第四章 离子聚合精选文档.ppt

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1、第四章 离子聚合本讲稿第一页，共六十七页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和和阴阴离离子子聚聚合合。对对于于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负离离子子，它它们们的聚合反应可分别用下式表示：的聚合反应可分别用下式表示：本讲稿第二页，共六十七页 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，主要除了活性中心的性质不

2、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：表现在以下几个方面：（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子基团的乙烯基单体，则容易进行阴离子聚

3、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。窄，导致已工业化的聚合品种要较自由基聚合少得多。本讲稿第三页，共六十七页（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，称之为链近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。这种离子和反离子形成的种离子和反离子形成的离子对离子对在反应介质中能以几种形式存在，可以是共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：

4、价键、离子对乃至自由离子，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 本讲稿第四页，共六十七页（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。同时，离下进行。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子重排、链转移等副反应的倾向，低的聚合温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。度可减少这些竞

5、争副反应的发生。（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。止。本讲稿第五页，共六十七页（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

6、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，而不能进行乳液聚合和悬浮聚合。本体聚合，而不能进行乳液聚合和悬浮聚合。4.2 阳离子聚合阳离子聚合4.2.1 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，包包括括以以下下三三大大类：类：本讲稿第六页，共六十七页（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）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

7、 N-乙烯基咔唑乙烯基咔唑 本讲稿第七页，共六十七页（3）环氧化合物：环氧化合物：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:本讲稿第八页，共六十七页 单体单体相对活性相对活性 单体单体 相对活性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-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-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 本讲

8、稿第九页，共六十七页4.2.2 阳离子聚合机理阳离子聚合机理4.2.2.1 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生引引发发活活性性种种，此时称其为引发体系。此时称其为引发体系。（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 本讲稿第十页，共六十七

9、页 质子酸引发阳离子为离解生成的质子酸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）：阳离子活性中心的抗衡阴离子（反离子）：引发活性种引发活性种反离子反离子本讲稿第十一页，共六十七页 一般质子酸一般质子酸如如H2SO4，HCl等等,由于生成的抗衡阴离子由于生成的抗衡阴离子SO42-、Cl-等等的亲核性较强，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

10、速率快，且生成的抗由于酸性极强，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会下降。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。本讲稿第十二页，共六十七页（2）Lewis酸酸 这类引发剂包括这类引发剂包括AlCl3、BF3、SnCl4、SnCl5、ZnCl2和和TiCl4等金属等金属卤化物，以及卤化物，以及RAlCl2，R2AlCl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、锡的卤化物应用最广。钛、锡的卤化物应用最广。Lewis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，因酸引发阳离子聚

11、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。此从工业上看，它们是阳离子聚合的主要引发剂。Lewis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（又称质子源称质子源）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）的存在下才能有效。质子给体或正碳离子给体是引发剂引发剂，而而Lewis酸是酸是助引发剂助引发剂(或或称活化剂称活化剂)，二者一起称为，二者一起称为引发体系引发体系。本讲稿第十三页，共六十七页 质子给体质子给体是一类在是一类在Lewis 酸存在下能析出质子的物质，如水、卤化氢、

12、酸存在下能析出质子的物质，如水、卤化氢、醇、有机酸等；以醇、有机酸等；以 BF3和和 H2O引发体系为例：引发体系为例：Lewis酸活化剂酸活化剂质子给体（引发剂）质子给体（引发剂）引发活性种引发活性种本讲稿第十四页，共六十七页 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，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，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，是使是使Lewis酸毒化失活，以水为例：酸毒化失活，以水为例：引发剂引发剂终止剂终止剂无引发活性无引发活性本讲稿第十五页，共六十七页

13、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，酸的活化下能产生碳阳离子的化合物，如三级（或苄基）卤代烃、醚、醇、酯等。如三级（或苄基）卤代烃、醚、醇、酯等。如特丁基氯在如特丁基氯在LewisLewis酸酸 AlCl3 活化下：活化下：引发活性种引发活性种本讲稿第十六页，共六十七页 又如酯作为正碳离子给体时，产生正碳离子引发活性种的反应又如酯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：式分别为：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 AlBr3、TiCl4等等Lewis酸并不需酸并不需要在质子给体或正碳离子给体存在下也能引发

14、单体聚合，其机理推测是要在质子给体或正碳离子给体存在下也能引发单体聚合，其机理推测是一种自引发过程：一种自引发过程：本讲稿第十七页，共六十七页 （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)3C+、环庚三烯正碳离子、环庚三烯正碳离子C7H7+等，由于正电荷可以在较大区域内离域分散而能稳定存在而能等，由于正电荷可以在较大区域内离域分散而能稳定存在而能与酸根与酸根ClO4-、SbCl6-等成盐，它们在溶剂中能离解成正离子引发单体等成盐，它们在溶剂中能离解成正离子引发单体聚合。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聚合。但由于这些正

15、离子稳定性高而活性较小，只能用于乙烯基烷基醚、醚、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。本讲稿第十八页，共六十七页（4 4）卤素）卤素 卤素卤素 I2 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：碘与单体加成后再离子化：Cl2、Br2等需在强等需在强Lewis酸如酸如AlEt2Cl活化下才能产生正离子引发活化下才能产生正离子引发活性种，以活性种，以Cl2为例：为例：本讲稿第十九页，共六十七页（5 5）阳离子光引发剂）阳离子光引发剂 最重要的阳离子光引发剂是二芳基碘鎓盐最

16、重要的阳离子光引发剂是二芳基碘鎓盐（Ar2I+Z-）等，）等，Z-是是PF6-、AsF6-、SbF6-等超强酸的酸根阴离。这二类鎓盐受光照时，产生超强等超强酸的酸根阴离。这二类鎓盐受光照时，产生超强酸引发阳离子聚合反应：酸引发阳离子聚合反应：RH为为一一些些含含活活泼泼氢氢的的物物质质，可可以以是是体体系系中中的的溶溶剂剂或或微微量量杂杂质质H2O，也可以是外加醇类化合物等。也可以是外加醇类化合物等。本讲稿第二十页，共六十七页4.2.2.2 链增长链增长 引发反应所生成的碳阳离子与单体不断加成进行链增长反应，以引发反应所生成的碳阳离子与单体不断加成进行链增长反应，以BF3/H2O引发异丁烯为例

17、：引发异丁烯为例：本讲稿第二十一页，共六十七页 阳离子聚合的链增长过程中经常存在两类活性中心：自由离子阳离子聚合的链增长过程中经常存在两类活性中心：自由离子和离子对，而离子对又分紧密离子对和疏松离子对。因此，阳离子和离子对，而离子对又分紧密离子对和疏松离子对。因此，阳离子聚合实际上存在两种以上的活性中心。聚合实际上存在两种以上的活性中心。离解程度的影响因素离解程度的影响因素 不同不同活性中心活性中心具有不同的活性，而活性中心的存在形式在很大具有不同的活性，而活性中心的存在形式在很大程度上取决于反离子的性质和反应介质：程度上取决于反离子的性质和反应介质：（1）反离子效应）反离子效应 反离子亲核性

18、越强，离子对越紧密，链增长活性越小。亲核性太大时，反离子亲核性越强，离子对越紧密，链增长活性越小。亲核性太大时，将使链终止，得不到聚合物。反离子体积也有影响，体积大，离子对疏松，将使链终止，得不到聚合物。反离子体积也有影响，体积大，离子对疏松，链增长活性大。链增长活性大。本讲稿第二十二页，共六十七页（2）溶剂效应）溶剂效应 反应溶剂的性质（主要是极性和溶剂化能力）的不同，可改变自由离反应溶剂的性质（主要是极性和溶剂化能力）的不同，可改变自由离子与离子对的相对浓度以及离子对结合的松紧程度。子与离子对的相对浓度以及离子对结合的松紧程度。溶溶剂剂的的极极性性和和溶溶剂剂化化能能力力越越强强，越越有有

19、利利于于生生成成溶溶剂剂分分离离的的离离子子对对和和自自由离子，结果链增长速率增加。由离子，结果链增长速率增加。醇、乙醚、醇、乙醚、THF等碱性溶剂，虽然极性和溶剂化能力都强，但由等碱性溶剂，虽然极性和溶剂化能力都强，但由于因为带有给电子基团，可以与阳离子链增长活性中心络合，反而会于因为带有给电子基团，可以与阳离子链增长活性中心络合，反而会使其活性降低，同时这类溶剂往往和引发剂（如使其活性降低，同时这类溶剂往往和引发剂（如Lewis酸）发生反应酸）发生反应而使后者毒化，因此不适用于阳离子聚合。而使后者毒化，因此不适用于阳离子聚合。本讲稿第二十三页，共六十七页 碳阳离子可进行重排形成更稳定的碳阳

20、离子，在阳离子聚合中碳阳离子可进行重排形成更稳定的碳阳离子，在阳离子聚合中也存在这种重排反应，如也存在这种重排反应，如-蒎烯的阳离子聚合：蒎烯的阳离子聚合：阳离子聚合反应过程中的异构化反应阳离子聚合反应过程中的异构化反应本讲稿第二十四页，共六十七页4.2.2.3 链转移和链终止链转移和链终止 链转移反应是阳离子聚合中常见的副反应，有以下几种形式：链转移反应是阳离子聚合中常见的副反应，有以下几种形式：（1）向单体链转移：）向单体链转移：增长链碳阳离子以增长链碳阳离子以 H+形形式脱去式脱去-氢给单体，这是阳离子聚合中最氢给单体，这是阳离子聚合中最主要普遍存在的也是难以抑制的内在副反应：主要普遍存

21、在的也是难以抑制的内在副反应：链转移常数链转移常数CM比自由基聚合的高得多，因此阳离子聚合产物的分子量一比自由基聚合的高得多，因此阳离子聚合产物的分子量一般较低。链转移与链增长是一对竞争反应，降低温度、提高反应介质极性，般较低。链转移与链增长是一对竞争反应，降低温度、提高反应介质极性，有利于链增长反应，从而可提高产物分子量。有利于链增长反应，从而可提高产物分子量。链转移反应链转移反应本讲稿第二十五页，共六十七页（2）向反离子链转移）向反离子链转移 增长链碳阳离子上的增长链碳阳离子上的-质子也可向反离子转移，这种转移方式又称质子也可向反离子转移，这种转移方式又称自发终止：自发终止：（3）向溶剂的

22、链转移）向溶剂的链转移 如向芳烃溶剂的链转移反应如向芳烃溶剂的链转移反应 本讲稿第二十六页，共六十七页 如如在在苯苯乙乙烯烯以以及及衍衍生生物物的的阳阳离离子子聚聚合合中中，可可通通过过分分子子内内亲亲电电芳芳香香取取代代机理发生链转移机理发生链转移：（4）向高分子的链转移反应）向高分子的链转移反应 增长链碳阳离子还可从其它链夺取增长链碳阳离子还可从其它链夺取H-生成更稳定的碳阳离子：生成更稳定的碳阳离子：但一般脱但一般脱H-反应活化能高，较难发生。反应活化能高，较难发生。本讲稿第二十七页，共六十七页 链终止反应链终止反应（1 1）增长链增长链与反离子结合与反离子结合 质子酸引发时，增长链阳离

23、子与酸根反离子加成终止，质子酸引发时，增长链阳离子与酸根反离子加成终止，如三氟乙酸引如三氟乙酸引发苯乙烯聚合：发苯乙烯聚合：用用Lewis 酸引发时，一般是增长链阳离子与反离子中一部分阴离子碎片酸引发时，一般是增长链阳离子与反离子中一部分阴离子碎片结合而终止，如结合而终止，如BF3引发异丁烯聚合时：引发异丁烯聚合时：本讲稿第二十八页，共六十七页（2 2）增长链与亲核性杂质的链终止）增长链与亲核性杂质的链终止 一些亲核性杂质，如水、醇、酸、酐、酯、醚等，它们虽然可以作一些亲核性杂质，如水、醇、酸、酐、酯、醚等，它们虽然可以作为质子或碳阳离子源在为质子或碳阳离子源在Lewis酸活化下引发阳离子聚合

24、。但它们的含量酸活化下引发阳离子聚合。但它们的含量过高时，还会导致转移性链终止反应，以水为例：过高时，还会导致转移性链终止反应，以水为例：氨或有机胺与增长链阳离子生成无引发活性的季胺盐正离子：氨或有机胺与增长链阳离子生成无引发活性的季胺盐正离子：本讲稿第二十九页，共六十七页4.2.2.4 Inifer 试剂试剂 Inifer的的含含义义是是指指同同时时具具有有引引发发（initiate）和和转转移移（transfer）双双重重作作用，具有这种功能的物质称为用，具有这种功能的物质称为Inifer试剂试剂。如在枯基氯如在枯基氯/三氯化硼体系引发的异丁烯阳离子聚合：三氯化硼体系引发的异丁烯阳离子聚合

25、：枯基氯枯基氯(引发剂引发剂)本讲稿第三十页，共六十七页 枯基氯的链转移能力远远大于单体，这样避免了一般阳离子聚枯基氯的链转移能力远远大于单体，这样避免了一般阳离子聚合中常见的向单体链转移反应，产生所谓合中常见的向单体链转移反应，产生所谓定向链转移定向链转移，其结果使生成的，其结果使生成的聚异丁烯末端上带有所望期的功能基聚异丁烯末端上带有所望期的功能基Cl原子。原子。链转移剂链转移剂功能基功能基Cl末端末端本讲稿第三十一页，共六十七页4.2.3 阳离子聚合动力学阳离子聚合动力学4.2.3.1 动力学方程动力学方程 由于阳离子聚合的链引发涉及引发剂和活化剂间的复杂化学反应，由于阳离子聚合的链引发

26、涉及引发剂和活化剂间的复杂化学反应，又存在多种链增长活性中心，影响因素复杂。因此，阳离子聚合反又存在多种链增长活性中心，影响因素复杂。因此，阳离子聚合反应动力学比自由基聚合的要复杂得多，研究起来相当困难，至今还应动力学比自由基聚合的要复杂得多，研究起来相当困难，至今还没有一套广泛适用的动力学方程，只能在特定的实验条件，借用自没有一套广泛适用的动力学方程，只能在特定的实验条件，借用自由基聚合的稳态假设，建立近似的动力学方程。由基聚合的稳态假设，建立近似的动力学方程。本讲稿第三十二页，共六十七页 4.2.3.2 4.2.3.2 温度对聚合速率及聚合物分子量的影响温度对聚合速率及聚合物分子量的影响

27、ER值一般在值一般在-20 +40KJmol-1之间。当之间。当ER0，则往往出现聚合，则往往出现聚合温度降低聚合速率反而加快的反常现象。但由于温度降低聚合速率反而加快的反常现象。但由于ER绝对值较自由基绝对值较自由基聚合速率活化能（聚合速率活化能（84 KJmol-1）要小得多，因此从聚合速率对温度的依赖）要小得多，因此从聚合速率对温度的依赖性而言，阳离子聚合要远远小于自由基聚合。性而言，阳离子聚合要远远小于自由基聚合。本讲稿第三十三页，共六十七页 由由于于链链终终止止或或链链转转移移活活化化能能总总是是比比链链增增长长活活化化能能大大，所所以以温温度度升升高高，链链终止或链转移加快，分子量

28、下降，这是阳离子聚合多在低温下进行的原因。终止或链转移加快，分子量下降，这是阳离子聚合多在低温下进行的原因。温度对聚合度的影响有时表现得较为复杂温度对聚合度的影响有时表现得较为复杂 这是由于链转移反应的方式不这是由于链转移反应的方式不同而引起的，在同而引起的，在-100-100以下时为向以下时为向单体链转移，而在单体链转移，而在-100-100以上时为以上时为向溶剂链转移。不同链转移的活化向溶剂链转移。不同链转移的活化能不一样，则聚合度对温度的依赖能不一样，则聚合度对温度的依赖程度也不同。程度也不同。本讲稿第三十四页，共六十七页4.2.4 阳离子聚合工业应用阳离子聚合工业应用 聚异丁烯和丁基橡

29、胶聚异丁烯和丁基橡胶 阳离子聚合实际应用的例子很少，这一方面是因为适合于阳离子聚合阳离子聚合实际应用的例子很少，这一方面是因为适合于阳离子聚合单体种类少，另一方面其聚合条件苛刻，如需在低温、高纯有机溶剂中进单体种类少，另一方面其聚合条件苛刻，如需在低温、高纯有机溶剂中进行，这限制了它在工业上的应用。聚异丁烯和丁基橡胶是工业上用阳离子行，这限制了它在工业上的应用。聚异丁烯和丁基橡胶是工业上用阳离子聚合的典型产品。聚合的典型产品。异丁烯阳离子聚合通常用异丁烯阳离子聚合通常用H2O/BF3、H2O/TiCl4等作为引发剂。在等作为引发剂。在0-40下得到的是低分子量（下得到的是低分子量（Mn 90%）则需通过配）则需通过配位聚合。位聚合。本讲稿第六十六页，共六十七页习习 题题2 2，6 6，本讲稿第六十七页，共六十七页