高分子化学第三章 精选文档.ppt
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1、高分子化学第三章 本讲稿第一页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 第一节第一节 引言引言一、自由基聚合反应(radical polymerization)radical polymerization)烯烃烯烃和共轭二烯烃共轭二烯烃聚合的一种重要方法。自由基聚合
2、反应中需要活性中心(reactive center)自由基自由基,它的产生及活性对聚合反应起决定性作用。自由基聚合反应是连锁聚合反应连锁聚合反应(chain reaction)的一种,遵循连锁反应机理,通过三个基元反应,即链引发、链增长和链终止使小分子聚合成大分子。在聚合过程中也可能存在另一个基元反应链转移反应(chain transfer reaction);链转移反应对聚合物的分子量、结构和聚合速率产生影响。本讲稿第二页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistr
3、y,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 二、连锁聚合:整个聚合过程主要由链引发链引发(chain initiation)、链增长链增长(chain propagation)、链终止链终止(chain termination)三个基元反应组成。聚合特征:链引发链引发链增长链增长链终止链终止(1)本讲稿第三页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Commun
4、itiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 活性中心:可以是自由基自由基、阳离子阳离子和阴离子阴离子,它进攻单体的双键,使单体M的键打开,与之加成,形成单体活性种,而后进一步与单体加成,促使链增长。依据活性种的不同,可将烯类单体的聚合反应分为自由基聚合自由基聚合、阳离子聚合阳离子聚合和阴离子聚合阴离子聚合。自由基、阳离子和阴离子的产生:化合物的价键在适当条件下有均裂均裂和异裂异裂两种形式。均裂时
5、,共价键上一对电子分属于两个基团,这种带独电子的基团呈中性,称为自由基自由基或游离基游离基;异裂结果,共价键上一对电子全部归属于某一基团,形成阴离子阴离子或负离子负离子,另一缺电子的基团,称做阳离子阳离子或正离正离子子。均裂均裂异裂异裂(2)本讲稿第四页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqin
6、g,aiqingzhang_ 第二节第二节 连锁聚合的单体连锁聚合的单体单体聚合的条件:单体聚合的条件:热力学方面热力学方面:单体和聚合物的自由焓差G应小于零。动力学方面动力学方面:需有适当的引发剂、温度等动力学条件。一、单体的聚合能力和对不同聚合机理的选择 烯类单体聚合能力的差异和聚合机理的不同主要取决于双键碳原子上取代基的种类、数量和位置,也就是取代基的电子电子效应效应(诱导效应诱导效应、共轭效应共轭效应)和空间位阻效应空间位阻效应。本讲稿第五页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDep
7、t.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ (一)电子效应 醛醛、酮酮中的羰基键异裂后,具有类似离子的特性,可发生阴离子或阳离子聚合,不能进行自由基聚合。烯类单体烯类单体的碳-碳键与羰基不同,既可均裂,也可异裂,故可以进行自由基聚合或离子聚合(阴离子聚合、阳离子聚合)。乙烯基单体取代基的诱导效应诱导效应和共轭效应共轭效应能改变双键的电子云密度,对所形成的活性种的稳定性有影响,从而决定着对自由基、阳离子或阴离子聚
8、合的选择性。(3)(4)本讲稿第六页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 1、烯类单体双键的碳原子上带有供电基团供电基团,如烷氧基、烷基、苯基、乙烯基等,会使双键的电子云密度增加使双键的电子云密度增加,有利于阳离子的进攻和结合(见式式5);同时,供电基团可使阳离
9、子增长种共振稳定,例如乙烯基醚聚合时,烷氧基使正电荷离域在碳-氧两原子上,使碳阳离子稳定(见式式6)。由于以上两个原因,带供电基团的乙烯基单体易于阳离子聚合带供电基团的乙烯基单体易于阳离子聚合,如异丁烯、烷基乙烯基醚等(见表表1)。(5)(6)本讲稿第七页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqi
10、ng,aiqingzhang_ 表表1 常用烯类单体对聚合类型的选择性常用烯类单体对聚合类型的选择性本讲稿第八页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 2、烯类单体的双键的碳原子上带有硝基、腈基和羰基硝基、腈基和羰基(醛、酮、酸、酯)等吸电子基团吸电子基团时,将使
11、双键电子云密度降低,并使阴离子增长种共轭稳定,因此有利于阴离子的聚合有利于阴离子的聚合。(7)(8)腈基对阴离子的稳定作用是使负电荷离域在碳-氮两原子上:本讲稿第九页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 3、乙烯基单体对离子聚合具有较高的选择性,但自由基引发乙烯
12、基单体对离子聚合具有较高的选择性,但自由基引发剂却能使大多数烯烃聚合剂却能使大多数烯烃聚合。自由基呈中性,对键的进攻和自由基增长种的稳定作用并无严格的要求,几乎全部基团对自由基都具有一定的稳定作用。如:(9)本讲稿第十页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 依据
13、单烯CH2=CHX中取代基取代基X电负性次序电负性次序和聚合倾向聚合倾向的关系的关系排列如下:(10)本讲稿第十一页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ (二)空间位阻效应 取代基的体积、数量、位置等所引起的空间位阻效应,在动力学上对聚合能力有显著影响,但不涉及
14、对不同活性种的选择性。取代基位阻效应对单体聚合能力的影响见表2。表表2 乙烯衍生物取代基的半径及其聚合特性乙烯衍生物取代基的半径及其聚合特性本讲稿第十二页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 1、对于1,1-双取代烯类单体双取代烯类单体CH2=CXY,一般一般都
15、能按取代基的性质进行相应机理的聚合,并且由于结构上的更不对称,极化程度增加。单单体的聚合能力体的聚合能力与取代基给(或吸)电子性强弱有关取代基给(或吸)电子性强弱有关,具体可分为以下几种情况:(1)取代基吸电子能力较弱取代基吸电子能力较弱,如偏氯乙烯中的氯,两个氯吸电子作用的叠加,使单体更易聚合。(2)取代基吸电子能力强取代基吸电子能力强,如偏二腈乙烯,两个腈基强吸电子作用使双键上电荷密度降低太多,从而使双键失去了与自由基加成的能力,只能阴离子聚合,而难自由基聚合。(3)两个取代基都是给电子性两个取代基都是给电子性,如异丁烯中的两个甲基,给电子作用的叠加,使异丁烯不能发生自由基聚合,而易于阳离
16、子聚合。(4)两个取代基中,一个是弱给电子性,另一个是强吸电子性两个取代基中,一个是弱给电子性,另一个是强吸电子性,如甲基丙烯酸酯类,这类单体易发生自由基聚合反应。本讲稿第十三页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 2、对于1.2-双取代的烯类单体双取代的烯类单
17、体XCH=CHY,如马来酸酐、1,2-二氯乙烯等,由于结构对称,极化程度低,加上空间位阻效应,这类单体一般难以均聚一般难以均聚或只能形成二聚体只能形成二聚体或与其它烯类与其它烯类单体共聚单体共聚。3、三取代和四取代乙烯三取代和四取代乙烯一般都不能聚合,只有氟代乙烯氟代乙烯是个特例,由于氟的原子半径较小由于氟的原子半径较小(仅大于氢)的缘故,不论氟代的数量和位置如何,均易聚合。(11)若取代基体积较大时,则只能形成二聚体,如1,1-二苯基乙烯:本讲稿第十四页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities
18、Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 第三节第三节 自由基聚合机理自由基聚合机理自由基聚合研究的两项重要指标:自由基聚合研究的两项重要指标:自由基聚合研究的两项重要指标:自由基聚合研究的两项重要指标:聚合速率聚合速率 分子量分子量 自由基聚合的机理自由基聚合的机理 聚合动力学聚合动力学本讲稿第十五页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for
19、 Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 一、自由基聚合的基元反应 链引发链引发 链增长链增长 链终止链终止 链转移反应链转移反应(一)链引发链引发反应是形成单体自由基活性种的反应。用引发剂引发引发剂引发时,有下列两步反应:1、引发剂I分解,形成初级自由基 :反应特征特征:吸热反应,活化能高,约105150kJ/mol,反应速率小,分解速率常数约10-410-6s-
20、1。(12)本讲稿第十六页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 2、初级自由基与单体加成,形成单体自由基。反应特征特征:放热反应,活化能低,约2034kJ/mol,反应速率大,增长速率常数约102104 。阻聚作用阻聚作用热、光、辐射热、光、辐射等能源也可引发某
21、些单体聚合。(13)本讲稿第十七页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ (二)链增长 链增长反应链增长反应:在链引发阶段形成的单体自由基不断地和单体分子结合生成链自由基的过程,实际上是加成反应加成反应。反应特征特征:放热反应,烯类单体聚合热约5595kJ/mol
22、;增长活化能低,约2034kJ/mol,增长速率极高,增长速率常数约102104 ,在0.01几秒钟内,就可以使聚合度达到数千,甚至上万。(14)本讲稿第十八页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 在链增长反应过程中,不仅研究反应速率反应速率,还需考察增长反应对
23、大分子微结构大分子微结构的影响。在链增长反应中,链自由基与单体的结合方式有两种:实验证明,由于电子效应电子效应和空间位阻效应空间位阻效应双重因素,都促使反应以头以头-尾连接为主;尾连接为主;但还不能做到序列结构上的绝对规整性,由于链自由基是平面结构,在平面上下进攻的几率各为50,因此,从立体结构看来,自由基聚合物分子链上取代基在空间的排布是无规的,所对应的聚合物往往是无定型无定型的。(15)本讲稿第十九页,共六十页Dept.of Chemistry,South-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-ce
24、ntral University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ (三)链终止 链终止反应链终止反应:在一定条件下,增长链自由基失去活性形成稳定聚合物分子的反应。终止反应有偶合终止偶合终止和歧化终止歧化终止两种方式。1、偶合终止偶合终止:两链自由基的独电子相互作用结合成共价键的终止反应。偶合终止所得大分子的特征特征:大分子的聚合度为链自由基重复单元数的两倍;若有引发剂引发聚合,大分子两端均为引发剂残基。(16)本讲稿第二十页,共六十页Dept.of Chemistry,Sout
25、h-central University for Ethnic CommunitiesDept.of Chemistry,South-central University for Ethnic Communities Zhang aiqing,aiqingzhang_ Zhang aiqing,aiqingzhang_ 在链增长反应过程中,不仅研究反应速率反应速率,还需考察增长反应对大分子微结构大分子微结构的影响。在链增长反应中,链自由基与单体的结合方式有两种:实验证明,由于电子效应电子效应和空间位阻效应空间位阻效应双重因素,都促使反应以以头头-尾连接为主;尾连接为主;但还不能做到序列结构上的
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