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高分子化学课件(第五版)潘祖仁5讲述
第六章 离子聚合
6.1 引言
离子聚合:活性中心是离子的聚合。
离子聚合的理论研究开始于五十年代:
1953年,Ziegler在常温低压下制得PE
1956年,Szwarc发现了“活性聚合物”
多数烯烃单体都能进行自由基聚合,但是离子聚合却有极高的选择性。
原因: 离子聚合对阳离子和阴离子的稳定性要求比较严格。
阴离子聚合
根据中心离子电荷性质的不同
阳离子聚合
离子聚合对单体有较高的选择性
聚合机理和动力学研究不如自由基聚合成熟
聚合条件苛刻,微量杂质有极大影响,聚合重现性差
聚合速率快,需低温聚合,给研究工作造成困难
反应介质的性质对反应也有极大的影响,影响因素复杂
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。
羰基化合物、杂环化合物,大多属离子聚合。
原因
意义:
1、将难以自由基方式聚合的单体,以离子聚合方式合成新产品;
2、同一单体通过自由基和离子聚合得到的产物的结构与性能不同;
3、在一定程度上可对产物的结构和性能进行设计。
离子聚合的发展导致了活性聚合的诞生。这是高分子发展史上的重大转折点。它使高分子合成由必然王国向自由王国迈出了关键的一步。
6.2 阳离子聚合
到目前为止,对阳离子聚合的认识还不很深入。
原因:
阳离子活性很高,极易发生各种副反应,很难获得高分子量的聚合物。
引发过程十分复杂,至今未能完全确定。
目前采用阳离子聚合并大规模工业化的产品只有丁基橡胶、聚异丁烯。
阳离子聚合通式可表示如下:
式中A+为阳离子活性中心(碳阳离子,氧鎓离子),难以孤立存在,往往与反离子形成离子对。 B-为反离子,又称抗衡离子 。
1. 阳离子聚合的烯类单体
具有供电子基的烯类单体原则上可进行阳离子聚合
供电子基团使双键电子云密度增加,有利于阳离子活性种进攻。
碳阳离子形成后,供电子基团的存在,使碳上电子云稀少的情况有所改变,体系能量有所降低,碳阳离子的稳定性增加。
称为
反离子
从两方面考虑:
质子对碳-碳双键有较强的亲合力。
增长反应比其它副反应快,即生成的碳阳离子有适当的稳定性。
对单体种类进行讨论 (可由热焓-△H判断):
能否聚合成高聚物,还要求:
?-烯烃
无取代基,不易极化,对质子亲和力小,不能发生阳离子聚合
对质子亲和力较大,有利于反应。
但一个烷基的供电性不强,Rp不快;仲碳阳离子较活泼,容易重排,生成更稳定的叔碳阳离子。
-△H( kJ/mol) 640
757 791
两个甲基使双键电子云密度增加很多,易与质子亲合,820 kJ / mol
生成的叔碳阳离子较稳定,可得高分子量的线型聚合物
故丙烯、丁烯阳离子聚合只能得到低分子油状物。
亚甲基上的氢,受四个甲基的保护,不易夺取,减少了重排、支化等副反应。
更高级的α- 烯烃,由于空间位阻效应较大,一般不能通过阳离子聚合得到高分子量聚合物。
是唯一能进行阳离子聚合的?-烯烃
烷基乙烯基醚
诱导效应使双键电子云密度降低,氧的电负性较大
共轭效应使双键电子云密度增加,占主导地位。
p-? 共轭
共振结构使形成的碳阳离子上的正电荷分散而稳定:
能够进行阳离子聚合
但当烷基换成芳基后,由于氧上的未共有电子对也能与芳环形成共轭,分散了双键上的电子云密度,从而使其进行阳离子聚合的活性大大降低。
共轭烯烃
如:St,?-MeSt,B,IP
? 电子的活动性强,易诱导极化,既能阳离子聚合,又能阴离子聚合
但聚合活性远不如异丁烯、烷基乙烯醚,工业很少进行这类单体的阳离子聚合生产均聚物。
基本原则:
由于离子聚合的工艺要求较高,故能用自
由基聚合的,尽可能不采用离子聚合。
1)引发剂生成阳离子,引发单体生成碳阳离子。
2)电荷转移引发:引发剂和单体先形成电荷转
移络合物而后引发。
常用的引发剂:质子酸、 Lewis酸
2. 阳离子聚合引发体系及引发作用
阳离子聚合的引发方式:
阳离子聚合的引发剂都是亲电试剂,即电子接受体
质子酸引发
质子酸包括:
H2SO4,H3PO4,HClO4, CF3COOH,CCl3COOH
酸要有足够的强度产生H+,故弱酸不行
酸根的亲核性不能太强,否则会与活性中心结合成共价键而终止,如HCl
质子酸先电离产生H+,然后与单体加成形成 引发活性中心? 活性单体离子对
条件
HSO4- H2PO4-的亲核性稍差,可得到低聚体。
HClO4,CF3COOH,CCl3COOH的酸根较弱,可生成高聚物。
氢卤酸的X-亲核性太强,不能作为阳离子聚合引发剂,如
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