高分子化学第四章离子聚合精选PPT.ppt
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1、高分子化学第四章离子聚合2022/9/17高分子化学第1页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学4.1 4.1 离子聚合特征离子聚合特征 离离子子聚聚合合与与自自由由基基聚聚合合一一样样,同同属属链链式式聚聚合合反反应应,但但链链增增长长反反应应活活性性中中心心是是带带电电荷荷的的离离子子。根根据据活活性性中中心心所所带带电电荷荷的的不不同同,可可分分为为阳阳离离子子聚聚合合和和阴阴离离子子聚聚合合。对对于于含含碳碳-碳碳双双键键的的烯烯烃烃单单体体而而言言,活活性性中中心心就就是是碳碳阳阳离离子子或或碳碳负离子,它们的聚合反应可分别用下式表示:负离子,它们的聚合反应可分别用下式表示:
2、除了活性中心的性质不同之外,离子聚合与自由基聚合明显不同,主要表除了活性中心的性质不同之外,离子聚合与自由基聚合明显不同,主要表现在以下几个方面:现在以下几个方面:第2页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学(1 1)单体结构)单体结构 自由基聚合对单体选择性较低,多数烯烃单体可以进行自由基聚合。但离自由基聚合对单体选择性较低,多数烯烃单体可以进行自由基聚合。但离子聚合对单体有较高的选择性,只适合于带能稳定碳阳离子或碳负离子取代基子聚合对单体有较高的选择性,只适合于带能稳定碳阳离子或碳负离子取代基的单体,具有推电子基团的乙烯基单体,有利于阳离子聚合,具有吸电子基团的单体,具有推电子基团
3、的乙烯基单体,有利于阳离子聚合,具有吸电子基团的乙烯基单体,则容易进行阴离子聚合。由于离子聚合单体选择范围窄,导致的乙烯基单体,则容易进行阴离子聚合。由于离子聚合单体选择范围窄,导致已工业化的聚合品种要较自由基聚合少得多。已工业化的聚合品种要较自由基聚合少得多。(2 2)活性中心的存在形式)活性中心的存在形式 离子聚合的链增长活性中心带电荷,为了保持电中性,在增长活性链近离子聚合的链增长活性中心带电荷,为了保持电中性,在增长活性链近旁有一个带相反电荷的离子存在,称之为旁有一个带相反电荷的离子存在,称之为反离子反离子或或抗衡离子抗衡离子。这种离子和。这种离子和反离子形成的反离子形成的离子对离子对
4、在反应介质中能以几种形式存在,可以是共价键、离子在反应介质中能以几种形式存在,可以是共价键、离子对乃至自由离子,以阳离子聚合为例:对乃至自由离子,以阳离子聚合为例:共价键合共价键合 紧密离子对紧密离子对 疏松离子对疏松离子对 自由离子自由离子 第3页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学(3 3)聚合温度)聚合温度 离子聚合的活化能较自由基聚合低,可以在低温如离子聚合的活化能较自由基聚合低,可以在低温如00以下,甚至以下,甚至-70-70-100-100下进行。若温度过高,聚合速率过快,有可能产生爆聚。同下进行。若温度过高,聚合速率过快,有可能产生爆聚。同时,离子型活性中心具有发生如离
5、子重排、链转移等副反应的倾向,时,离子型活性中心具有发生如离子重排、链转移等副反应的倾向,低的聚合温度可减少这些竞争副反应的发生。低的聚合温度可减少这些竞争副反应的发生。(4(4)聚合机理)聚合机理 离子聚合的引发活化能较自由基聚合低,因此与自由基聚合的慢引发不同,离子聚合的引发活化能较自由基聚合低,因此与自由基聚合的慢引发不同,离子聚合是快引发。自由基聚合中链自由基相互作用可进行双基终止,但离子离子聚合是快引发。自由基聚合中链自由基相互作用可进行双基终止,但离子聚合中,增长链末端带有同性电荷,不会发生双基终止,只能发生单基终止。聚合中,增长链末端带有同性电荷,不会发生双基终止,只能发生单基终
6、止。(5 5)聚合方法)聚合方法 自由基聚合可以在水介质中进行,但水对离子聚合的引发剂和链增长活自由基聚合可以在水介质中进行,但水对离子聚合的引发剂和链增长活性中心有失活作用,因此离子聚合一般采用溶液聚合,偶有本体聚合,而不性中心有失活作用,因此离子聚合一般采用溶液聚合,偶有本体聚合,而不能进行乳液聚合和悬浮聚合。能进行乳液聚合和悬浮聚合。第4页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学4.2 4.2 阳离子聚合阳离子聚合4.2.14.2.1阳离子聚合单体阳离子聚合单体 阳阳离离子子聚聚合合单单体体必必须须是是有有利利形形成成阳阳离离子子的的亲亲核核性性烯烯类类单单体体,包包括括以以下下三
7、大类:三大类:(1 1)带吸电子取代基的烯烃如:)带吸电子取代基的烯烃如:异丁烯异丁烯 乙烯基醚乙烯基醚 -蒎烯蒎烯 茚茚 (2 2)共轭烯烃如:)共轭烯烃如:苯乙烯苯乙烯 -甲基苯乙烯甲基苯乙烯 N-N-乙烯基咔唑乙烯基咔唑 第5页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学(3 3)环氧化合物如:)环氧化合物如:四氢呋喃四氢呋喃 三氧六环三氧六环 环氧乙烷环氧乙烷 环氧丙烷环氧丙烷 烯烃单体的阳离子聚合活性与其取代基供电子的强弱密切相关烯烃单体的阳离子聚合活性与其取代基供电子的强弱密切相关:第6页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学 单体单体相对活性相对活性 单体单体 相对活性
8、相对活性乙烯基烷基醚乙烯基烷基醚很高很高苯乙烯苯乙烯1.0P P-甲氧基苯乙烯甲氧基苯乙烯100P P-氯苯乙烯氯苯乙烯0.4 异丁烯异丁烯 4异戊二烯异戊二烯0.12P P-甲基苯乙烯甲基苯乙烯 1.5丁二烯丁二烯0.02单体阳离子聚合相对活性单体阳离子聚合相对活性 第7页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学4.2.2 4.2.2 阳离子聚合机理阳离子聚合机理4.2.2.14.2.2.1链引发反应链引发反应 阳阳离离子子聚聚合合的的引引发发剂剂通通常常是是缺缺电电子子的的亲亲电电试试剂剂,它它可可以以是是一一个个单单一一的的正正离离子子(正正碳碳离离子子或或质质子子),也也可可以以
9、在在引引发发聚聚合合前前由由几几种种物物质质反反应应产产生引发活性种,此时称其为引发体系。生引发活性种,此时称其为引发体系。(1 1)质子酸)质子酸 无机酸:无机酸:H2SO4,H3PO4等等 有机酸:有机酸:CF3CO2H,CCl3CO2H等等 超强酸:超强酸:HClO4,CF3SO3H,ClSO3H等等 其引发阳离子为离解生成的其引发阳离子为离解生成的H+,而离解生成的酸根离子则作为碳阳离子活性而离解生成的酸根离子则作为碳阳离子活性中心的抗衡阴离子(反离子):中心的抗衡阴离子(反离子):第8页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学 一般质子酸一般质子酸(如(如H2SO4,HCl等)
10、由于生成的抗衡阴离子等)由于生成的抗衡阴离子SO42-、Cl-等的等的亲核性较强,易与碳阳离子生成稳定的共价键,使增长链失去活性,因亲核性较强,易与碳阳离子生成稳定的共价键,使增长链失去活性,因而通常难以获得高分子量产物而通常难以获得高分子量产物:超强酸超强酸由于酸性极强,离解常数大,活性高,引发速率快,且生成由于酸性极强,离解常数大,活性高,引发速率快,且生成的抗衡阴离子亲核性弱,与增长链活性中心成共价键而使反应终止机的抗衡阴离子亲核性弱,与增长链活性中心成共价键而使反应终止机会下降。会下降。第9页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学 (2 2)LewisLewis酸酸 这类引发剂
11、包括这类引发剂包括AlClAlCl3 3、BFBF3 3、SnClSnCl4 4、SnClSnCl5 5、ZnClZnCl2 2和和TiClTiCl4 4等金属卤化等金属卤化物,以及物,以及RAlClRAlCl2 2,R R2 2AlClAlCl等有机金属化合物,其中以铝、硼等有机金属化合物,其中以铝、硼 、钛、锡的卤化物、钛、锡的卤化物应用最广。应用最广。LewisLewis酸引发阳离子聚合时,可在高收率下获得较高分子量的聚合物,酸引发阳离子聚合时,可在高收率下获得较高分子量的聚合物,因此从工业上看,它们是阳离子聚合的主要引发剂。因此从工业上看,它们是阳离子聚合的主要引发剂。LewisLew
12、is酸引发时常需要在酸引发时常需要在质子给体质子给体(又称(又称质子源质子源)或)或正碳离子给体正碳离子给体(又(又称称正碳离子源正碳离子源)的存在下才能有效。质子给体或正碳离子给体是引发)的存在下才能有效。质子给体或正碳离子给体是引发剂,而剂,而LewisLewis酸是助引发剂酸是助引发剂(或称活化剂或称活化剂),二者一起称为引发体系。,二者一起称为引发体系。第10页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学 质子给体质子给体是一类是一类在在Lewis 酸存在下酸存在下能析出质子的物质,如水、卤化氢、能析出质子的物质,如水、卤化氢、醇、有机酸等;以醇、有机酸等;以 BFBF3 3和和 H
13、 H2 2O O引发体系为例:引发体系为例:必须注意必须注意,作为引发剂的质子给体如水、醇等的用量必须严格控制,过,作为引发剂的质子给体如水、醇等的用量必须严格控制,过量会使聚合变慢甚至无法进行,并导致分子量下降。究其原因,一是使量会使聚合变慢甚至无法进行,并导致分子量下降。究其原因,一是使LewisLewis酸毒化失活,以水为例:酸毒化失活,以水为例:第11页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学 正碳离子给体正碳离子给体是是一些在一些在Lewis酸的活化下能产生碳阳离子的化合物:三酸的活化下能产生碳阳离子的化合物:三级(或苄基)卤代烃、醚、醇、酯等,在级(或苄基)卤代烃、醚、醇、酯
14、等,在Lewis酸的活化下产生碳阳离子引发酸的活化下产生碳阳离子引发聚合反应。聚合反应。如特丁基氯在如特丁基氯在LewisLewis酸酸AlClAlCl3 3活化下:活化下:酯、醚作为正碳离子给体时,产生正碳离子引发活性种的反应式分别为:酯、醚作为正碳离子给体时,产生正碳离子引发活性种的反应式分别为:第12页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学 在少数阳离子聚合体系中,发现在少数阳离子聚合体系中,发现AlBrAlBr3 3、TiClTiCl4 4等一类等一类LewisLewis酸并不酸并不需要在质子给体或正碳离子给体存在下也能引发单体聚合,其机理不是十需要在质子给体或正碳离子给体存在
15、下也能引发单体聚合,其机理不是十分清楚,推测是一种自引发过程:分清楚,推测是一种自引发过程:第13页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学 (3 3)正碳离子盐)正碳离子盐 一些正碳离子如三苯甲基正碳离子一些正碳离子如三苯甲基正碳离子(Ph)(Ph)3 3C C+、环庚三烯正碳离子、环庚三烯正碳离子C C7 7H H7 7+能能与酸根与酸根ClOClO4 4-、SbClSbCl6 6-等成盐,由于这些正碳离子的正电荷可以在较大区等成盐,由于这些正碳离子的正电荷可以在较大区域内离域分散而能稳定存在,它们在溶剂中能离解成正离子引发单体聚域内离域分散而能稳定存在,它们在溶剂中能离解成正离子引
16、发单体聚合。但由于这些正离子稳定性高而活性较小,只能用于乙烯基烷基醚、合。但由于这些正离子稳定性高而活性较小,只能用于乙烯基烷基醚、N-N-乙烯基咔唑等活泼单体的阳离子聚合。乙烯基咔唑等活泼单体的阳离子聚合。第14页,此课件共56页哦2022/9/17高分子化学(4 4)卤素)卤素 卤素如卤素如I I2 2也可引发乙烯基醚、苯乙烯等的聚合,其引发反应被认为是通也可引发乙烯基醚、苯乙烯等的聚合,其引发反应被认为是通过碘与单体加成后再离子化:过碘与单体加成后再离子化:其它卤素如其它卤素如ClCl2 2、BrBr2 2等需在强等需在强LewisLewis酸如酸如AlEtAlEt2 2ClCl活化下才
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