高分子化学第六章 离子聚合
高分子化学6-离子聚合-阴离子聚合

二、阴离子聚合引发剂
对于吸电子取代基的烯类单体,按其反应能力, 可以排为四组:
CN A 组 CH2 C(CN)2 > CH2 C COOC2H5 > CH2 CHNO2 >>
B 组 CH2 CHCN > CH2 C(CH3)CN > CH2 CHCCH3 >>
CH3
O
C 组 CH2 CH
> CH2 C
Na + CH2 CH
CH2 CH
CH2 CH Na+
自由基末端偶合二聚后形成双阴离子:
2 CH2 CH
CH2 CH Na+
Na+
CH CH2 CH2 CH Na+
双向引发聚合
1.链引发(3)碱金属络合引发--电子间接转移引发
钠—萘体系:利用碱金属在某些溶剂中能够生成 有机络合物并降低其电子转移活化能的特点。
>>
COOCH3 D 组 CH2 CHCH CH2
COOCH3 > CH2 CH
CH3 > CH2 C
C6H5
C6H5
二、阴离子聚合引发剂
表 常见阴离子聚合单体和引发剂的反应活性
单体活性类别
单体
高活性A 次高活性B 中活性C 低活性D
硝基乙烯 偏二氰基乙烯
丙烯腈 甲基丙烯腈
丙烯酸甲酯 甲基丙烯酸甲酯
A
苯乙烯
非极性共轭烯烃
丁二烯
B
甲基丙烯酸甲酯 丙烯酸甲酯
丙烯腈
C 甲基丙烯腈
极性单体
活 性
甲基乙烯酮
硝基乙烯
高活性单体
亚甲基丙二酸二乙酯 D - 氰基丙烯酸乙酯
高分子化学-离子聚合

第六章离子聚合论述题1. 丁基锂和萘钠是阴离子聚合的常用引发剂,试说明两者引发机理和溶剂的选择有何差别。
2. 甲基丙烯酸甲酯分别在苯、四氢呋喃、硝基苯中用萘钠引发聚合。
试问在哪一种溶剂中的聚合速率最大?3. 应用活性阴离子聚合来制备下列嵌段共聚物,试提出加料次序方案。
a.(苯乙烯)x—(甲基丙烯腈)yb.(甲基苯乙烯)x—(异戊二烯)y—(苯乙烯)zc.(苯乙烯)x—(甲基丙烯酸甲酯)y—(苯乙烯)x4. 试从单体、引发剂、聚合方法及反应的特点等方面对自由基、阴离子和阳离子聚合反应进行比较。
5. 将下列单体和引发剂进行匹配。
说明聚合反应类型并写出引发反应式。
单体:(1)CH2=CHC6H5(2)CH2=C(CN)2(3)CH2=C(CH3)2(4)CH2=CHO(n-C4H9)(5)CH2=CHCl(6)CH2=C(CH3)COOCH3引发剂:(1)(C6H5CO2)2(2)(CH3)3COOH+Fe2+(3)萘-Na(4)BF3+H2O6. 在离子聚合反应过程中,能否出现自动加速效应?为什么?7. 何为活性聚合物?为什么阴离子聚合可以实现活性聚合?计算题1. 用n-丁基锂引发100 g苯乙烯聚合,丁基锂加入量恰好是500分子,如无终止,苯乙烯和丁基锂都耗尽,计算活性聚苯乙烯链的数均分子量。
2. 将1.0×10-3 mol萘钠溶于四氢呋喃中,然后迅速加入2.0 mol苯乙烯,溶液的总体积为1 L。
假如单体立即混合均匀,发现2000 s内已有一半单体聚合。
计算聚合2000 s和4000 s时的聚合度。
3. 将苯乙烯加到萘钠的四氢呋喃溶液中,苯乙烯和萘钠的浓度分别为0.2 mol⋅L-1和1×10-3 mol⋅L-1。
在25℃下聚合5 s,测得苯乙烯的浓度为1.73×10-3 mol⋅L-1。
试计算:a.增长速率常数b.10s的聚合速率c.10s的数均聚合度4. 在搅拌下依次向装有四氢呋喃的反应器中加入0.2 mol n-BuLi和20 kg苯乙烯。
高分子化学 第6章 离子聚合

3. 其它能产生 阳离子的物质
碘、氧鎓离子、高氯酸盐、六氯化铅盐等 引发活性较低,只能引发活性较高的单体。 高能辐射也能产生阳离子引发聚合,
CH3
异丁烯:
异丁烯是唯一能进行阳离子聚合的α —烯烃,且它 只能进行阳离子聚合。根据这一特性,常用异丁烯 来鉴别引发机理。
更高级的α —烯烃:由于位阻效应,只能形成二聚体(Dimer) 。
烷基乙烯基醚: 诱导效应:烷氧基使双键电子云密度降低; 共轭效应:氧上未共用电子对与碳碳双键形成P~π共轭, 使双键电子云密度增加。
阳离子聚合机 理的特点
讨论:阳离子聚合有
无自动加速现象 单基终止 ,无? 自动加速现 快引发、快增长、易转移、难终止。 象 終止方式是单基終止。
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,主要原因是反应体系中水是引发剂,又是終 止剂。另外,阳离子聚合易链转移。 但现在也可以作到活性聚合。
烯烃双键对质子的亲和力,可以从单体和质子 加成的的热焓判断。
增长反应比其他副反应快,即生成的碳
阳离子有适当的稳定性。
如:α —烯烃 乙烯(ethylene): 无侧基,C=C电子云密度低,且不易极化,对质 子亲和力小,难以阳离子聚合。
丙烯(propylene)、丁烯(butylene):
烷基供电性弱,生成的二级碳阳离子较活泼,易 发生重排(rearrangement)等副反应,生成更稳 定的三级碳阳离子。
+ CH2 C (BF3OH)
第六章离子聚合

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实验证据 萘钠在THF中引发苯乙烯聚合,碳阴
离子增长链为红色,直到单体100%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
21
Na +
[ THF
[2
] THF Na +2CH2 CH
] Na (绿色)
+ Na CH CH2 CH2 CH Na
(红色)
2 CO2
X
O A O C CH CH2
X
O
CH2 CH C O A
H+
X
O HO C CH CH2
X
CH2
36
O CH C OH X
(4)制备嵌段共聚物 利用活性聚合,先制得一种单体的活性链,
然后加入另一种单体,可得到希望链段长度的 嵌段共聚物。
工业上已经用这种方法合成了St-B、 St-B-St两嵌段和三嵌段共聚物,这种聚合物 在室温具有橡胶的弹性,在高温又具有塑料的 热塑性,称热塑弹性体。
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(3) 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。
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聚合速率 可简单地用增长速率来表示:
上式适用条件: (1) 无杂质的活性聚合;
M-——阴离子增长 活性中心的总浓度
(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
引发剂活性
高
K,Na
引发剂
萘-Na复合物 KNH2 ,RLi
较高 RMgX t-BuOLi
中 ROK RONa ROLi
低 吡啶 R3N H2O
单体 单体活性
苯乙烯
高分子化学第四版6-离子聚合

6.2.6 活性阴离子聚合动力学
阴离子聚合的特征:聚合前引发剂全部转变成
活性中心,各活性中心活性相同,以相同的
速度同时引发单体增长,增长过程中无引发
反应和终止反应,活性中心数保持不变。 活性阴离子聚合是: 快引发、慢增长、无终止和无转移。
⑴. 聚合速率
测定t 时的 残留[M], 可求kp
⑵. 聚合度和聚合度分布
6.3.3 阳离子聚合机理
阳离子聚合机理:
快引发、快增长、易转移、难终止。
1. 链引发
其它络合物离子对: BF3 H 2O H BF3OH SnCl4 RCl R SnCl5
AlCl3 HCl H AlCl4
BF3 C2 H 5 2 O C2 H 5 BF3OC2 H 5
6.2.4 活性阴离子聚合的机理和应用 1. 活性阴离子聚合机理
2. 活性聚合的应用
①合成均一分子量的聚合物
②制备嵌段聚合物
在利用阴离子聚合,先制得一种单体的活的聚合物,然 后加入另一种单体聚合时,并非所有活的聚合物都可 以引发另一种单体聚合,反应能否进行,取决于 M1
和 M2 的相对碱性,即 M1 的给电子能力和 M 2的亲电
2. 链增长
阳离子聚合增长反应的特点:
⑴. 离子与分子间的反应,速度快,活化能低,几乎与引发同时完成;
⑵. 单体按头尾结构插入离子对,对构型有一定控制能力; ⑶. 增长过程中有时伴有分子内重排反应。
例如:3甲基1丁 烯的阳离子聚 合产物。
3. 链转移
离子聚合的增长活性中心带有相同的电荷,不能
4 9 4 9
C H Mn Li K C H Mn Li
高分子化学第六章离子聚合

6.2 阴离子聚合
阴离子聚合反应的通式可表示如下:
A B M BM A M M n
其中B-为阴离子活性中心,A+为反离子,一般为金属离子。 与阳离子聚合不同,阴离子聚合中,活性中心可以是自由离 子、离子对,甚至是处于缔合状态的阴离子。
6.2.5链转移和链终止 链转移:阴离子聚合从增长链上脱去氢阴离子H-发生链转移的 活化能相当高,一般难以进行:
H H C C H X Mt+ + CH2=CHX 活化能高 H H C C + H3C C H X X
链终止:在阴离子聚合反应中,由于其链增长活性中心为阴离 子,不能进行双基终止;抗衡阳离子为金属离子,链增长碳阴离子 难以与其形成共价键而终止。 因此,对于理想的阴离子聚合体系(一般是非极性单体)如果不 外加链终止剂或链转移剂,一般不存在链转移反应与链终止反应。
CH3O-Na+ + H2C CH X H3CO CH2 CH Na+ X
b.金属胺氨基化合物
2K + NH3 KNH2 NH2- + H2C CH X
以KNH2为例
2KNH2 + H2 K+ + NH2H2N CH2 CH X -
c.中性分子亲核加成引发
有些中性分子如R3P、R3N、ROH、H2O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,但只能用于活泼单体的 聚合,如α-氰基丙烯酸乙酯遇水可以被引发聚合:
6.2.1阴离子聚合单体
阴离子聚合单体主要是带吸电子取代基的α-烯烃和共轭烯烃, 根据它们的聚合活性分为四组:
CN CN H2C C COOC2H5 H H2C C NO2
高分子化学_第六章_离子聚合比较

6.4 离子聚合的影响因素
将活性种区分成离子对P-C+ 和自由离子 P- 两种,离解平衡为:
M Na K
k+ +M
离子对增长
M M Na K
k M + Na + M
自由离子增长
M M + Na
总聚合速率是离子对 P-C+ 和自由离子 P- 聚合速率之和:
R p k [P C ][M] k [P ][M]
H —负值
X n n[M ] [C ]
温度对聚合度无影响
温度对增长速率的影响不明显,对聚合度无影响。
6.4 离子聚合的影响因素
4、丁基锂的配位能力和定向作用
反离子和溶剂—配位定向能力
聚二烯烃的微结构
1,4-和1,2-(或3,4)连接 顺式和反式、全同或间同构型
影响因素:
碱金属的电负性和原子半径; 溶剂的极性; 单体;
2、溶剂的影响
活性中心与反离子的结合形式:
AB
共价键
AB
紧对
AB
松对
A +B
自由离子
共价键—一般无引发活性 紧密离子对—利于定向配位,聚合速率较低; 疏松离子对—无定向能力,聚合速率较高;
活性次序:自由离子 > 疏松离子对 > 紧密离子对
聚合速率——平衡状态的离子对和自由离子共同作用的结果
6.4 离子聚合的影响因素
k Xn
=
Ap Atr,M
e-(Ep - (Etr,6m-)2/3R)T
E
Xn
=
Ep
-
Et
E Xn = Ep - Etr,M
Etr(Et) >Ep 总活化能 EXn=-12.5~-29 kJ/mol <0
高分子第六章 离子聚合

• • • • • 引言 阴离子聚合 阳离子聚合 自由基聚合与离子聚合的比较 离子型共聚合
离子聚合的特点
1、单体的选择性高; 2、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; 3、聚合速率快; 4、反应介质对聚合有很大影响,实验重现 性差。
离子聚合的应用:
理论上:离子聚合对分子链结构有较强的控制能 力,可获得“活性聚合物”,可进行分子设计,合成 预定结构和性能的聚合物; 工业生产中:可生产许多性能优良的聚合物,如丁基 橡胶、溶液丁苯橡胶、异戊橡胶、聚甲醛、SBS热塑 性弹性体等。 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。通过阴离子活性聚 合,可实现高分子的分子设计,制备预定结构和分子 量的聚合物。配位聚合在本质上属于阴离子聚合。
• 实施聚合反应时,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反应,属均相引 发体系。 特点:a. 双活性中心 b. 在极性溶剂中(e.g:四氢呋喃THF)呈均 相,提高碱金属的利用率。 c. 极性溶剂会影响聚合物的微观结构。
(2)加成引发(主要是有机金属化合物)
e.g:
Bu CH2 CH Li+ BuLi + H2C CH 直接加成 X X
④ 制备星型聚合物 通过偶联剂将聚合物链阴离子连接起来,可获得星型聚 合物
5.2.6 阴离子聚合的影响因素 1 溶剂
质子型 e.g:ROH;H2O
不能作为阴离子聚合的溶剂 ① 种类
极性 e.g:四氢呋喃
非质子型 非极性 e.g:环己烷、苯、己烷
仍存在一定分散性,原因:
* 反应过程中很难使引发剂分子与单体完全混合均匀,
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第一节 引言
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。通过阴离子活性聚合,可实现高分 子的分子设计,制备预定结构和分子量的聚合物。
阴离子活性聚合在制备特殊结构的嵌段共聚物、接枝 共聚物、星状聚合物等方面有十分重要的作用。
第二节 阳离子聚合
(2)烷基乙烯基醚
烷氧基的诱导效应使双键电子云密度降低,但氧原子 上的未共有电子对与双键形成 p -π共轭效应,双键电子云 增加。与诱导效应相比,共轭效应对电子云偏移的影响程度 更大。事实上,烷氧基乙烯基醚只能进行阳离子聚合。
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。
第一节 引言
离子聚合对引发剂也有很强的选择性。 ➢ 离子聚合对实验条件的要求较高,实验室重复性较
差,因此理论研究远远不如自由基聚合成熟。 ➢ 但离子聚合在工业上有极其重要的作用。有些重要
的聚合物,如合成天然橡胶、丁基橡胶(异丁烯— 异戊二烯共聚物)、聚甲醛等,只能通过离子聚合 制得。 ➢ 有些单体虽可用不同的聚合方法都能聚合,但产物 的性能差别很大。如聚丁二烯、聚苯乙烯的离子聚 合产物的性能与自由基聚合产物截然不同。
目前,活性聚合领域已扩展到阳离子聚合、自由基聚 合和基团转移聚合。
配位聚合在本质上属于阴离子聚合。
第二节 阳离子聚合
6.2 阳离子聚合(Cationic polymerization) 阳离子聚合通式可表示如下:
A B M A B M M M n 式中B-为反离子,又称抗衡离子 (通常为引发剂碎片,带 反电荷)。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。
第二节 阳离子聚合
异丁烯含两个推电子的甲基,双键电子云密度大,易 受阳离子进攻。聚合物链中—CH2 —受到四个甲基保护,减 少了副反应,因此产物稳定,可得高分子量的线性聚合物。
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。
因此,实际上异丁烯是至今为止唯一一个具有实际工 业价值和研究价值的能进行阳离子聚合的α- 烯烃单体。
第二节 阳离子聚合
6.2.2 阳离子聚合的引发体系 阳离子聚合的引发方式有两种:一是由引发剂生成阳
离子,进而引发单体,生成碳阳离子;二是电荷转移引发。 5.2.2.1 质子酸
H2SO4、H3PO4、HClO4、Cl3CCOOH等强质子酸,在 非水介质中离解出部分质子,使烯烃质子化,引发烯烃的阳 离子聚合。但要求有足够的酸强度,同时酸根亲核性不能太 强,以免与质子或阳离子结合形成共价键,造成链终止。
H + A -+C H 2 = C H X
C H 3 -C H + A X
A H 3 CC H
X第二节 阳离子聚合62.2.2 Lewis酸AlCl3, BF3, SnCl4, ZnCl2, TiBr4等是最常见的阳离 子聚合引发剂(俗称Friedel-Grafts催化剂),聚合大多在 低温下进行。
第二节 阳离子聚合
6.2.1 阳离子聚合的单体 (1)α—烯烃
能用于阳离子聚合的单体有烯类化合物、羰基化合物、 含氧杂环化合物等,以烯类单体为重点。
原则上,具有推电子取代基的烯类单体可进行阳离子 聚合。但实际上能否进行阳离子聚合取决于取代基推电子能 力的强弱和形成的碳阳离子是否稳定。
乙烯无取代基,不能进行阳离子聚合。 丙烯和丁烯上的甲基和乙基都是推电子基团,但仅一 个烷基,推电子能力太弱,增长速率很低,实际上只能得到 低分子量油状物。
O
O
第二节 阳离子聚合
(3)共轭单体 苯乙烯,丁二烯等含有共轭体系的单体,由于其π
电子云的流动性强,易诱导极化,因此能进行阳离子、阴离 子或自由基聚合。但聚合活性较低,远不及异丁烯和烷基乙 烯基醚,故往往只作为共聚单体应用。
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。
Chapter 6 Ionic Polymerization
第6 章 离子聚合 主要内容
6.1 引言 6.2 阳离子聚合 6.3 阴离子聚合 6.5 离子共聚
第一节 引言
6.1 引言 离子聚合是又一类连锁聚合。它的活性中心为离子。
根据活性中心的电荷性质,可分为阳离子聚合和阴离子聚合。 多数烯烃单体都能进行自由基聚合,但是离子聚合却
X
X
H 3 CC H (B F 3 O H 2 ) X
第二节 阳离子聚合
阳离子引发剂共有两类:一类是质子供体,如H2O, ROH, RCOOH,HX等;另一类是碳阳离子供体,如RCl, RCOX,
(RCO)2O, ROR等。 引发剂和共引发剂的共引发作用如下:
SnCl4 RCl
X CH2 C
Y
R+(SnCl5)-
R+(SnCl5)-
X RCH2 C+(SnCl5)-
Y
第二节 阳离子聚合
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。
主引发剂的活性与接受电子的能力、酸性强弱有关, 顺序如下:
BF3>AlCl3>TiCl4SnCl4 AlCl3>AlRCl2>AlR2ClAlR3 共引发剂的活性顺序为: HX>RX>RCOOH>ArOH>H2O>ROH>R1COR2 例如异丁烯以BF3为引发剂时,共引发剂的活性比为: 水: 醋酸: 甲醇=50 : 1.5 : 1
有极高的选择性。原因是离子聚合对阳离子和阴离子的稳定 性要求比较严格。例如只有带有1,1—二烷基、烷氧基等强 推电子的单体才能进行阳离子聚合;带有腈基、羰基等强吸 电子基的单体才能进行阴离子聚合。但含有共轭体系的单体, 如苯乙烯、丁二烯等,则由于电子流动性大,既可进行阳离 子聚合,也能进行阴离子聚合。
Lewis酸单独使用时活性不高,往往与少量共引发剂 (如水)共用,两者形成络合物离子对,才能引发阳离子聚 合,例如BF3-H2O引发体系。
B F 3+H 2 O
H + (B F 3 O H )-
H + (B F 3 O H )- +C H 2 = C H
. C H 2 = C H H + (B F 3 O H )-