第6章-离子聚合优秀PPT.ppt

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1、第6章-离子聚合现在学习的是第1页，共60页【掌握内容】【掌握内容】1阳离子聚合常见单体与引发剂2阳离子聚合聚合机理3阳离子聚合离子对平衡式及其影响因素4阴离子聚合常见单体与引发剂5阴离子聚合聚合机理6活性阴离子聚合聚合原理、特点及应用7阴离子、阳离子聚合、自由基聚合的比较【熟悉内容熟悉内容】1.假阳离子聚合、异构化聚合。2.阴离子聚合的自发终止；溶剂、温度与反离子对反应的影响。【了解内容了解内容】1.阳离子聚合动力学。2.其它类的活性聚合。【教学教学难难点点】1.阳离子聚合聚合机理。2.阴阳离子对平衡式影响规律。3.活性阴离子聚合条件、特点及其应用。现在学习的是第2页，共60页聚合反应：按反

2、应机理逐步聚合（Step Polymerization)自由基聚合离子聚合离子聚合根据中心离子的电荷性质阴离子聚合阳离子聚合根据活性中心不同连锁聚合（Chain Polymerization）活性中心是离子 或离子对的聚合6.1 概述现在学习的是第3页，共60页单体的选择性高；聚合条件苛刻，通常需在低温下进行，体系中不能有水或杂质存在；聚合速率快；反应介质对聚合有很大影响，实验重现性差。离子聚合的特点：现在学习的是第4页，共60页 但是，一些重要的聚合物，却只能通过离子聚合来制备 丁基橡胶异戊橡胶聚甲醛聚氯醚 并且，阴、阳离子聚合之间的差别也很大，所以必须分别予以介绍。现在学习的是第5页，共6

3、0页BM ：阴离子活性种；A BA+MMMnBM：反离子，一般为金属离子（Metallic Ion）。单体插入离子对引发聚合。A6.2 阴离子聚合（Anionic Polymerization)反应通式：现在学习的是第6页，共60页吸电子基能使 C=C上的电子云密度降低，有利于阴离子的进攻；吸电子基也使碳阴离子增长种的电子云密度分散，能量降低而稳定。1）阴离子聚合的烯类单体原则上：含吸电子基的烯类单体BBCH2+CH2=CHYCY现在学习的是第7页，共60页鹤田桢二指出：带有吸电子基团且具有-共轭的烯类单体才能进行阴离子聚合，如苯乙烯、丙烯腈、丙烯酸酯类等。环氧乙烷、环氧丙烷、己内酰胺等杂环化

4、合物，可由阴离子催化剂开环聚合。（第八章介绍）Q-e 概念中，e 的正值越大，取代基吸电子性越强，则单体越易阴离子聚合。若e 值虽不大，但Q值较大的共轭单体也易阴离子聚合。现在学习的是第8页，共60页阴离子聚合引发剂：碱金属（Alkali Metal）及金属有机化合物2）阴离子聚合引发剂和引发反应碱金属（K、Na）：钠、钾等碱金属原子最外层只有一个电子，易转移给单体，形成阴离子而后引发聚合。属于电子转移引发。金属有机化合物：阴离子引发现在学习的是第9页，共60页MCH2CHXCHXMCHCH2XM+CH2CHCH2X2MCHCH2XMCH2CH MX碱金属将最外层的一价电子直接转移给单体，生成

5、自由基-阴离子，自由基阴离子末端很快偶合终止，生成双阴离子，两端阴离子同时引发单体聚合。如丁钠橡胶的生产。电子转移引发：电子直接转移引发碱金属如 Li、Na、K等。双阴离子现在学习的是第10页，共60页电子间接转移引发碱金属芳烃复合引发剂典例：钠和萘在四氢呋喃（THF）中引发苯乙烯聚合。碱金属（如钠）将最外层的一个价电子转移给中间体(如萘），使中间体变为自由基阴离子（如萘钠络合物），再引发单体聚合，同样形成双阴离子。萘自由基阴离子Na +NaTHF绿色现在学习的是第11页，共60页苯乙烯自由基阴离子CH CH2Na+CH2 CHNa +CH CH22 NaNaCH CH2 CH2 CHNa苯乙

6、烯双阴离子红色活性聚合现在学习的是第12页，共60页2K+NH3 2KNH 2+H 2KNH2K+NH2NH2 +CH2=CHC6H5H2NCH2CC6H5阴离子引发金属有机化合物如金属氨基化合物（氨基钾KNH2）、金属烷基化合物等。KNH2-液氨构成高活性的阴离子引发体系，氨基以自由阴离子引发体系。单阴离子现在学习的是第13页，共60页金属烷基化合物丁基锂（Butyllithium，C4H9-Li）：目前最常用的阴离子聚合引发剂。丁基锂也以单阴离子的形式引发单体聚合现在学习的是第14页，共60页3）阴离子聚合的机理 1.阴离子聚合的基元反应 （1）引发反应 略略 （2）增长反应 在链增长反应

7、中，不管引发机理如何，增长反应始终是单体与增长聚合物链之间的加成反应，单体不断插入离子对中，活性中心不断向后转移。在增长反应中，单体的加成方向受离子对的限制，产物的立构规整性较自由基聚合强，但尚不能控制。现在学习的是第15页，共60页（3）终止反应 离子聚合无双基终止。阳离子聚合主要通过链转移终止。而阴离子聚合甚至连链转移反应都很难发生，因此实际上不存在终止反应。增长反应中的活性链直到单体完全消耗尽仍可保持活性，因此有“活性聚合”的概念。现在学习的是第16页，共60页只有引发和增长两步基元反应。活性链末端都是阴离子，无法双基终止；反离子一般为金属阳离子，无法从其中夺取某个原子或 H+而终止。阴

8、离子聚合无终止的原因：虽无终止，但微量杂质如水、氧等都易使碳阴离子终止。阴离子聚合须在高真空或惰性气氛下，试剂和玻璃器皿非常洁净的条件下进行。在无终止聚合的情况下，当转化率达100%后，加入水、醇、胺等链转移剂使聚合终止。现在学习的是第17页，共60页阴离子聚合机理的特点：快引发、慢增长、无终止、无转移现在学习的是第18页，共60页活性聚合和活性聚合物1956年对萘钠在THF中引发苯乙烯聚合时首先发现活性聚合（Living Polymerization）：引发剂在引发前，先100%地迅速转变成阴离子活性中心，然后以相同速率同时引发单体增长，至单体耗尽仍保持活性，称作活性聚合。活性聚合物（Liv

9、ing Polymer）：定义：当单体转化率达到100%时，聚合仍不终止，形成具有反应活性聚合物，即活性聚合物。现在学习的是第19页，共60页活性聚合的特点：引发剂全部很快地形成活性中心，每一活性中心所连接的单体数基本相等，故生成聚合物分子量均一，具有单分散性；聚合度与引发剂及单体浓度有关，可定量计算。故又称化学计量（Stoichiometric）聚合；若反应体系内单体浓度、温度分布均匀，则所有增长链的增长几率相同；无终止反应，须加入水、醇等终止剂人为地终止聚合。现在学习的是第20页，共60页Rp =k pM-M在聚合全过程中保持不变，且等于引发剂浓度。M=ClnM 0M=k pCtM：阴离子

10、增长活性种的总浓度在适当溶剂中，阴离子聚合的kp与自由基聚合相近，但阴离子聚合无终止，阴离子浓度比自由基浓度高得多，故聚合速率总比自由基聚合快得多。活性阴离子聚合动力学聚合速率：由增长速率表示：现在学习的是第21页，共60页C：引发剂浓度；n：每一个大分子的引发剂分子数，双阴离子 n=2（萘钠），单阴离子 n=1（丁基锂）。聚合度：当转化率达100%时，平均聚合度应等于每活性端基上的单体量。现在学习的是第22页，共60页制备遥爪聚合物（Telechelic Polymer）指分子链两端都带有活性官能团的聚合物，两个官能团遥遥位居于分子链的两端，象两个爪子，故称为遥爪聚合物。制备方法：聚合末期在

11、活性链上加入如 CO2、环氧乙烷、二异氰酸酯等添加剂，使末端带羧基、羟基、异氰酸根等基团的聚合物，合成遥爪聚合物。活性聚合的应用现在学习的是第23页，共60页物”，再加另一单体共聚，制得任意链段长度的嵌段共聚物。如合成SBS热塑性橡胶。常温下SBS中B 段呈弹性体性质，S段则处于玻璃态，起物理交联作用，当温度升到PS玻璃化转变温度（约100）以上时，SBS具有流动性，可以塑模。制备嵌段共聚物（Block Copolymer）先制成一种单体的“活的聚合在室温条件下它的性能与一般硫化橡胶并无差别，但却可以方便地采用一般塑料的加工方法如熔融注射挤压成型进行生产。现在学习的是第24页，共60页共价键一

12、般无引发活性，增长速率常数是自由离子和离子对增长速率常数的综合值。紧离子对有利于单体定向配位，形成立构规整聚合物，但聚合速率较低；松离子对和自由离子聚合速率较高，却失去定向能力。单体-引发剂-溶剂配合得当，兼顾聚合活性和定向能力。4）阴离子聚合增长速率常数A.溶剂的影响活性中心种与反离子的结合形式：现在学习的是第25页，共60页现在学习的是第26页，共60页大，溶剂化程度愈低，离子对的离解程度也愈低。四氢呋喃作溶剂：自由离子的增长速率常数很大，掩盖了反离子半径的影响；二氧六环作溶剂：自由离子少，从锂到铯，原子半径递增，离子对愈来愈疏松，速率常数渐增。B.反离子的影响碱金属反离子半径愈苯乙烯阴离

13、子聚合增长速率常数（25）现在学习的是第27页，共60页丁二烯、异戊二烯：自由基聚合：无规立构，1020%顺式1,4结构；阴离子聚合：6）丁基锂的配位能力和定向作用非极性溶剂（如戊烷）：3040%的顺丁橡胶；9094%合成天然橡胶。极性溶剂（THF）：80%1,2结构的聚丁二烯；75%3,4结构的聚异戊二烯。现在学习的是第28页，共60页 引发剂引发剂 活性中心活性中心 增长增长 有机金属化合物有机金属化合物 单阴离子单阴离子 单向单向 碱金属碱金属 双阴离子双阴离子 双向双向 阴离子聚合 机理：快引发、慢增长、无终止。条件：无转移、无终止，Ri RP 特征：分子量分布窄活性阴离子聚合现在学习

14、的是第29页，共60页A BAM B+MMMnAB6.3 阳离子聚合（Cation Polymerization）反应通式：阳离子活性中心：紧靠中心离子的引发剂碎片，也称反离子（Counterion）阳离子活性中心也往往与反离子形成离子对。现在学习的是第30页，共60页供电取代基使C=C电子云密度增加，有利于阳离子活性种进攻；形成阳离子增长种后，供电取代基又使阳离子增长种电子云分散，能量降低而稳定。AACH2_CH2=CHYCY1）阳离子聚合的烯类单体原则上：取代基为供电基团的烯类单体原则上有利于阳离子聚合现在学习的是第31页，共60页CH3CH2=CCH2=CH含供电基团的烯类单体能否聚合成

15、高聚物，还要求：单体的C=C双键对活性中心有较强亲和力；链增长反应比副反应快，即生成的碳阳离子有适当的稳定性。阳离子聚合的烯类单体只限于带有供电子基团的异丁烯、烷基乙烯基醚，以及有共轭结构的苯乙烯类、二烯烃等少数几种。|CH3|ORCH2=CH|CH2=C-CH=CH2|CH3现在学习的是第32页，共60页增长链中的-CH2-上的氢受四个甲基的保护，不易被夺取，减少了重排、支化等副反应，最终生成高分子量的线性聚合物。聚合机理。异丁烯(Isobutylene)同一C原子上两供电烷基，C=C电子云密度增加很多，易受质子进攻，生成稳定的碳阳离子。异丁烯是唯一能进行阳离子聚合的-烯烃，且它 -CH2-

16、C-CH2-C-只能进行阳离子聚合。常用异丁烯来判别阳离子CH3CH3CH3CH3丙烯、丁烯：烷基供电性弱；更高级的-烯烃：由于位阻效应单取代的-烯烃很难经阳离子聚合得高聚物异丁烯：异丁烯：唯一一个具有实际工业价值的能进行阳离子聚合的唯一一个具有实际工业价值的能进行阳离子聚合的-烯烃单体。烯烃单体。现在学习的是第33页，共60页2）阳离子聚合的引发体系及引发作用质子酸（Protonic Acid）；Lewis 酸；常用的引发体系：如浓H2SO4、H3PO4、HClO4等强质子酸。质子酸现在学习的是第34页，共60页H X +CH2=CCH3C X质子酸引发机理：强质子酸在非水介质中离解成质子氢

17、（H+），使烯烃质子化（Protonation），引发单体进行阳离子聚合。质子酸作为引发剂的条件：有足够强度产生H+；酸根离子（反离子）的亲核性（Nucleophilicity）不能过强，以免与阳离子共价结合成而终止，如氢卤酸HX。H|RH|CH3C-X|RH|R现在学习的是第35页，共60页3Lewis酸质子供体(RH)：如H2O、ROH、HX、RCOOH等；碳阳离子供体(RX)：如 RX、RCOX、(RCO)2O等。共引发剂(Co-initiator)：质子或碳阳离子供给体最常用的阳离子引发剂如AlCl3、BF3、SnCl4、ZnCl2等，单独使用活性较低，需添加少量共引发剂。引发体系：包

18、括引发剂和共引发剂，如BF3-H2O现在学习的是第36页，共60页引发剂和共引发剂的共引发作用如下：现在学习的是第37页，共60页引发剂和共引发剂的不同组合，可得到不同引发活性的引发体系。主引发剂：与其接受电子的能力及其酸性强弱有关。活性次序：BF3AlCl3TiCl4SnCl4AlCl3AlRCl2AlR2ClAlR3共引发剂活性次序一般也即其酸性强弱次序。现在学习的是第38页，共60页H(CR)C +RHC：主引发剂（Lewis酸）RH：共引发剂（质子给体）3）阳离子聚合机理链引发、链增长、链终止、链转移等基元反应链引发：主引发剂与共引发剂形成络合物离子对；H(CR)：络合物离子对以Lew

19、is酸为例现在学习的是第39页，共60页离子对与单体双键加成形成单体碳阳离子H(CR)+MHM(CR)ki链引发特点：引发速率极快，几乎瞬间完成，引发活化能为 Ei=8.421kJ/mol。自由基聚合引发活化能：Ei=105125kJ/mol：络合物离子对H(CR)M：单体现在学习的是第40页，共60页链增长特点：离子与分子间反应，活化能低，几乎与引发同时完成；活性种与反离子形成离子对，单体按头尾结构插入增长，对构型有一定控制能力，但不及阴离子和配位聚合。HMn (CR)+MHMnM (CR)链增长：引发生成的碳阳离子活性种与反离子形成离子对，单体分子不断插入其中而增长。kp现在学习的是第41

20、页，共60页链转移或链终止：阳离子聚合的活性种很活泼，容易向单体或溶剂链转移，形成带不饱和端基的大分子，同时再生出仍有引发能力的离子对，使动力学链不终止。现在学习的是第42页，共60页向单体转移阳离子向单体的链转移常数很大（CM=10-110-2），比自由基聚合大2-3个数量级。链转移反应是控制分子量的主要因素，为保证聚合物有足够大的分子量，阳离子聚合往往须在很低温度下（例-100）进行。减弱链转移，提高分子量。现在学习的是第43页，共60页自发终止增长离子对重排，使原来的活性链终止，同时再生出引发剂-共引发剂络合物，继续引发单体，动力学链不终止。现在学习的是第44页，共60页与反离子加成当反

21、离子亲核性较大时，与碳阳离子结合成共价键，导致链终止，如三氟乙酸引发苯乙烯聚合。活性中心与反离子的一部分结合而终止现在学习的是第45页，共60页添加链终止剂：常用终止剂：水、醇、酸、酸酐、酯、醚等。XA：终止剂在阳离子聚合中，真正的动力学链终止较难实现，但与阴离子聚合相比，却不易生成活性聚合物。现在学习的是第46页，共60页阳离子聚合机理的特点：快引发、快增长、易转移、难终止现在学习的是第47页，共60页阳离子聚合反应机理复杂，动力学方程建立较难。如异丁烯-SnCl4（低活性引发剂）体系4）阳离子聚合动力学引发反应复杂：微量共引发剂和杂质的对聚合速率影响很大聚合速率快：引发和增长几乎同步瞬时完

22、成，实验数据重现性差。很难建立“稳态”假定：但在特定的反应条件下，仍可采用“稳态”假定现在学习的是第48页，共60页A-BA+B-A+B-A+B-共价键化合物 离子紧对 离子松对自由离子5）影响阳离子聚合速率常数的因素A.反应介质（溶剂）活性中心离子与反离子的结合形式：大部分活性种处于平衡离子对或自由离子自由离子的增长速率常数比离子对大13个数量级，对总聚合速率的贡献比离子对大得多。现在学习的是第49页，共60页当溶剂极性和溶剂化能力大时，自由离子和离子松对比例增加，使聚合速率与聚合度增大。因此高极性溶剂有利于链增长，聚合速率快；但溶剂还要求不与中心阳离子反应（如极性含氧化合物四氢呋喃等），故

23、常选取低极性溶剂如卤代烃等。如何选择溶剂：若反离子亲核性强，将使链终止；反离子的体积越大，形成离子对越松散，聚合速率就越大。B.反离子现在学习的是第50页，共60页C.聚合温度阳离子聚合速率和聚合度的综合活化能为：通常，聚合速率总活化能：ER=-2141.8 kJ/mol 因此往往出现聚合速率随温度降低而增加的现象。EXn一般为一般为-12.5-29 kJ/mol，表明聚合度随温度降低而增加。这也是阳离子聚合一般在低温下进行的原因，同时低温下进行聚合还可以减弱副反应。现在学习的是第51页，共60页异丁烯以AlCl3作引发剂，在0-40下聚合，得到低分子量产物，用于粘结剂、密封材料等。在-100

24、下聚合，得到高分子量聚异丁烯。丁基橡胶：异丁烯和少量异戊二烯的共聚产物。以AlCl3作引发剂，CH3Cl为稀释剂，在-100下连续阳离子聚合。丁基橡胶不溶于氯甲烷，以细粉状沉淀出来，属于淤浆聚合。丁基橡胶是一种性能优良的橡胶产品，具有耐侯、耐臭氧、气密性好等优点，是内胎的理想材料。6）异丁烯和丁基橡胶现在学习的是第52页，共60页6.4 离子聚合与自由基聚合的比较共轭烯烃：三种机理均可；供电子基的乙烯基单体：阳离子聚合（主要有异丁烯和烷基乙烯基醚等）；吸电子基的共轭烯类单体：阴离子聚合；弱吸电子基的乙烯基单体：自由基聚合；环状单体及羰基化合物：离子聚合或逐步聚合。1）单体现在学习的是第53页，

25、共60页自由基聚合：过氧化物、偶氮化合物等；阳离子聚合：主要有Lewis酸、质子酸等；阴离子聚合：主要有碱金属、有机金属化合物等。2）引发剂和活性种离子聚合中，反离子总伴在活性中心，影响聚合全过程。现在学习的是第54页，共60页离子聚合：溶剂的极性和溶剂化能力对聚合速率、分子量及立构规整性等影响很大；自由基聚合：溶剂只参与链转移反应。3）溶剂自由基聚合：温度取决于引发反应，通常在5080左右；离子聚合：引发活化能小，且为了防止链转移、重排等副反应，反应需在低温下进行。4）温度现在学习的是第55页，共60页自由基聚合：慢引发、快增长、速终止；阴离子聚合：快引发、慢增长、无终止；阳离子聚合：快引发

26、、快增长、易转移、难终止。5）聚合机理特征自由基聚合的阻聚剂一般为氧、苯醌、DPPH等能与自由基结合而终止的化合物。离子聚合阻聚剂一般为水、醇等极性化合物。酸类（亲电试剂）使阴离子聚合阻聚，碱类（亲核试剂）使阳离子聚合阻聚。6）阻聚剂现在学习的是第56页，共60页离子共聚的特点：对单体有较高选择性，阳离子共聚限于有供电基的单体，阴离子共聚限于有吸电子基的单体；同一对单体用不同机理的引发体系进行共聚，竞聚率和共聚组成合有很大差异；离子共聚的单体极性相近，有理想共聚的倾向；溶剂、反离子、温度对离子共聚均有影响。6.5 离子共聚（Ionic Copolymerization）现在学习的是第57页，共

27、60页 自由基自由基 阳离子阳离子 阴离子阴离子 机理特点机理特点 慢引发慢引发 快引发快引发 快引发快引发 快增长快增长 快增长快增长 慢增长慢增长 速终止速终止 易转移易转移 无终止无终止 难终止难终止 单体结构单体结构 大部分烯大部分烯 带有供电带有供电 带有吸电子带有吸电子 类单体类单体 子基的乙子基的乙 基的乙烯基基的乙烯基 烯基单体烯基单体 单体和共轭单体和共轭 烯类单体烯类单体 离子聚合与自由基聚合的比较现在学习的是第58页，共60页 接上表接上表 引发剂引发剂 -O-O-O-O-质子酸质子酸 碱金属碱金属 =N-C-=N-C-路易斯酸路易斯酸 有机金属化合物有机金属化合物 阻聚

28、剂阻聚剂 DPPH DPPH 亲核试剂亲核试剂 亲电试剂亲电试剂 (终止剂终止剂)苯醌苯醌 （碱类）（碱类）（酸类）（酸类）终止方式终止方式 双基终止双基终止 链转移终止链转移终止 无终止无终止 终止剂终止终止剂终止 终止剂终止终止剂终止 现在学习的是第59页，共60页 自由基自由基 离子离子 聚合温度聚合温度 取决于引发剂分取决于引发剂分 常在低温下聚合常在低温下聚合 解温度解温度50-8050-80 0 0或或00以下以下 溶剂溶剂 只参于链转移反只参于链转移反 溶剂的极性和溶剂溶剂的极性和溶剂 应并影响聚合度应并影响聚合度 化能力对引发和增化能力对引发和增 和引发剂分解速和引发剂分解速 长中活性种的形态长中活性种的形态 率。率。有很大的影响，以有很大的影响，以 致对致对R RP P和和 X Xn n 以及以及 链的构型都有很大链的构型都有很大 的影响。的影响。现在学习的是第60页，共60页