第八章_开环聚合解析
开环聚合
第八章 开环聚合8.1 概述高分子化学中，以环状单体通过开环聚合来合成聚合物，同样具有重要的地位。
在这种聚合过程中，增长链通过不断地打开环状结构，形成高聚物：以环醚为例，环氧乙烷经开环聚合反应，得到一种聚醚，即聚氧化乙烯。
这在工业上已得到应用。
能够进行开环聚合的单体很多，如环状烯烃，以及内酯、内酰胺、环醚、环硅氧烷等环内含有一个或多个杂原子的杂环化合物。
开环聚合既具有某些加成聚合的特征，也具有缩合聚合的特征。
由开环聚合得到的聚合物，重复单元与环状单体开裂时的结构相同，这与加成聚合相似；而聚合物主链中往往含有醚键、酯键、酰胺键等，与缩聚反应得到的聚合物常具有相同的结构，只是无小分子放出。
开环聚合与缩聚反应相比，还具有聚合条件温和、能够自动保持官能团等物质的量等特点，因此开环聚合所得聚合物的平均分子质量，通常要比缩聚物高得多。
有些单体如乳酸，采用缩聚反应无法得到高分子质量的聚合物；而采用乳交酯的开环聚合，就能够获得高分子质量的聚乳酸。
但是，与缩聚反应相比，开环聚合可供选择的单体较少，例如二元酸与二元醇能够通过缩聚获得聚酯；而开环聚合，只有相当于α,ω-羟基酸的环内酯可供选择。
聚酰胺的情况也是如此。
另外，有些环状单体合成困难，因此由开环聚合所得到的聚合物品种受到限制。
开环聚合就机理而言，有些属于逐步聚合，有些属于连锁聚合。
8.1.1 聚合范围及单体可聚性如前所述，环醚、环酯、环酰胺、环硅氧烷等能够进行开环聚合。
此外，环胺、环硫化物、环烯烃、以及N-羧基-α-氨基酸酐等同样也能进行开环聚合。
环状单体能否转变为聚合物，取决于聚合过程中自由能的变化情况，与环状单体和线形聚合物的相对稳定性有关。
Dainton 以环烷烃作为环状单体的母体，研究了环大小与聚合能力的关系。
表6-1列出了环烷烃在假想开环聚合时的自由能变化ΔG lc 0、焓变ΔH lc 0、及熵变ΔS lc 0。
R X [ R X ]n n [ CH 2 CH 2 O ]n n H 2C CH 2O聚合过程中，液态的环烷烃（l ）转变为无定型的聚合物（c ）。
第八章 开环聚合
OCH2OCH2 + CH2O
聚合结束后，这种平衡仍然存在，如果条件变化会打破上
述平衡，使聚甲醛不断解聚，失去使用价值。因此可以通过
下面两个方法改进。 1. 聚合结束前加入酸酐类物质，使端羟基乙酰化，防止其
从端基开始解聚。称为均聚甲醛。
HOCH2OCH2OCH2
OCH2OCH2OH (RCO)2O
O
环的大小对环稳定性和开环倾向的影响，在热力学上可 由键角大小、键的变形程度、环的张力能、聚合热、聚合自 由焓等作定性或半定量的判断。
按碳的四面体结构，C—C—C键角为109°28’，而环状 化合物的键角有不同程度的变形，因此产生张力。
三、四元环烷烃由键角变化引起的环张力很大（三元环 60°，四元环90 °），环不稳定而易开环聚合；五元环键角 接近正常键角（108 °） ，张力较小，环较稳定。五元以上 环可以不处于同一平面使键角变形趋于零而难开环。六元环 烷烃通常呈椅式结构，键角变形为0，不能开环聚合。八元 以上的环有跨环张力，即环上的氢或其他取代基处于拥挤状 态所造成的斥力，聚合能力较强。十一元以上环的跨环张力 消失，环较稳定，不易聚合。
THF PTHF
5.5.2.2 己内酰胺的阴离子开环聚合
己内酰胺是七元杂环，有一定的环张力，有开环聚合 的倾向。最终产物中线性聚合物与环状单体并存，相互构 成平衡，其中环状单体约占8～10%。
己内酰胺可以用酸、碱或水来引发开环聚合。阳离子聚 合引发时，转化率和分子量都不高，无实用价值。工业上 主要采用两种引发剂，一是水，用以合成尼龙—6纤维，属 于逐步聚合机理；二是碱金属或其衍生物，属于阴离子开 环聚合机理，引发后的预聚体可直接浇铸入模内制成铸件， 故称为铸型尼龙。
引发剂常采用氢氧化物（如NaOH、KOH等）、烷氧基 化合物（如甲醇钠）。并以含活泼氢化合物（如乙醇）为 起始剂，产物主要用于非离子表面活性剂、合成聚氨酯的 原料聚醚二醇等。
第八章_开环聚合
O(CH 2) 4 O(CH2 )4 O
O(CH 2) 4 O(CH2 )4 (CH 2) 4 O
O
O(CH2 )4 O(CH 2) 4 O + (CH 2) 4 O
环状低聚物
链增长与向高分子链转移是一对竞争反应：主要取决于单体 与高分子中所含醚基亲核性的相对强弱，单体含醚基的相对亲核 性越强越有利于链增长，相反则有利于向高分子链转移。 单体与高分子链中O的亲核性之比随单体环的增大而增大。 三元环醚单体如环氧乙烷聚合链增长时:
O H+ + O O H O O O + O O O H ( OCH 2OCH2 OCH2 )nO O H2O 终止 O H OCH 2OCH2 OCH2 O O H （OCH 2OCH2OCH2 ） OH n+1 O 三聚甲醛
所得聚合物分子链的末端半缩醛结构很不稳定，加热时易发 生解聚反应分解成甲醛，不具有实用价值。解决方法之一是把产
R O
环氧化物
O O
环丙醚
O 四氢呋喃
O O 三聚甲醛
（1）链引发反应
许多用于乙烯基单体阳离子聚合反应的引发剂也可用于环醚 的阳离子开环聚合，包括强质子酸、Lewis酸、碳阳离子源 /Lewis酸复合体系等。 以质子酸引发四氢呋喃聚合为例：
H A + O
+ -
α-C具有缺电子性
H O A二级环氧鎓离子
第八章 开环聚合
8.1 概述 开环聚合: 环状单体开环相互连接形成线型聚合物的过程。
开环聚合的特点： 链式聚合反应: 包括链引发、链增长和链终止等基元反应。 但开环聚合反应与乙烯基单体的链式聚合反应又有所区别，
其链增长反应速率常数与许多逐步聚合反应的速率常数相似，而
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环氧化合物的开环聚合虽有阴离子聚合的性质，但其分子量和转化率随时间逐 步增加，又有逐步聚合的特征。聚合速率和数均聚合度可分别表达为：
d[M] （8-1） k p [C][M] dt 其中：[M]0和[M]t分别为环氧乙烷起始和 t时刻的浓度；[C]0 和[C]分别为引发 [M]0 [M]t 剂起始和 t 时刻的浓度。 （8-2） Xn [C]0 Rp
十一元以上环的跨环张力消，环较稳定，不易聚合
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综合以上分析知，不同大小环的热力学稳定性顺序为：3, 4 ≤ 5, 7～11 ＜ 12以上。
环烷烃开环聚合能力为：3, 4 ＞ 8 ＞ 5, 7 ，九元以上的环很少见。
环酯、环醚、环酰胺等杂环化合物通常比环烷烃容易聚合，因为杂环 中的杂原子提供了引发剂亲核或亲电进攻的位置。聚合能力与环中杂原子 的性质有关。
易聚合，如三聚甲醛。
工业上最重要的环醚聚合有：环氧乙烷、1,2—环氧丙烷的阴离子开环聚合， 3, 3’—二（氯甲叉）丁氧环和三聚甲醛的阳离子开环聚合等。
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（1）三元环氧化物的阴离子开环聚合
三元环氧化物主要有以下品种：
C H C H H C H C H H C H C H H C H C H C l 2 2 C 2 3C 2 2 5C 2 2
三元环氧化物的张力大，开环倾向较大。碳氧键 O O O 极性较大，阳离子、阴离子甚至中性条件(水)均可使 其断裂开环。但阳离子开环聚合常伴有链转移反应， 故工业上环氧烷多采用阴离子开环聚合。
O
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三元环氧化物阴离子聚合的引发剂常采用氢氧化物（如NaOH、KOH等）、 烷氧基化合物（如甲醇钠）。并以含活泼氢化合物（如乙醇）为起始剂，产物 主要用于非离子表面活性剂、合成聚氨酯的原料聚醚二醇等。
第八章开环聚合分析
环状单体 3 4 5 6 7 8 9以上
环醚
><
环缩醛
聚合反应类型 正离子聚合 正离子聚合
环酯
正离子、负离子、配位
环酰胺
负离子聚合
环硫 环亚胺
>< >< >< ><
正、负离子、配位聚合
正离子聚合
环硅氧烷
CH3
H3C
O
Si
H3C O
Si CH3 O Si CH3
Si O CH3 H3C CH3
有机磷氮烯
环烷烃开环聚合自由焓变
3
4
5
6
-113.0 -105.0 -21.2 2.9
7 -21.8
8 -34.8
聚合能力：
环张力
╳ 取代基位阻
键角张力 构象张力 准竖向氢原子间斥力
键角张力
四价碳原子： 正四面体，键角109o28'
环数 3 4 5 6
7－12 > 15
构象 平面 蝴蝶构象，二个平面夹角20o “扭曲构象”或“袋”式构象 椅式构象，键角111.05o 船－椅式构象 环张力消失
重点内容： 从热力学和动力学角度，分析环状单体开环聚合能力
合物的聚合反应。
2、开环聚合能力 （1）热力学分析
G H T S
a. 自由能变
环烷烃开环聚合自由能变
环数
3Байду номын сангаас
4
5
6
ΔG,kJ/mol -92.5 -90.0 -9.2
5.9
7 -16.3
8 -34.3
聚合能力：
╳
结论：
3, 4 >> 5,711 > 6,12以上
高分子化学-开环聚合
第八章开环聚合(Ring opening polymerization)开环聚合:环状单体开环相互连接形成线型聚合物的过程。
与缩聚相比，大部分开环聚合属于杂链高分子，与缩聚物相似；与烯类加聚相比，开环聚合并无π键断裂，无副产物产生。
大部分开环聚合属于连锁离子聚合机理。
8.1 开环聚合热力学分析•环状单体能否开环聚合，及其聚合能力的大小，取决于热力学及动力学因素。
•从热力学角度分析，取决于过程的自由能变化ΔG，它与焓变ΔH及熵变ΔS值有关ΔG＝ΔH－TΔS(1)ΔH的大小则与环的张力相关。
环张力与环的大小，环中杂原子的种类和数目，以及碳原子与杂原子间键的强度等有关。
¾三元、四元环烷烃的键角偏离正常键角很大，环张力主要由角张力引起，环张力大而不稳定。
¾五元和七元环因邻近氢原子的相斥，引起一定的扭转应力，而带有一些构象张力。
¾八元以上的环有跨环张力，是由环内氢或其他基团处于拥挤状态所造成的斥力引起的。
¾十一元以上的环，跨环张力消失。
•对三、四元环，虽然ΔS不利于聚合物生成，但ΔH 的绝对值大，足以抵偿ΔS 值的不利影响，因此ΔH 是决定ΔG 值的主要因素。
•对五、六元环来说，环张力小，且ΔS对反应也不很有利，所以ΔG常为正值，难以开环聚合。
•对更大的环，ΔS与ΔH的贡献相近。
因为ΔH 与ΔS 均为负值，当温度不高时，ΔG 将为负值，热力学理论上可以聚合。
•实际上较少用到九元以上的环状单体。
环烷烃在热力学上容易开环聚合的程度为3、4>8>7、5。
8.2阴离子开环聚合反应环醚是Lewis碱，一般只能进行阳离子开环聚合。
但环氧化物由于其三元环张力大，能进行阴离子开环聚合。
引发剂包括金属氢氧化物、金属烷氧化合物、金属氧化物、烷基金属化合物以及电子转移阴离子引发剂等。
以环氧乙烷为例，其阴离子开环聚合过程可示意如下：链引发反应：醇的影响一些金属烷氧化物和氢氧化物引发的聚合反应体系中，常加入适量的醇：¾溶解引发剂，形成均相聚合体系；¾促进增长链阴离子与抗衡阳离子的离解，增加自由离子浓度，加快聚合反应速度。
第8章 开环聚合
（ring opening polymerization）
开环聚合是指具有环状结构的单体经引发聚合,将环打 开形成高分子化合物的一类聚合反应。
一、开环聚合的特征 开环聚合既不同于连锁聚合,也不同于逐步聚合,其 特征为: ⒈ 聚合过程中只发生环的破裂,基团或者杂原子由 分子内连接变为分子间连接,并没有新的化学键和新 的基团产生。 ⒉ 与连锁聚合相比较 连锁聚合的推动力是化学键键型的改变，虽然大 多数环状单体是按离子型聚合机理进行的,但开环聚 合的推动力是单体的环张力,这一点与连锁聚合不同。 开环聚合所得的聚合物其结构单元的化学组成与 单体的化学组成完全相同合反应相比较 开环聚合虽然也是制备杂链聚合物的一种方法, 但聚合过程中并无小分子缩出。 开环聚合的推动力是单体的环张力,聚合条件比 较温和,而逐步聚合的推动力是官能团性质的改变, 聚合条件比较苛刻.所以,用缩聚难以合成的聚合物, 用开环聚合较易合成。
二. 环状单体的聚合活性
——能否开环及聚合能力的大小
环状单体的聚合活性取决于主要是热力学因素，即环状 单体和线型结构聚合物的相对稳定性。
环状单体热力学稳定性次序： 3，4《5，7～11〈12以上，6 对于杂环化合物，如环醚、环酯、环酰胺等，由于 杂原子提供了引发剂亲核或亲电进攻的位置，所以在 动力学上它们比环烷烃更有利于开环聚合。
高分子化学第八章
R-OH +
外加醇实际起引发剂作用，增长链活性末端为 外加醇实际起引发剂作用，增长链活性末端为-OH
链增长
（4）链终止反应 ） 阳离子开环聚合的链终止反应主要为增长链氧鎓 阳离子开环聚合的链终止反应主要为增长链氧鎓离子与抗衡阴 离子结合， 离子结合，如：
（5） 应用 ） 三聚甲醛（三氧六环）的阳离子开环聚合： 三聚甲醛（三氧六环）的阳离子开环聚合：
O H+ + O O H O O O + O O O H ( OCH 2 OCH2 OCH2 )nO O H2 O 终止 O H OCH 2 OCH2 OCH2 O O H OCH 2 OCH2 OCH2 ） OH （ n+1 O 三聚甲 醛
所得聚合物分子链的末端半缩醛结构很不稳定， 所得聚合物分子链的末端半缩醛结构很不稳定，加热时易发 生解聚反应分解成甲醛，不具有实用价值。 生解聚反应分解成甲醛，不具有实用价值。解决方法之一是把产 物和乙酐一起加热进行封端反应，使末端的羟基酯化，生成热稳 物和乙酐一起加热进行封端反应，使末端的羟基酯化， 定性的酯基。 定性的酯基。 工业上已用这种方法生产性能优良的工程塑料聚甲醛。 工业上已用这种方法生产性能优良的工程塑料聚甲醛。
通过交换反应，醇也可引发单体聚合， 通过交换反应，醇也可引发单体聚合，因此若无其他链转移反 应时，聚合产物的数均聚合度为： 应时，聚合产物的数均聚合度为：
C[M]0 Xn = [I]0 + [ROH]
为单体转化率) (C 为单体转化率)
环氧丙烷的阴离子开环聚合通常只能得到分子量较低的聚合 物（<6000），主要原因是聚合反应过程中向单体的链转移反应： <6000），主要原因是聚合反应过程中向单体的链转移反应： ），主要原因是聚合反应过程中向单体的链转移反应