第八章_开环聚合

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第八章_开环聚合

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

8第8章开环聚合-文档资料

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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
6
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。
13
(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
14
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

第八章开环聚合

氯化聚醚
• 丁氧环醚:丁氧环醚可以开环聚合,但是有应用价值的是3, 3‘-二(氯亚甲基)丁氧环。聚合产物俗称氯化聚醚,又称聚 氯醚。结晶性成膜材料,熔点177℃,机械强度比氟树脂好, 吸水性低,耐化学药品腐蚀,尺寸稳定性好,电性能优良, 可作为工程塑料。 • 由于分子中的次甲基上的碳无取代基,因而赋予大分子以良 好的柔顺性,另由于分子链上季碳原子上连有两个位阻较大 的氯甲基,又增加了链的刚性,因此,CPT的分子链为刚柔 兼备并以柔为主。另一方面,由于具有极性的氯甲基的对称 排列而不显极性,同时由于氯原子为憎水基,使它具有极低 的吸水率和良好的电绝缘性。
Cl
O
Cl Cl
Cl
Cl Cl
Cl
O
TCDD 二噁英
Cl
Cl
O
Cl Cl Cl
Cl
二噁英:指结构和化学性质相近的多氯二苯二恶英(PCDDs) 和多氯二苯并呋喃(PCDFs)。某些类二恶英多氯联苯(PCBs) 具有相似毒性,归在“二恶英”名下。大约有419种类似二 恶英的化合物被确定, 但其中只有近30种被认为具有相当的 毒性,以TCDD的毒性最大。
链引发
如果用醇钠引 发,必须脱除 副产醇,以氢 氧化钠引发, 脱除水
聚硅氧烷
• 八元环的硅氧烷开环聚合,热力学特征:1、 ∆H接近于零,∆S却是正值,熵增成为聚合 动力。 • 2、存在环-线平衡,聚合时线性单体和环状 单体共存;在较高的温度下,解聚成6至12 元环的环状低聚物。 • 反应可以采用阴离子引发,也可采用阳离 子引发,阳离子引发产品分子量低,常用 于硅油合成。
• 硅原子半径大于C,硅氧键及硅碳键比较长,硅 侧基相互作用小,容易绕硅氧键旋转,Tg-130℃。 在很宽的温度范围内保持柔顺性和高弹性,耐化 学品、耐氧化、疏水、电绝缘等优点。 • 高分子线性主要做硅橡胶,低分子线性和环状的 做硅油,有三官能度存在的,可以固化交联,做 涂料。 • 低分子的具有良好的表面活性,可以做表面活性 剂。聚氨酯工业用的泡沫稳定剂基本上都是硅油 类产品。 • 聚硅氧烷使用温度在180℃以下,加热至250℃, 降解成环状低聚物。

高分子化学-开环聚合

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。

第八章 开环聚合1

第八章 开环聚合1
物,其中降冰片烯、双环戊二烯等的ROMP已工业化:
特种橡胶:用于汽车减声、 减震;油污染清除等。 降冰片烯 特种塑料:用于大型物件的 制造,如汽车车身,人造 双环戊二烯
10:32
卫星天线等。
31
21
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:
CH3 CH2 CH O- Na+
+ CH3
O CH CH2
O CH3 + CH2 CH OH + H2C CH CH2 Na
H2C
CH
CH2O-Na+
再引发聚合
10:32
22
8.3.2 内酰胺
链引发和链增长反应活性中心为金属-碳烯,机理示意如下:
链增长活性中心
10:32 28
早期使用的 ROMP 引发剂为双组分体系,由稀土金属(如 W、Mo、Rh、Ru)的卤化物和烷基化试剂(如R4Sn或RAlCl2) 组成,两组分原位生成引发活性中心金属-碳烯。
这类引发剂具有许多不足:产物分子量难控制;对多种功能
10:32 25
链增长
三聚体阴离子
其增长链活性末端:环外N-酰化环酰胺。起始链增长活 性中心为二聚体所带的环外N-酰化环酰胺结构,二聚体是实际 的引发剂,所加阴离子催化剂其活化单体的作用。
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8.4 开环易位聚合反应(ROMP) 烯烃在某些复合配位催化剂作用下可使双键断裂发生双键再分 配反应,称为烯烃易位反应,如:
杂环化合物中的杂原子易受引发活性种进攻并引发开环,
在动力学上比环烷烃更有利于开环聚合。 因此,绝大多数的开环聚合单体都是杂环化合物,包括环 醚、环缩醛、内酯、内酰胺、环胺、环硫醚、环酸酐等。 同类环单体的聚合反应活性与环大小密切相关: 三元、四元环>七至十一元环>五元环

开环聚合

开环聚合

头、窗框、洗漱盆、水箱、滑轮、水表壳体等),汽车工业 (散
热器水管阀门、散热器箱盖、冷却液的备用箱、燃料油箱盖、气 化器壳体、油门踏板等零件),电子电器 (电话、无线电、电视 机、计算机和传真机)
8.2.2 环硅氧烷 最常见的环硅氧烷单体八甲基环四硅氧烷 (D4):
H 3C CH3 Si O CH 3 O Si n H3 C CH 3 Si O O Si H3 C H 3C CH 3
活性单体机理 聚合体系的阳离子不位于增长链末端,而是
在单体分子上。 活性单体
O + H+ O H O H RO CH2CH2OH2 + O 快 RO CH2CH2OH + O H
R-OH +
链增长
外加醇实际起引发剂作用,增长链活性末端为 -OH
(5) 应用
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 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
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 H O A二级环氧鎓离子 HO CH2CH2CH2CH2 O A三级氧鎓离子链增长活性中心 α-C具有缺电子性
C[M]0 Xn [I]0

第8章 开环聚合

第8章 开环聚合
第八章 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。

第8章 开环聚合反应

第8章 开环聚合反应

¾ 酰化的内酰胺比较活泼,是聚合的活性中心,因此可 以采用酰氯、酸酐、异氰酸酯等酰化剂与单体反应, 使己内酰胺先形成N-酰化己内酰胺。这样可消除诱导 期,加速反应,缩短聚合周期。
O C (CH2)3 NH + RCOCl
O C
O (CH2)3 N C R + HCl
(4) 环硅氧烷的开环聚合
¾ 三、四元环烷烃由键角变化引起的环张力很大(三元环 60o,四元环90o);
¾ 五元环和七元环的键角接近正常键角(108o),环上因邻近氢 原子相互排斥形成构象张力,而易开环。
¾ 六元环烷烃呈椅式结构,键角变形为0,不能开环聚合。 ¾ 八元以上的环有跨环张力(属构象张力),即环上氢或取
代基处于拥挤状态造成相斥,其聚合能力较强。十一元以 上环的跨环张力消失,环较稳定,不易聚合。
− d[N] = ktr,M = CM d[M] kp + ktr,M 1 + CM
其中CM为向单体转移常数。
将上式积分,得:
[N]
=
[N]0
+
1
CM + CM
([M]0

[M])
[N]o 、(Xn)o为无向单体转移时的聚合物浓度和平均 聚合度。
向单体链转移时的平均聚合度分别为:
X n = [M] 0 − [M] [N]
¾ 其他六元的环酰胺、环酐都较易聚合。如:丙交酯开环 聚合成聚乳酸。
O
CH3
C
CH
O
O
CH
C
C H3
O
CH3
H [ OCH
C ]n O H
环上有取代基时对聚合不利,有大侧基的线性大分 子不稳定,易解聚成环。如四氢呋喃能聚合,2-甲基 四氢呋喃却不能聚合。
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第八章 开环聚合
§1 环状化合物及其开环聚合
1. 环烯烃(-CH2=CH2-) 易位聚合(ROMP) 主要单体:环戊烯、环辛烯、降冰片烯及其 衍生物 聚合物:
2. 环醚
单体及聚合方式:
环氧乙烷(阳离子、阴离子、配位) 杂氧环丁烷、THF等(阳离子)
聚合物:聚醚
3. 内酯
7. 内酰胺 单体:己内酰胺 聚合方法:阳离子、阴离子 聚合物:尼龙-6等
8.环状脲
NHCNH O
9. 环状氨基甲酸酯 10. 环硫缩醛 -SCH2S11. 环氧硫缩醛 -OCH2S-
NHCO O
12. 环亚胺
H
N H
N
氮杂环丙烷
13. 含磷环状单体
Cl2 N P N Cl2 P N P Cl2
开环:有两个C-O键断裂产生体积膨胀 用途:热固性树脂改性
§2. 开环歧化(易位)聚合反应
Ring opening metathesis polymerization, (ROMP) 1.简单介绍 聚合单体:环状烯烃(环己烯不可) 催化剂:Schrock 络合物(金属卡宾络合物 carbene) 聚合机理:
聚合方式:阳离子;阴离子;配位 单体:-丙内酯;-丁内酯;-戊内酯;-己 内酯;丙交酯等 聚合物:聚酯
4环缩醛
单体:例三聚甲醛等
聚合方式:阳离子
聚合物:聚醚 5. 环碳酸酯
OCO O
6. 环硫化合物
单体:环硫乙烷;环硫丙烯等 聚合方法:阴离子、阳离子、配位 聚合物:聚硫醚
* *
n
聚二环戊二烯(1985年)
1985年 单体:
聚合:
*
*
n
聚合物特点:交联型聚合物,具有高抗冲和高弯 曲模量性能 应用:娱乐商品;汽车工业
3. 新型聚合物分子结构设计
恒份共聚物
m
+ n
OCOMe
*
m+ n
MeOCO
理想交替共聚物
R R
*
n
聚丁二烯
聚乙烯
聚取代烯烃
三元理想交替共聚物
合成规整性结构梳型聚合物
PS
*
n
*
PS
4.功能高分子合成
导电高分子
* CF3 *
n
CF3
CF3
F3C CF3 * *
n
+
CF3
*
*
n
环辛四烯
* *
n
n
O CO2Me * O * * O *
CO2Me
MeO2C
CO2Me
MeO2C
CO2Me
*
*
HgCl2
n
பைடு நூலகம்
* *
n
反应性聚合物
CH = M CH M
CH = CH
CH
CH
CH
M
CH
特点:保留单体的所有双键
CH
2. 工业产品:
降冰片烯聚合物PNBE 1976年,商品名:Norsorex 单体:
C2H4 Diels-Alder
聚合:
RuCl3/HCl n-BuOH n
* *
应用:由于其可吸收5-10倍自身重量的油,可 用于溢油回收等。 聚环辛烯 1980年,商品名:Vestenamer 应用橡胶加工助剂
N R2 P N
R2 P N P R2
14. 含硅单体
Si O O Si O O Si
O Si O
Si O
Si
Si
D3
D4
15. 二环状和螺环状化合物
O
O
O
O
O
O
环醚
O O
双环缩醛
O O
原碳酸酯
O O
O
O
O
螺环原酸酯
螺环醚
螺环原碳酸酯
螺环开环与膨胀聚合
一般聚合:
单体间,范德华力:0.3-0.5nm 单体单元间,共价键:0.154nm
O * O
n
Mo
O
O
O
O
*
*
m
n
HOOC * *
COOH
m
n
HOOC
COOH
§4. 炔类的易位聚合
R RC CH + RC M R
R
H R
C C
M C R
R
H
C C
M C R
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