《离子型聚合》PPT课件.ppt

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1、华东理工大学East China University of Science And Technology第三章离子型聚合反应配位聚合反应及开环聚合反应3-1一般性阐述定义：单体在阳离子或阴离子作用下，活化为带正电荷或带负电荷的活性离子，单体在阳离子或阴离子作用下，活化为带正电荷或带负电荷的活性离子，再与单体连锁聚合形成高聚物的化学反应，统称为离子型聚合反应再与单体连锁聚合形成高聚物的化学反应，统称为离子型聚合反应(ionic polymerization)。属于连锁聚合反应的一种。属于连锁聚合反应的一种。阳离子聚合阳离子聚合离子型聚合反应离子型聚合反应阴离子聚合阴离子聚合配位离子型聚合配位离

2、子型聚合特征：对单体的选择性高；对单体的选择性高；链引发活化能低，聚合速率快；链引发活化能低，聚合速率快；存在增长离子与反离子的平衡；存在增长离子与反离子的平衡；不同类型的离子型聚合引发剂不同；不同类型的离子型聚合引发剂不同；不存在偶合终止，只能单基终止。不存在偶合终止，只能单基终止。应用：丁基橡胶、聚异丁烯、聚亚苯基、聚甲醛、聚硅氧烷、聚环氧乙烷等；高密度聚乙丁基橡胶、聚异丁烯、聚亚苯基、聚甲醛、聚硅氧烷、聚环氧乙烷等；高密度聚乙烯、等规聚丙烯、顺丁橡胶等；活性高聚物、遥爪高聚物等。烯、等规聚丙烯、顺丁橡胶等；活性高聚物、遥爪高聚物等。3-1一般性阐述与自由基聚合反应的对比比较项目比较项目自

3、由基聚合自由基聚合阳离子聚合阳离子聚合阴离子聚合阴离子聚合活性中心活性中心自由基自由基C阳离子阳离子 C 阴离子阴离子 C聚合机理聚合机理连锁聚合反应连锁聚合反应单单 体体CH2CHXX为弱吸电子基为弱吸电子基CH2CHXX为推电子基为推电子基CH2CHXX为吸电子基为吸电子基共轭烯烃共轭烯烃含含C、O、N、S等杂环化合物等杂环化合物引引 发发 剂剂偶氮、有机无机过氧化物、氧化还原偶氮、有机无机过氧化物、氧化还原亲电试剂广义亲电试剂广义Lewis酸酸亲核试剂广义亲核试剂广义Lewis碱碱光、热、辐射引发光、热、辐射引发影响链引发影响链引发自始至终对聚合都有影响自始至终对聚合都有影响增长方式增长

4、方式以头以头-尾连接为主，其他少量尾连接为主，其他少量严格以头严格以头-尾连接尾连接终止方式终止方式双基偶合、双基歧化、链转移双基偶合、双基歧化、链转移单分子单分子“自发自发”、与反离子，链转、与反离子，链转移移正常无终止，形成活性高聚物正常无终止，形成活性高聚物无偶合终止无偶合终止聚合温度聚合温度50800以下以下室温或室温或0以下以下溶剂溶剂有机溶剂、水等有机溶剂、水等极性有机溶剂（不能用水和含质子的化合物）极性有机溶剂（不能用水和含质子的化合物）阻阻 聚聚 剂剂酚、醌、芳胺、硝基苯、酚、醌、芳胺、硝基苯、DPPH水、醇、酸、醚、醌、胺等及水、醇、酸、醚、醌、胺等及CO2、氧、氧工业实施工

5、业实施本体、溶液、悬浮、乳液本体、溶液、悬浮、乳液本体聚合、溶液聚合本体聚合、溶液聚合3-2阳离子聚合反应碳阳离子介绍碳阳离子是带P空轨道的碳原子，属于高能中间体。形成较难，一旦形成活性很高，形成较难，一旦形成活性很高，这是造成阳离子聚合能在极低温度下进行聚合的原因之一。这是造成阳离子聚合能在极低温度下进行聚合的原因之一。碳阳离子的稳定性：叔碳阳离子仲碳阳离子伯碳阳离子：叔碳阳离子仲碳阳离子伯碳阳离子相应单体的活性：CH2CCHCCH3CHCH2CH2CH2 碳阳离子的化学性质：碳阳离子的溶剂效应溶剂的极性影响离子对结合状态，进而影响增长链活性。强溶剂的极性影响离子对结合状态，进而影响增长链活

6、性。强极性溶剂有利于碳阳离子的形成与稳定。极性溶剂有利于碳阳离子的形成与稳定。碳阳离子的重排 因碳阳离子的能量很高，通过重排达到热力学最稳定的状态是一因碳阳离子的能量很高，通过重排达到热力学最稳定的状态是一种必然的趋势。种必然的趋势。碳阳离子与负离子的结合 取决于碳阳离子的活性和反离子的性质，反离子的亲核取决于碳阳离子的活性和反离子的性质，反离子的亲核能力越强，越容易与之结合，而使聚合终止。因此，必须纯化反应体系。能力越强，越容易与之结合，而使聚合终止。因此，必须纯化反应体系。CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|3-2阳离子聚合反应一、单体与催化剂单体单体具有强推电

7、子取代基的烯烃类单体和共轭效应的单体。具有强推电子取代基的烯烃类单体和共轭效应的单体。工业化生产所用的主要单体有：异丁烯、环醚、甲醛、异戊二烯等。工业化生产所用的主要单体有：异丁烯、环醚、甲醛、异戊二烯等。催化剂催化剂共性：阳离子聚合所用的催化剂为共性：阳离子聚合所用的催化剂为“亲电试剂亲电试剂”。作用：提供氢质子或碳阳离子与单体作用完成链引发过程。作用：提供氢质子或碳阳离子与单体作用完成链引发过程。常用的催化剂：常用的催化剂：类型类型化合物化合物特点特点含氢酸含氢酸HClO4、H2SO4、H3PO4、CH3COOH反离子亲核能力较强，一般只能形成低聚物反离子亲核能力较强，一般只能形成低聚物L

8、ewis酸酸BF3、AlCl3、SbCl5 较强较强FeCl3、SnCl4、TiCl4 中强中强BiCl3、ZnCl2 较弱较弱需要加入微量水、醇、酸等助催化剂才能引发需要加入微量水、醇、酸等助催化剂才能引发单体单体其他物质其他物质I2、Cu2+等阳离子型化合物等阳离子型化合物AlRCl2等金属有机化合物等金属有机化合物RBF4等阳离子盐等阳离子盐只能引发活性较大的单体只能引发活性较大的单体3-2阳离子聚合反应二、阳离子聚合反应机理研究体系：以异丁烯为单体，以三氟化硼为催化剂，水为助催化剂研究体系：以异丁烯为单体，以三氟化硼为催化剂，水为助催化剂链引发：BF3HOHHBF3OHHBF3OHCH

9、2CCH3C BF3OH链增长：CH2C BF3OH CH2C CH2C CH2C BF3OH链终止：假终止之一（活性中心向单体转移）：（活性中心向单体转移）：CH2C BF3OH CH2C CH2C CH3C BF3OHCH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH2|CH3|3-2阳离子聚合反应另一情况另一情况 CH2C BF3OH CH2C CH2C CH3CH显然，以上一种方式为主。显然，以上一种方式为主。假终止之

10、二（向反离子转移，离子对重排，自发终止）：（向反离子转移，离子对重排，自发终止）：CH2C BF3OH CH2C H 假终止之三（向助催化剂转移，即与过量助催化剂作用终止）：（向助催化剂转移，即与过量助催化剂作用终止）：CH2C BF3OH CH2C OH H以上各种终止之所以称为是假终止，原因是终止后的结果又产生了新活性中心，它仍以上各种终止之所以称为是假终止，原因是终止后的结果又产生了新活性中心，它仍然可以进行反应。对于向单体转移终止的发生比自由基聚合时要快得多，同时，又是控制然可以进行反应。对于向单体转移终止的发生比自由基聚合时要快得多，同时，又是控制产物相对分子质量的主要因素。因此，阳

11、离子聚合多采用低温聚合。产物相对分子质量的主要因素。因此，阳离子聚合多采用低温聚合。CH3|CH3|CH3|CH2|CH3|BF3OHCH2|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH2|CH3|BF3OHCH3|CH3|CH3|BF3OH3-2阳离子聚合反应真终止之一（与反离子中的阴离子作用而终止）：（与反离子中的阴离子作用而终止）：CH2C BF3OH CH2C OH BF3真终止之二（与水、醇、酸等终止剂作用而终止）（与水、醇、酸等终止剂作用而终止）CH2C BF3OH XB CH2C B X三、阳离子聚合的影响因素催化剂与助催化剂的组合无论怎样

12、组合，主要取决于助催化剂向单体提供质子或碳阳离子的能力。无论怎样组合，主要取决于助催化剂向单体提供质子或碳阳离子的能力。以以Lewis为催化剂，以水为助催化剂的异丁烯聚合中，催化剂的活性随其接受电子的为催化剂，以水为助催化剂的异丁烯聚合中，催化剂的活性随其接受电子的能力和酸性而增加。其活性顺序如下：能力和酸性而增加。其活性顺序如下：BF3AlCl3TiCl4TiBr4BCl3BBr3SnCl4AlCl3AlRCl2AlR2ClAlR3CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|BF3OHCH3|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|3-2阳离子聚合反应以为以为SnCl4催化剂，助催化剂的

13、活性随其酸性的增加增加。其活性顺序如下：催化剂，助催化剂的活性随其酸性的增加增加。其活性顺序如下：HClCH3COOHCH3CH2NO2C6H6OHH2OCH3OHCH3COCH3聚合速率和产物聚合度随催化剂与助催化剂的配比变化而变化（有最大值）。聚合速率和产物聚合度随催化剂与助催化剂的配比变化而变化（有最大值）。助催化剂用量偏大时，容易使离子对性质发生转变，降低催化剂活性，甚至终止反助催化剂用量偏大时，容易使离子对性质发生转变，降低催化剂活性，甚至终止反应。应。BF3-H2O体系，水量偏大时，存在如下反应：体系，水量偏大时，存在如下反应：BF3+H2OHBF3OH H3OBF3OH01234

14、56712C100,mol/L聚合速度助催化剂苯酚对4催化异丁烯聚合的影响30 78 120 140102103104105温度，聚合度123聚合温度异丁烯聚合的影响1-BF3,2-Al(C2H5)Cl2,3-AlCl3+-3-2阳离子聚合反应温度根据产物用途合理确定聚合温度，根据产物用途合理确定聚合温度，40以上生产的聚异丁烯，用于粘合剂、增塑以上生产的聚异丁烯，用于粘合剂、增塑剂、胶泥等；剂、胶泥等；78以下生产的聚异丁烯用于塑料添加剂。以下生产的聚异丁烯用于塑料添加剂。降低聚合温度，可以抑制向单体的转移反应，有利于增长反应，聚合度增大。降低聚合温度，可以抑制向单体的转移反应，有利于增长反

15、应，聚合度增大。TiCl4-H2O体系引发异丁烯的体系引发异丁烯的CM值值溶剂 提高溶剂的极性和溶剂化作用，有利于形成松散离子对，增加聚合速率和聚合度。提高溶剂的极性和溶剂化作用，有利于形成松散离子对，增加聚合速率和聚合度。常用的溶剂：卤代烷（常用的溶剂：卤代烷（CCl4、CHCl3、C2H4Cl2）烃（烃（C6H6、C7H8、C3H8、C6H14）硝基化合物（硝基化合物（C6H5NO2、CH3NO2）不能用醚、酮、酯、胺等容易与阳离子反应的溶剂。不能用醚、酮、酯、胺等容易与阳离子反应的溶剂。溶剂溶剂CM104，mol/LEEtrMtrM-E-EP PkJ/molkJ/mol-20-50-78

16、正戊烷正戊烷三氯甲烷三氯甲烷二氯甲烷二氯甲烷10.312.021.22.603.006.60.801.001.5217.619.318.43-3阴离子聚合反应一、单体与催化剂单体共性：共性：电子流动性大（共轭效应大），即电子流动性大（共轭效应大），即Q值越越大越好；取代基吸电子能力强，值越越大越好；取代基吸电子能力强，即即e值越大越好。单体的聚合能力随结构不同而变化。如：值越大越好。单体的聚合能力随结构不同而变化。如：聚合能力聚合能力 小小 大大（A）（B）（C）（D）CH2CHCH2CHCH2CHCH2CCN Q值值 e值值 催化剂共性：具有亲核能力的亲核试剂（多为碱性物质）。共性：具有亲核

17、能力的亲核试剂（多为碱性物质）。催化能力的大小取决于各催化剂的碱性强弱，碱性越强其催化能力越大；同时，还取催化能力的大小取决于各催化剂的碱性强弱，碱性越强其催化能力越大；同时，还取决于与单体的匹配情况关系决于与单体的匹配情况关系C6H5|COOCH3|CN|COOCH3|3-3阴离子聚合反应阴离子聚合的单体与催化剂的反应活性匹配表中表中a组碱金属及其烷基化合物碱性最强，催化能力极强，可以引发各种单体进行阴离子聚合；组碱金属及其烷基化合物碱性最强，催化能力极强，可以引发各种单体进行阴离子聚合；b组不引发极性最弱的单体，只能引发组不引发极性最弱的单体，只能引发A、B、C组单体；组单体；c组碱性比组

18、碱性比d组弱；组弱；d组只能引发聚合能力最强组只能引发聚合能力最强的的A组单体。组单体。催化能力催化能力催化剂催化剂匹配关系匹配关系单体结构单体结构反应能力反应能力大大小小K,KRNa,NaRLi,LiRRMgXT-ROLiROKRONaROLi吡啶吡啶NR3RORH2OCH2C(CH3)C6H5CH2CHC6H5CH2C(CH3)CHCH2CH2CHCHCH2CH2C(CH3)COOCH3CH2CHCOOCH3CH2CHCNCH2C(CH3)CNCH2CHNO2CH2C(COOCH3)2CH2C(CN)COOC2H5CH2C(CN)2小小大大ABCDabcd3-3阴离子聚合反应二、阴离子聚合

19、反应机理以正丁基锂为催化剂，苯乙烯为单体，四氢呋喃为溶剂，甲醇为终止剂。机理如下：以正丁基锂为催化剂，苯乙烯为单体，四氢呋喃为溶剂，甲醇为终止剂。机理如下：链引发n-C4H9LiCH2CH C4H9CH2CHLi链增长 CH2CHLi CH2CH CH2CHCH2CHLi 链终止 CH2CHLi CH3OH CH2CH2 LiOCH3有关的分析：有关的分析：3-3阴离子聚合反应链引发反应金属有机化合物引发（KNH2、NaNH2；RLi、RMgX）总特点：引发活性取决于金属总特点：引发活性取决于金属-碳键的极性，极性越强，引发活性越大。碳键的极性，极性越强，引发活性越大。用用RLi、RMgX引发

20、，特点是催化剂溶解于溶剂之中，形成单阴离子活性中心；引发，特点是催化剂溶解于溶剂之中，形成单阴离子活性中心；CLi键的性质取决于溶剂的性质，在非极性溶剂中属于共价键，在极性溶剂中属于离子键的性质取决于溶剂的性质，在非极性溶剂中属于共价键，在极性溶剂中属于离子键。键。用用KNH2、NaNH2引发，需要在液氨中引发，并且先发生引发，需要在液氨中引发，并且先发生KNH2 的分解。的分解。KNH2K NH2 NH2 CH2=CH H2NCH2CHK电子转移引发碱金属（碱金属（Li、K、Na）直接引发，通过最外层电子直接转移给单体，形成自由基）直接引发，通过最外层电子直接转移给单体，形成自由基-阴阴离子

21、，经偶合形成双阴离子活性中心，再引发单体。离子，经偶合形成双阴离子活性中心，再引发单体。Li CH2CHCH2CHLiX|X|3-3阴离子聚合反应2CH2CHLi LiCHCH2CH2CHLi （双阴离子活性中心）特点：非均相反应；两个聚合方向；反应在金属表面进行，活性中心逐步形成，引发非均相反应；两个聚合方向；反应在金属表面进行，活性中心逐步形成，引发速率较慢，产物聚合度较大，并且分布较宽。速率较慢，产物聚合度较大，并且分布较宽。碱金属间接电子转移引发，如钠在四氢呋喃存在下，与萘或蒽形成配合物再引发。碱金属间接电子转移引发，如钠在四氢呋喃存在下，与萘或蒽形成配合物再引发。Na Na（绿色）N

22、a CH2CH CH2CHNa 2CH2CHNa NaCHCH2CH2CHNa （红色双阴离子中心）特点：颜色变化明显，反应可以定量进行。颜色变化明显，反应可以定量进行。X|X|X|THF3-3阴离子聚合反应链增长反应链增长反应是通过单体插入到离子对中间完成的。因此，离子对的存在形式对聚合速链增长反应是通过单体插入到离子对中间完成的。因此，离子对的存在形式对聚合速率、产物聚合度和结构均有影响。率、产物聚合度和结构均有影响。MA MA M A（紧密离子对）（被溶剂分子隔开的离子对）（自由离子对）链终止反应无杂质的聚合体系：苯乙烯、丁二烯等单体极难发生终止反应，活性寿命很长。无杂质的聚合体系：苯乙

23、烯、丁二烯等单体极难发生终止反应，活性寿命很长。原因：活性链带有相同电荷，不能偶合，也不能歧化；即使活性中心向单体转移或异原因：活性链带有相同电荷，不能偶合，也不能歧化；即使活性中心向单体转移或异构化产生终止，也都需要进行难于发生的脱构化产生终止，也都需要进行难于发生的脱H 反应。反应。外加质子性物质或某些化合物进行终止的体系：可以合成链端带官能团的高聚物。外加质子性物质或某些化合物进行终止的体系：可以合成链端带官能团的高聚物。离子对存在形式离子对存在形式离子对形成条件离子对形成条件对聚合速率的影响对聚合速率的影响对产物聚合度的影响对产物聚合度的影响对产物结构的影响对产物结构的影响紧密离子对紧

24、密离子对A结合力强，非质子溶剂结合力强，非质子溶剂聚合速率小聚合速率小聚合度低聚合度低产物规整性好产物规整性好被溶剂分子隔开的离子对被溶剂分子隔开的离子对A结合力一般，溶剂极性弱结合力一般，溶剂极性弱聚合速率较大聚合速率较大聚合度较低聚合度较低产物规整一般产物规整一般自由离子对自由离子对A结合力差，溶剂极性大结合力差，溶剂极性大聚合速率大聚合速率大聚合度大聚合度大产物规整性不好产物规整性不好3-3阴离子聚合反应MH AOHMH AXMH AOCH3MH RCOOAMAMCOOAMCOOH AMOOA2MOA2MOH 2AMCH2CH2OAMCH2CH2OH AMCNRNCOMCONHRNH2

25、AOH CO2三、活性高聚物活性高聚物的定义在适当条件下，不发生链转移或链终止反应，而使增长的活性链直至单体完全耗尽仍在适当条件下，不发生链转移或链终止反应，而使增长的活性链直至单体完全耗尽仍保持活性的聚合物阴离子。保持活性的聚合物阴离子。活性高聚物的形成条件无杂质；无链终止和链转移；单体不发生其他反应；溶剂为惰性；引发速率大于增长无杂质；无链终止和链转移；单体不发生其他反应；溶剂为惰性；引发速率大于增长速率；体系内浓度、温度均一；无明显链解聚反应。速率；体系内浓度、温度均一；无明显链解聚反应。+H2O+HX+CH3OH+RCOOH+CO2+O2+CH2CH2O+OCNRNCO+H+MA+2H

26、2O+H+H3-3阴离子聚合反应活性高聚物的特征许多增长的活性链具有特殊的颜色。许多增长的活性链具有特殊的颜色。第一批单体耗尽后，加入第二批单体能继续反应，第一批单体耗尽后，加入第二批单体能继续反应，产物聚合度与转化率关系不变。产物聚合度与转化率关系不变。相对分子质量分布窄，可以进行实现相对分子质量分布窄，可以进行实现“计量聚合计量聚合”。单阴离子活性中心的计算：单阴离子活性中心的计算：双阴离子活性中心的计算：双阴离子活性中心的计算：活性高聚物的应用 用于凝胶渗透色谱分级的标准试样。用于凝胶渗透色谱分级的标准试样。加入特殊试剂合成链端具有加入特殊试剂合成链端具有OH、COOH、SH等基团的遥爪

27、聚合物。等基团的遥爪聚合物。005010050100100000200000Mn转变率，%MMA聚合Mn与X关系第一批单体第二批单体3-3阴离子聚合反应其合成方法如下：其合成方法如下：最有实用价值的是链端带有最有实用价值的是链端带有COOH和和OH的遥爪聚合物。的遥爪聚合物。CH2Li活的PBCH2COOHCH2COOLiCH2CH2CH2OLiCH2CH2CH2OHCH2CH2CH2SLiCH2CH2CH2SHCH2CHCHCH2CH2CHCHCH2CH2CH2OOOCH2CH2OCH2CH2OHHHHCO2OH|OLi|3-3阴离子聚合反应合成梳形和星形聚合物合成梳形和星形聚合物CH2CC

28、H2CHKCH2C合成嵌段共聚物合成嵌段共聚物顺序加料嵌段（顺序加料嵌段（SBS树脂）树脂）nS Sn SnSm SnBmSi SnBmSi偶合嵌段（偶合嵌段（ABBA形嵌段）形嵌段）2AnBmLiBr(CH2)6BrAnBm+1(CH2)6Bm+1An 2LiBrCH3CH3COOCH3COCHCH2PMMA活的PS梳形聚合物ClH2CClH2CCH2ClCH2Cl4CH2CHKCH2CHCH2CH2CHCH2CH2CHCH2CH2CHCH21,2,4,5-四氯甲基苯活的PS星形聚合物RLimBiS失活3-3阴离子聚合反应四、影响阴离子聚合的因素催化剂的影响催化剂的结构催化剂的结构对双烯烃的

29、阴离子聚合，烷基锂的活性顺序为：对双烯烃的阴离子聚合，烷基锂的活性顺序为：sec-C4H9Lii-C3H7Lit-C4H9Lii-C4H9Lin-C4H9LiC2H5Li对苯乙烯的阴离子聚合，烷基锂的活性顺序为：对苯乙烯的阴离子聚合，烷基锂的活性顺序为：sec-C4H9Lii-C3H7Li n-C4H9LiC2H5Li i-C4H9Li t-C4H9Li缔合作用缔合作用催化剂中烷基为直链结构，并且使用高浓度烃类溶剂时，如果产生下列缔合体，则无催化剂中烷基为直链结构，并且使用高浓度烃类溶剂时，如果产生下列缔合体，则无引发能力。引发能力。反离子半径反离子半径反离子半径越大，作用力越小，越有利于单体

30、的插入，聚合速率越大。反离子半径越大，作用力越小，越有利于单体的插入，聚合速率越大。常见反离子半径为：常见反离子半径为：RLiRNaRKRLiLiR或CLiLi C 3-3阴离子聚合反应溶剂共性：使用非质子性溶剂。共性：使用非质子性溶剂。作用：移出聚合热；改变活性中心形态与结构。作用：移出聚合热；改变活性中心形态与结构。选择：选择极性溶剂，无缔合作用，聚合速率大，但产物规整性不好；选择非极性溶选择：选择极性溶剂，无缔合作用，聚合速率大，但产物规整性不好；选择非极性溶剂，存在一定的缔合作用，聚合速率小，但产物规整性好。因此，要综合考虑。剂，存在一定的缔合作用，聚合速率小，但产物规整性好。因此，要

31、综合考虑。常用溶剂介电常数如下：常用溶剂介电常数如下：电子给予指数高的溶剂对反离子作用强，容易松对，所以聚合加快。电子给予指数高的溶剂对反离子作用强，容易松对，所以聚合加快。溶剂溶剂电子给予指数电子给予指数介电常数介电常数溶剂溶剂电子给予指数电子给予指数介电常数介电常数CH3NO2C6H5NO2(CH3CO)2O(C2H5)2CO2.74.410.517.035.934.520.720.7(C2H5)2OTHFDMFC5H5N19.220.030.933.14.37.635.012.33-4配位聚合反应前叙定义配位聚合反应是烯烃单体的碳配位聚合反应是烯烃单体的碳-碳双键与引发剂活性中心的过渡元

32、素原子的空轨道配碳双键与引发剂活性中心的过渡元素原子的空轨道配位，然后发生位移使单体分子插入到金属位，然后发生位移使单体分子插入到金属-碳之间进行链增长的一类聚合反应。碳之间进行链增长的一类聚合反应。创始人齐格勒（齐格勒（Ziegler）与纳塔（）与纳塔（GNatta）特点产物立构规整性好、相对分子质量高、支链少、结晶度高。产物立构规整性好、相对分子质量高、支链少、结晶度高。主要贡献实现了难于进行自由基聚合的丙烯的工业化生产；实现了乙烯的低压聚合等。开辟了实现了难于进行自由基聚合的丙烯的工业化生产；实现了乙烯的低压聚合等。开辟了新的聚合领域。新的聚合领域。应用PP、HDPE、PS、BR、EPR

33、等。等。3-4配位聚合反应一、高聚物的立体异构现象高聚物的立体异构异构体：化学组成相同，而性质不同聚合物。异构体：化学组成相同，而性质不同聚合物。异构现象：出现异构体的现象。异构现象：出现异构体的现象。异构体的类型：结构异构、立体异构异构体的类型：结构异构、立体异构结构异构产生的原因：由于分子中原子或原子团相互连接的次序不同引起的。产生的原因：由于分子中原子或原子团相互连接的次序不同引起的。实例：结构单元为实例：结构单元为C2H4O的互为异构体聚合物有聚乙烯醇、聚乙醛、聚环氧乙烷的互为异构体聚合物有聚乙烯醇、聚乙醛、聚环氧乙烷聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸乙酯互为异构体聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸乙

34、酯互为异构体以一种单体进行的连锁聚合反应，也存在头以一种单体进行的连锁聚合反应，也存在头-头、头头、头-尾、尾尾、尾-尾异构体。尾异构体。立体异构产生的原因：由于分子中原子或原子团在空间排布方式（简称构型）不同引起的。产生的原因：由于分子中原子或原子团在空间排布方式（简称构型）不同引起的。实例：全同聚丙烯、间同聚丙烯、无规聚丙烯；顺式聚丁二烯、反式聚丁二烯实例：全同聚丙烯、间同聚丙烯、无规聚丙烯；顺式聚丁二烯、反式聚丁二烯高聚物中立体异构体的类型几何异构体3-4配位聚合反应产生的原因：由双键或环上的取代基在空间的排布方式不同引起的。产生的原因：由双键或环上的取代基在空间的排布方式不同引起的。实

35、例：实例：CCCCCCCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHHHHHCCCCCCCCCCCCCCCCH HHH HHHHHHHHHHHHHHHHHHH反式-1,4-聚丁二烯顺式-1,4-聚丁二烯3-4配位聚合反应旋光异构体产生原因：由分子中存在一个或多个不对称碳原子，或者虽无不对称碳原子，但存在由分子中存在一个或多个不对称碳原子，或者虽无不对称碳原子，但存在着分子整体的不对称性所引起的。其中具有旋光性的为旋光性聚合物，不显光学活性的碳着分子整体的不对称性所引起的。其中具有旋光性的为旋光性聚合物，不显光学活性的碳原子称为原子称为“假不对称碳原子假不对称碳原子”，但是真的立体异构中心。，但是真

36、的立体异构中心。实例：聚丙烯聚丙烯CH2CCH2CCH2CCH2CCH2CCH2C立体异构中心的两种构型的标记：（以取代基在主链平面的上或下为判断）（以取代基在主链平面的上或下为判断）带有带有“真不对称碳原子真不对称碳原子”的立体异构中心标记为：的立体异构中心标记为：D、L构型或构型或R、S构型构型带有带有“假不对称碳原子假不对称碳原子”的立体异构中心标记为：的立体异构中心标记为：d、l构构型或型或r、s构构型型单取代烯烃的立体异构类型全同立全同立构构：分子链中每个结构单元上的立体异构中心具有相同的：分子链中每个结构单元上的立体异构中心具有相同的dddddd或或llllll构型。构型。间同立构

37、：分子链中间同立构：分子链中d和和l构型交替排列。构型交替排列。无规立构：分子链中无规立构：分子链中d和和l构型呈无规排列。构型呈无规排列。有规立构高聚物：全同立构与间同立构高聚物的统称。有规立构高聚物：全同立构与间同立构高聚物的统称。CH3|H|H|H|H|H|H|CH3|CH3|CH3|CH3|CH3|3-4配位聚合反应实例：单取代烯烃聚合物的三种立体异构体实例：单取代烯烃聚合物的三种立体异构体RCCCCCCCHCHHHHCCCCCCHRHRHR HRHRHRHHHHHHHHHHRCCCCCCCHCHHHHCCCCCCRRHHHH RRHH RRHHHHHHHHHHRCCCCCCCRCHH

38、HHCCCCCCRHHHRR HRHRHHHHHHHHHHHH全同立构体间同立构体体无规立构体体3-4配位聚合反应实例：实例：-单取代烯烃全同立构单取代烯烃全同立构聚合物聚合物的螺旋结构的螺旋结构立体结构俯视结构CHCH2RR CH3，C2H5 CHCH2 CH2CH2CH(CH3)2 OCH3 OCH2 CH(CH3)2 C6H53-4配位聚合反应有规立构高聚物与无规立构高聚物部分物理-力学性能对比 国际纯化学和应用化学联合会（IUPAC）规定凡能形成以有规立构高聚物为主的聚合反应（包括自由基型、阳离子型、阴离子型、配位阴离子型等聚合反应）都称为立体定向聚合反应或有规立构聚合反应。所得产物称

39、为立体定向聚合物。高聚物中有规立构高聚物所占的百分数称为立构规整度。又称定向指数、等规度。高聚物高聚物软化温度软化温度密度密度g/cm3溶解度溶解度抗张强度抗张强度MPa乙醚乙醚正庚烷正庚烷甲苯甲苯全同立构全同立构聚乙烯聚乙烯聚丙烯聚丙烯聚丁烯聚丁烯聚苯乙烯聚苯乙烯1251301581701251302300.950.920.911.08不溶不溶不溶不溶不溶不溶不溶不溶溶溶不溶不溶溶溶易溶易溶易溶易溶2535303825383563间同立构间同立构聚乙烯聚乙烯聚丙烯聚丙烯聚丁烯聚丁烯聚苯乙烯聚苯乙烯1057565701000.920.850.871.041.07溶溶溶溶溶溶溶溶易溶易溶溶溶易溶

40、易溶易溶易溶溶溶14油状低聚物油状低聚物3-4配位聚合反应二、单体与催化剂单体非极性单体：乙烯、丙烯、乙烯、丙烯、1-丁烯、苯乙烯、共轭双烯、环烯烃等丁烯、苯乙烯、共轭双烯、环烯烃等极性单体：甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯等甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯等Zieger-Natta催化剂典型Zieger催化剂与典型Natta催化剂 Zieger-Natta催化剂 Zieger-Natta催化剂是一类催化剂的统称，由催化剂是一类催化剂的统称，由主催化剂和和助催化剂组成。组成。主催化剂：用于用于-烯烃的配位阴离子聚合：是第烯烃的配位阴离子聚合：是第第第族过渡金属（族过渡金属（Ti、V、Mo、W、Cr等）卤化物、

41、氧氯化物、乙酰丙酮或环戊二烯基过渡金属卤化物，常用的卤素为等）卤化物、氧氯化物、乙酰丙酮或环戊二烯基过渡金属卤化物，常用的卤素为Cl、Br、I等。等。用于环烯烃开环聚合：用于环烯烃开环聚合：MoCl5和和WCl5用于双烯烃配位阴离子聚合：第用于双烯烃配位阴离子聚合：第过渡金属（过渡金属（Co、Ni、Ru、Rh等等）的卤化物羧盐。）的卤化物羧盐。典型催化剂典型催化剂组成组成主催化剂物态主催化剂物态主要应用主要应用典型典型ZiegerTiCl4-Al(C2H5)3或或Al(i-C4H9)3液体液体以庚烷或甲苯为溶剂，以庚烷或甲苯为溶剂，78，PE典型典型NattaTiCl3-Al(C2H5)3固体

42、结晶固体结晶聚丙烯、聚丁二烯等聚丙烯、聚丁二烯等3-4配位聚合反应常用的Zieger-Natta催化剂组分研究的热点：通过研磨、浸渍，或添加第三组分制备单烯烃高效催化剂。Zieger-Natta催化剂引发-烯烃的定向聚合机理模型主催化剂助催化剂主催化剂助催化剂TiCl4TiCl3TiBr3VCl4VCl3Ti(C5H5)2Cl2V(CH3COCHCOCH3)3Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3Al(C2H5)2 ClAl(C2H5)2 BrAl(C2H5)3 Cl2Al(i-C4H9)3Be(C2H5)2Mg(C2H5)5LiC4H9Ti(OH)2MoCl5NiOCrCl3ZrCl4WCl

43、6MnCl2Zn(C2H5)2AlN(C6H5)23MgC6H5BrLiAl(C2H5)4NaC5H11Cd(C2H5)2Ga(C2H5)3TiAlClClClCH2CH3EtEtEtTiClClClCl双阴金属活性中心单金属活性中心3-4配位聚合反应按双金属活性中心模型进行配位阴离子聚合的过程TiAlClCH2CH3CH2CHCH3|TiAlClCH2CH3CH2CHCH3|TiAlClCH2CH3CH2CHCH3|双金属活性中心丙烯双键被Ti空轨道吸附丙烯单体插入TiAlClCH2CH3CH2CHCH3|EtTiAlClCH2CHCH3EtTiAlClCH2CHCH3过渡六元环配位结构再生

44、重排新活性中心3-4配位聚合反应 按单金属活性中心模型进行配位阴离子聚合的过程配位聚合的总原则单体定向吸附（预先取向），单体对增长链的定向连接，活性中心再生。三、单烯烃的配位聚合丙烯的配位聚合机理以丙烯为单体，以以丙烯为单体，以（、）TiCl3为主催化剂，以为主催化剂，以AlEt3为助催化剂，按单金属活为助催化剂，按单金属活性中心聚合模型进行聚合。则：性中心聚合模型进行聚合。则：吸附CH2EtTiCHCH3EtTiCH2CHCH3EtTiCH2CHCH3EtTiCH2CHCH3EtCH2EtTiCHCH四元环过渡结构重排再生后活性中心配位插入单金属活性中心丙烯3-4配位聚合反应链引发 链增长C

45、H2EtTiCHCH3 CH2CHCH3TiCH2CHCH3CH2EtCHCH3重排EtTiCH2CHCH3EtTiCH2CHCH3CH2EtTiCHCH3重排CH2EtTiCHCH3CH2CHCHnCH2CHCH3CH2EtTiCHCH33-4配位聚合反应链终止瞬时裂解终止（自终止）瞬时裂解终止（自终止）向单体转移终止向单体转移终止CH2EtTiCHCH3HTiCH2CEtCH3稳定聚丙烯链TiCH2CHCH3CH2EtCHCH3CH2TiCH2CH3CH2CEtCH3稳定聚丙烯链3-4配位聚合反应向助催化剂向助催化剂AlR3转移终止转移终止氢解终止（工业常用方法）氢解终止（工业常用方法）一

46、般前三种终止反应难于发生，因此，活性链寿命很长，可进行嵌段。一般前三种终止反应难于发生，因此，活性链寿命很长，可进行嵌段。TiEtAlEtEtCH2EtCHCH3EtTiEt2AlCH2CHEtCH3稳定聚丙烯链CH2EtTiCHCH3H2HTiCH3CHEtCH3稳定聚丙烯链3-4配位聚合反应影响丙烯配位聚合的因素主催化剂的影响助催化剂的影响其中主催化剂为TiCl3（、或）主催化剂助催化剂II，%主催化剂助催化剂II，%TiCl3()TiCl3(或)TiCl3()Al(C2H5)2Cl92939087TiCl3()TiCl4VCl4TiBr4CrCl3VOCl3Al(C2H5)3405030

47、6048423632TiCl3(或或)TiCl3()VCl3 Al(C2H5)3857773助催化剂相对聚合速率相对聚合速率II，%助催化剂相对聚合速率相对聚合速率II，%Al(C2H5)3Al(C2H5)2FAl(C2H5)2ClAl(C2H5)2Br10030333383839395Al(C2H5)2IAl(C2H5)2OC6H5Al(C2H5)2NC5H10900983-4配位聚合反应Zieger-Natta催化剂中烷基铝的作用消除反应体系中对催化剂有毒的物质；消除反应体系中对催化剂有毒的物质；与烯烃单体在过渡金属表面进行竞争吸附，活性链可以向烷基铝转移；与烯烃单体在过渡金属表面进行竞争

48、吸附，活性链可以向烷基铝转移；不同结构的烷基铝活性不同。其顺序如下：不同结构的烷基铝活性不同。其顺序如下：Al(C2H5)2H Al(C2H5)3 Al(C2H5)2Cl Al(C2H5)2Br Al(C2H5)2I Al(OC2H5)2C2H5 Al(C2H5N)C2H5 Al(i-C4H9)2H Al(i-C4H9)3 Al(i-C4H9)2Cl Al(i-C4H9)2(CH3)2CCHCH2 Al(i-OC4H9)3三烷基铝上R基对聚合的影响上述两表得知：聚丙烯的等规度随烷基铝上的取代基增大而减小，当烷基被卤素取代时，随卤原上述两表得知：聚丙烯的等规度随烷基铝上的取代基增大而减小，当烷基

49、被卤素取代时，随卤原子序数增加而增加。子序数增加而增加。主催化剂主催化剂R基基II，%主催化剂主催化剂R基基II，%TiCl3()C2H5C3H7C6H13C16H3385756459TiCl4C2H5C3H7C4H9C16H33485130263-4配位聚合反应主催化剂与助催化剂配比的影响综合上述结果：以（、）TiCl3为主催化剂，以AlEt2Cl为助催化剂，Al/Ti比为，可以获得适中聚合速率和较高立构规整度的聚丙烯的条件。第三组分的影响单体单体最高转化率的最高转化率的Al/Ti比比最高最高II时的时的Al/Ti比比单体单体最高转化率的最高转化率的Al/Ti比比最高最高II时的时的Al/T

50、i比比乙烯乙烯丙烯丙烯丁烯丁烯4-甲基甲基-1-戊烯戊烯2.531.52.521.22.0321苯乙烯苯乙烯丁二烯丁二烯异戊二烯异戊二烯231.01.251.231.01.25(反式反式)1主催化剂主催化剂助催化剂助催化剂第三组分第三组分聚合速率聚合速率II，%给电子体给电子体B：B：/Al,molTiCl3()Al(C2H5)2ClAl(C2H5)Cl2Al(C2H5)Cl2Al(C2H5)Cl2N(C4H9)3(CH3)2NPO0.70.71.5100.930.749090959595952.453.063.623-4配位聚合反应第三组分是在第三组分是在Zieger-Natta催化剂催化剂