离子聚合学习.pptx
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1、羰基化合物、杂环化合物,大多属离子聚合。离子聚合对单体有较高的选择性:带有1,1-二烷基、烷氧基等推电子基的单体才能进行阳离子聚合。具有腈基、羰基等强吸电子基的单体才能进行阴离子聚合。第1页/共76页2阴离子聚合单体6.2 6.2 阴离子聚合阴离子聚合具有吸电子取代基的烯类单体原则上可以进行阴离子聚合。能否聚合取决于两种因素:(1)是否具有-共轭体系带有吸电子基团并具有-共轭体系,能够进行阴离子聚合,如S、B、AN、MMA;第2页/共76页3 单体的极性越大,吸电子能力越强,易进行阴离子聚合,如:硝基乙烯。带有吸电子基团并不具有-共轭体系,则不能进行阴离子聚合,如氯乙烯(VC)、VAc。(2)
2、与吸电子能力有关第3页/共76页阴离子聚合单体 阴阴离离子子聚聚合合单单体体主主要要是是带带吸吸电电子子取取代代基基的的-烯烯烃烃和和共共轭轭烯烯烃烃,根根据据它它们们的的聚聚合合活活性性分分为为四组四组:A组(高活性):组(高活性):偏二氰乙烯偏二氰乙烯 -氰基丙烯酸乙酯氰基丙烯酸乙酯 硝基乙烯硝基乙烯 第4页/共76页B 组组(较高活性):(较高活性):丙烯腈丙烯腈 甲基丙烯腈甲基丙烯腈 甲基丙烯酮甲基丙烯酮C 组组(中活性):(中活性):丙烯酸甲酯丙烯酸甲酯 甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯第5页/共76页D 组组(低活性):(低活性):苯乙烯苯乙烯 甲基苯乙烯甲基苯乙烯 丁二烯丁二烯 异戊
3、二烯异戊二烯 乙烯基单体,取代基的吸电子能力越强,双乙烯基单体,取代基的吸电子能力越强,双键上的电子云密度越低,越易与阴离子活性中心键上的电子云密度越低,越易与阴离子活性中心加成,聚合反应活性越高。加成,聚合反应活性越高。第6页/共76页阴离子聚合机理阴离子聚合机理按引发机理不同:按引发机理不同:电子转移引发、亲核加成引发电子转移引发、亲核加成引发。电子转移引发电子转移引发所用引发剂是可提供电子的物质,所用引发剂是可提供电子的物质,亲亲核核加加成成引引发发则则采采用用能能提提供供阴阴离离子子的的阴阴离离子子型型引引发发剂剂或中性亲核试剂引发剂。或中性亲核试剂引发剂。(1)电子转移引发电子转移引
4、发 碱金属原子将其外层价电子转移给单体或其它物质,碱金属原子将其外层价电子转移给单体或其它物质,生成阴离子聚合活性种,因此称电子转移引发剂。根据生成阴离子聚合活性种,因此称电子转移引发剂。根据电子转移的方式:电子转移的方式:直接转移引发、电子间接转移引发直接转移引发、电子间接转移引发。第7页/共76页(a)电子直接转移引发)电子直接转移引发 如金属钠引发苯乙烯:如金属钠引发苯乙烯:属属非均相引发体系非均相引发体系,为尽可能地增加引发剂与单体,为尽可能地增加引发剂与单体的接触面积的接触面积,聚合过程中通常是把金属与惰性溶剂加,聚合过程中通常是把金属与惰性溶剂加热到金属的熔点以上,剧烈搅拌,然后冷
5、却得到金属微热到金属的熔点以上,剧烈搅拌,然后冷却得到金属微粒,再加入聚合体系。粒,再加入聚合体系。第8页/共76页(b)电子间接转移引发电子间接转移引发 萘萘-钠复合物引发苯乙烯进行阴离子聚合:钠复合物引发苯乙烯进行阴离子聚合:一般先将金属钠与萘在惰性溶剂中反应后再加入一般先将金属钠与萘在惰性溶剂中反应后再加入聚合体系引发聚合,属均相引发体系。聚合体系引发聚合,属均相引发体系。第9页/共76页(2)亲核加成引发()亲核加成引发(阴离子加成引发阴离子加成引发)引引发发剂剂离离解解产产生生的的阴阴离离子子与与单单体体加加成成引引发发聚聚合反应:合反应:主要有:主要有:金属氨基化合物(金属氨基化合
6、物(MtNH2)、烷氧阴离子()、烷氧阴离子(RO-、PhO-)、有机金属化合物()、有机金属化合物(MtR)、格氏试剂()、格氏试剂(RMgX)等。等。第10页/共76页(a)碱金属烷基化合物)碱金属烷基化合物(b)金属胺氨基化合物金属胺氨基化合物 先由金属与醇(酚)反应制得烷氧阴离子,然后再加先由金属与醇(酚)反应制得烷氧阴离子,然后再加入聚合体系引发聚合反应。如:入聚合体系引发聚合反应。如:2 Na+2 CH3OH 2 CH3ONa+H2 第11页/共76页(c)有机金属化合物有机金属化合物 最常用的阴离子聚合引发剂最常用的阴离子聚合引发剂,多为碱金属的有机金多为碱金属的有机金属化合物如
7、丁基锂。属化合物如丁基锂。(d)中性分子亲核加成引发)中性分子亲核加成引发 中性分子如中性分子如R3P、R3N、ROH、H2O 等都有未共用等都有未共用电子对,可以通过亲核加成机理引发阴离子聚合,但只电子对,可以通过亲核加成机理引发阴离子聚合,但只能用于活泼单体的聚合。能用于活泼单体的聚合。第12页/共76页单体与引发剂之间具有选择性单体与引发剂之间具有选择性 在确定阴离子聚合的单体在确定阴离子聚合的单体-引发剂组合时,必须考引发剂组合时,必须考虑它们之间的活性匹配虑它们之间的活性匹配能引发能引发A单体聚合的引发剂,不单体聚合的引发剂,不一定能引发一定能引发B单体聚合。单体聚合。强碱性高活性引
8、发剂能引发各强碱性高活性引发剂能引发各种活性的单体,而弱碱性低活性引发剂只能引发高活性种活性的单体,而弱碱性低活性引发剂只能引发高活性的单体。的单体。如如-氰基丙烯酸乙酯遇水可以被引发聚合:氰基丙烯酸乙酯遇水可以被引发聚合:第13页/共76页引发剂活性引发剂活性 高高 较高较高中中 低低K,Na RMgXROK 吡啶吡啶引引 发发 剂剂萘萘-Na复合物复合物 t-BuOLiRONa R3NKNH2,RLiROLi H2O苯乙烯苯乙烯丙烯酸甲酯丙烯酸甲酯丙烯腈丙烯腈 偏二氰乙烯偏二氰乙烯单单 体体-甲基苯乙烯甲基苯乙烯甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯腈甲基丙烯腈-氰基丙烯酸乙酯氰基丙烯酸乙酯
9、丁二烯丁二烯甲基丙烯酮甲基丙烯酮硝基乙烯硝基乙烯异戊二烯异戊二烯单体活性单体活性 低低 中中 较高较高 高高第14页/共76页三、活性阴离子聚合无终止聚合 所谓慢增长是相对快引发而言,实际上阴离子聚合的增长速率常数比自由基还要大。自由基聚合:阴离子聚合:慢引发、快增长、速(双基)终止快引发、慢增长、无终止和无转移第15页/共76页16活性聚合物 阴离子聚合在适当条件下(体系非常纯净;单体为非极性共轭双烯),可以不发生链终止或链转移反应,活性链直到单体完全耗尽仍可保持聚合活性。这种单体完全耗尽仍可保持聚合活性的聚合物链阴离子称为“活性高分子”。形成“活”性聚合物的原因:1)离子聚合无双基终止(活
10、性中心带同种电荷)。第16页/共76页173)阴离子聚合,从活性链上脱除负氢离子非常困难,需能量较高,不易发生链转移(主要原因)。2)反离子为金属离子,不能与碳阴离子形成共价键导致链终止;第17页/共76页18活性聚合物活性聚合物 只要链终止反应不发生,消耗完所有单体,聚合物链仍保持着活性,再加入同种单体,会继续聚合,加入另一种单体则会生成嵌段共聚物。能进行活性聚合的引发剂很多,最方便的是金属钠和萘钠引发剂,碱金属钠把最外层电子转移给单体,形成单体负离子自由基,经自由基双基终止,生成双负离子进行活的聚合:第18页/共76页19l实验证据 萘钠在THFTHF中引发苯乙烯聚合,碳阴离子增长链为红色
11、,直到单体100100转化,红色仍不消失 重新加入单体,仍可继续链增长(放热),红色消退非常缓慢,几天几周第19页/共76页20(绿色绿色)(红色红色)第20页/共76页21活性阴离子聚合只有引发和增长两步基元反应 阴离子聚合须加入水、醇、胺等终止剂人为终止。阴离子聚合需在高真空或惰性气氛中,试阴离子聚合需在高真空或惰性气氛中,试剂和玻璃仪器非常洁净的情况下进行。剂和玻璃仪器非常洁净的情况下进行。第21页/共76页22阴离子聚合反应机理阴离子聚合反应机理阴离子型聚合仍属链式聚合反应,由:链引发链增长 基元反应组成。第22页/共76页23(1)链引发反应)链引发反应引发剂与单体双键加成生成负离子
12、单体活性中心,这就是引发反应:上式中 M 代表金属,Y 基是吸电子基团,有利于引发剂中碳负离子的进攻第23页/共76页24(2)链增长反应)链增长反应 单体能连续地插入在离子对中间,与链末端碳负离子加成,这就是链增长反应,这反应一直连续地进行,直到单体全部消耗完或链终止反应发生,链增长反应就停止了。第24页/共76页25(3)链转移反应链转移反应 负离子聚合链转移反应发生的比较少,特别是在低温下进行,链转移反应就更少了。第25页/共76页26聚合速率可简单地用增长速率来表示:(1)无杂质的活性聚合;(2)且引发快于增长反应,即在开始聚合前,引发剂已定量地离解成活性中心,则阴离子活性中心的浓度等
13、于引发剂的浓度。上式适用条件:M-阴离子增长活性中心的总浓度第26页/共76页27聚合度1)引发剂全部很快地转变成阴离子活性中心;2)所有链增长同时开始且无链转移和链终止反应。据活性阴离子聚合的特点:聚合物的平均聚合度等于每个阴离子活性链所加上的单体量,即单体浓度与活性链浓度之比:双阴离子,n=2;单阴离子,n=1,C为引发剂浓度第27页/共76页28这种通过定量计算加入引发剂和单体,从而得到预期聚合度和窄分子量分布的聚合反应称为化学计量聚合。阴离子活性聚合得到的产物的分子量分布很窄,接近单分散,如St在THF中聚合,分子量分布指数1.06 1.12,可用作分子量及其分布测定的标准样品。第28
14、页/共76页29(1)引发反应很快,引发剂立刻全部参加引发反应,转变成活性中心;其原因为:(2)所有增长链同时以相同的速率进行链增长,直到单体消耗完全,每个活性链有相同的机会分享全部单体,生成大分子的分子量大小非常接近;(3)无链转移和链终止;(4)解聚反应可以忽略。第29页/共76页30不可能将体系中的杂质完全清除干净。分子量分布仍存在一定分散性,why?反应过程中很难使引发剂分子与单体完全混合均匀,即每个活性中心与单体混合的机会总是有些差别。第30页/共76页31活性聚合应用 在活性聚合体系中加入二氧化碳、环氧乙烷、二异氰酸酯等,使活性链终止,形成带有官能团的端基聚合物。这是目前合成均一特
15、定分子量的唯一方法,为凝胶渗透色谱(GPC)提供标准样品。(1 1)合成均一分子量的聚合物)合成均一分子量的聚合物(2 2)制备带有特殊官能团的端基聚合物)制备带有特殊官能团的端基聚合物第31页/共76页32(i)端羧基聚合物(ii)端羟基聚合物 第32页/共76页33(iii)端胺基聚合物(3)制备带有特殊官能团的遥爪聚合物 前述制备端基聚合物的方法,如果是双阴离子聚合,则可得到遥爪聚合物。第33页/共76页34遥爪聚合物: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,就象两个爪子,故称为遥爪聚合物。第34页/共76页35 利用活性聚合,先制得一种单体的活性链,然后
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