧乙烷的陽離子開環(huán)聚合對(duì)于合成線形聚合物并無實(shí)用價(jià)值。隨著單體環(huán)的增大,單體與聚合物中醚基的親核性之比也增大,如四氫呋喃聚合的環(huán)狀低聚物的含量少于
6、幾個(gè)百分點(diǎn)。(4)活化單體機(jī)理陽離子開環(huán)聚合“活化鏈末端機(jī)理”:離子活性中心位于增長鏈末端,易發(fā)生“回咬”反應(yīng)生成環(huán)化低聚物。在質(zhì)子酸引發(fā)的環(huán)氧乙烷陽離子開環(huán)聚合體系中外加醇可減少環(huán)化低聚物的生成。其聚合反應(yīng)機(jī)理為“活性單體機(jī)理”:聚合體系的陽離子不位于增長鏈末端,而是在單體分子上。鏈增長外加醇實(shí)際起引發(fā)劑作用,增長鏈活性末端為-OH(4)鏈終止反應(yīng)陽離子開環(huán)聚合的鏈終止反應(yīng)主要為增長鏈氧鎓離子與抗衡陰離子結(jié)合,如:(5)應(yīng)用三聚甲醛(三氧六環(huán))的陽離子開環(huán)聚合:所得聚合物分子鏈的末端半縮醛結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定,加熱時(shí)易發(fā)生解聚反應(yīng)分解成甲醛,不具有實(shí)用價(jià)值。解決方法之一是把產(chǎn)物和乙
7、酐一起加熱進(jìn)行封端反應(yīng),使末端的羥基酯化,生成熱穩(wěn)定性的酯基。工業(yè)上已用這種方法生產(chǎn)性能優(yōu)良的工程塑料聚甲醛。8.2.2環(huán)硅氧烷最常見的環(huán)硅氧烷單體八甲基環(huán)四硅氧烷(D4):產(chǎn)物聚硅氧烷是一類以Si-O為主鏈結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅聚合物,分子量較低時(shí)呈液態(tài),稱硅油,而高分子量時(shí)呈橡膠類的高彈性,稱硅橡膠。陽離子聚合機(jī)理:與環(huán)醚陽離子開環(huán)聚合相似8.3陰離子開環(huán)聚合反應(yīng)8.3.1環(huán)氧化物環(huán)醚是Lewis堿,一般只能進(jìn)行陽離子開環(huán)聚合。但環(huán)氧化物由于其三元環(huán)張力大,能進(jìn)行陰離子開環(huán)聚合。引發(fā)劑包括金屬氫氧化物、金屬烷