高分子化学-缩聚和逐步聚合汇总.
高分子化学第7章缩聚和逐步聚合

邻苯二甲酸酐(f=2)和甘油(f=3)缩聚可制得醇酸树脂。
主要用作涂料,在原料体系中加入一些二元醇甚至一元 酸,以降低体形结构的交联密度,使其具有一定的柔软 度。
2)结构预聚物(structural prepolymer)
定义:具有特定的活性端基或侧基的预聚物称为结构 预聚物。 结构预聚物往往是线形低聚物,它本身不能进一步聚 合或交联。 在第二阶段,须加入催化剂或其它反应性的物质使其 交联固化。 如热塑性的酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等 均属于重要的结构预聚物。
Carothers 的分类依据:单体 与聚合物的结构、组成的变 化;有无小分子生成等。
单体和聚合物组成和结构 变化
加聚反应
聚 合
缩聚反应
反
应
连锁聚合
聚合机理或动力学
20世纪50年代Flory 提出
逐步聚合
逐步聚合反应的分类
1、聚酯化反应 2、聚加成 3、开环反应 4、氧化偶合
线形缩聚(linear polycondensation)
可逆缩聚(反应物等当量)
●封闭体系
p K K 1
1 Xn 1 p K 1
●部分排水体系
线形缩聚物聚合度的因素
1.反应程度对聚合度的影响
Xn
1 1 p
2. 缩聚平衡对聚合度的影响
封闭体系
Xn
1 1
p
K 1
部分排水体系
K Xn
nW
3. 线形缩聚物聚合度的控制
反应程度和平衡条件是影响线形缩聚物聚合度的重 要因素,但不能用作控制手段。
线形缩聚
单体条件 机理
反应动力 学
聚合度
不可逆反 应
高分子化学-第二章 缩聚和逐步聚合

N0
N0
反应程度与转化率的区别
转化率:参加反应的单体量占起始单体量的分数,是指已 经参加反应的单体的数目
反应程度:则是指已经反应的官能团的数目
例如: 一种缩聚反应,单体间双双反应很快全部变成二聚体,就 单体转化率而言,转化率达100%;而官能团的反应程度 仅50%
反应程度与平均聚合度的关系
聚合度是指高分子中含有的结构单元的数目
聚加成:形式上是加成反应,但反应机理是逐步反应。 如聚氨酯的合成(p17)。
开环反应:部分开环反应为逐步反应,如水、酸引发的己内 酰胺的开环反应。
氧化-偶合:单体与氧气的缩合反应, 如 2,6-二甲基苯酚和氧 气形成聚苯撑氧,也称聚苯醚。
2 逐步聚合反应的特点
官能团间的反应,无特定的活性中心;无所谓的引发、 增长、终止等基元反应;反应逐步进行,每一步的反 应速率和活化能大致相同;
[ H + ][ A- ] KHA =
[ HA ]
[ HA ] [ H + ] [ A- ] = KHA
代入式
-d [ COOH ] = k1k3[ COOH ][OH ][ H+]
dt
k 2KHA
催化用酸HA:可以是二元酸本身,但反应较慢,也可以是 外加酸,如H2SO4,大大加速
自催化缩聚反应
无外加酸,二元酸单体催化剂,[HA] = [COOH]
Flory对此进行了解释:
官能团等活性理论是近似的,不是绝对的,这一理论大大简化了研 究处理,可用同一平衡常数表示,整个缩聚过程可以用两种官 能团之间的反应来表征
COOH + HO
k1
OCO
k1
2. 线型缩聚动力学
不可逆条件下的缩聚动力学
高分子化学第二章-缩聚及逐步聚合

l 按反应热力学的特征分类 平衡缩聚反应 指平衡常数小于 103 的缩聚反应 不平衡缩聚反应 平衡常数大于 103
l按生成聚合物的结构分类 线型缩聚 体型缩聚
2.2.3 特点
缩聚反应是缩合聚合反应的简称,是缩合反应多 次重复结果形成缩聚物的过程。 1、典型缩合反应——形成低分子化合物
3 、反应程度与数均聚合度的关系
数均聚合度是指高分子中含有的结构单元的数目。
Xn
起始单体数目
=
达到平衡时同系物数目(大分子数)
N0 N
代入反应程度关系式
P = N0-N = 1- N
N0
N0
P = 1- 1 Xn
1 Xn = 1-P
一般 Xn 100~200 P提高到
0.99~0.995
300 250 200
a. 密闭体系中,nw=P
Xn
1 P
K=
1 nw
K
当M n 104 , P 1, X n
K nw
平衡缩聚中数均聚合度与平衡常数
及小分子副产物浓度三者关系
Xn只与温度有关,与其他无关。(因为nw平衡时为定值)
b. 敞开体系,水排出,则 nw为体系中剩余的。
说明:X
的影响因素
n
密闭体系,只与T有关 敞开体系,与排出的水有关
3、缩聚中的副反应 副反应
消去反应 化学降解 链交换反应
消去反应
HOOC(CH2)nCOOH
HOOC(CH2)nH + CO2
二元酸脱羧温度(℃)
己二酸 300~320 庚二酸 290~310 辛二酸 340~360 壬二酸 320~340 癸二酸 350~370
高分子化学第二章缩聚及逐步聚合

说明:Xn的影响因素 密闭体系,只与T有关 敞开体系,与排出的水有关
水排出多,则nw ,K / nw ,则Xn
K小时,可通过排水提高Xn
2.4.4 影响缩聚平衡的因素 1、温度的影响
lnK2 K1
RHT11
1 T2
对于吸热反响,△H>0,假设T2>T1,那么K2>K1 ,即温度升高,平衡常数增大。
n HO-R-COOH H2O
H-(ORCO)n-OH + (n-1)
2、体形缩聚反应(K值通常大于103的缩聚反应)
n a-A-a + n b-B-b b
~A-B-A~
A
A~
~A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A~
A
A
A
~A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A~
A~
A~
参加聚合反响的单体至少有一个含有两个
1、线型逐步聚合反响〔K值通常小于103的缩聚反响〕
参与反响的单体只含两个官能团〔即双官能团 单体〕,聚合物分子链只会向两个方向增长,分子 量逐步增大,体系的粘度逐渐上升,获得的是可溶 可熔的线型高分子。
双官能团单体类型:
a. 两官能团一样并可相互反响
b. 如二元醇聚合生成聚醚
c. n HO-R-OH
与醛缩合,官能度为 3
单体官能度的影响
• 单官能度只发生缩合反响而不能发生缩聚反响。 • 多官能度〔f = 2〕形成线型构造的缩聚物。 • 多官能度〔f > 2〕形成体型构造的缩聚物。 •
2 、双官能度体系的成环反响
在生成线型缩聚物的同时,常伴随有 成环反响
• 成环是副反响,与环的大小密切相关 • 环的稳定性如下:
2.逐步聚合

2( N A f A N C f C ) 2(0.99 3 0.002 2) f 2.387 1.5 0.99 0.002 N A N B NC
n HOOC(CH2)4COOH + nH2N(CH2)6NH2
OC(CH2)4CONH(CH2)6NH
n HOOC
n
+ (2n-1)H2O
COOH + n HO(CH2)2OH
O C COO(CH2)2O n + (2n-1)H2O
温州大学
高分子化学
2.2 缩聚反应
共缩聚:
在均缩聚中加入第二种单体进行的缩聚反应。
2.2 缩聚反应
1-2体系
HOCH2CH2OH +CH3COOH
CH3COOCH2CH2OOCCH3
1-3体系
CH2OH CH3COOH + CHOH CH2OH
CH2OCOCH3 CHOCOCH3 CH2OCOCH3
1-n官能度体系只能得到低分子化合物
2.2 缩聚反应
2)2-2官能度体系 每个单体都有两个相同的官能团,常用aRa、bRb 或A-A、B-B表示。如二元酸与二元醇或二元胺等
温州大学
高分子化学
2.2 缩聚反应
因此能形成5、6元环的双官能团单体进行反应时 以成环为主,无法进行缩聚生成高分子,如:
HO(CH2)3COOH 4-羟基丁酸 HO(CH2)4COOH 5-羟基戊酸
O C CH2 H2C CH2
5元环
NH2(CH2)3COOH 4-氨基丁酸
高分子化学第二章 缩聚和逐步聚合

O=
C
H2C─C O H2C─CH2
H2C O
H2C CH2 CH2
20
• HO–(CH2)n–COOH缩聚
n=1,2HOCH2COOH HOCH2COOCH2COOH O=C-CH2O-C=O + H2O OCH2
21
• n=2
HO(CH2)2COOH
CH2=CH-COOH+H2O
• n=3 HO(CH2)3COOH
CH2-C=O CH2-CH2-O + H2O
22
• n=4 HO(CH2)4COOH
CH2-CH2-C=O CH2-CH2-O + H2O
• n>=5,成链,形成线形聚合物。
23
• 成环倾向大小,主要取决于单体的结构, 受反应条件的影响较小。
• 环上取代基或环上元素改变时,环的稳定 性也相应变化。
• 在工业上:锦纶大量用来制造轮胎帘子 布、工业用布、缆绳、传送带、帐篷、 鱼网等,还可用作降落伞。
64
• 还可用于制造轴承、齿轮、滚子、 滑轮、辊轴、风扇叶片、涡轮、垫 片等。
65
全芳聚酰胺
• 是20世纪60年代由美国的杜邦公司首先开 发成功的。
13
自由基聚合
线型缩聚
③只有链增长才使聚 ③任何物种间都能反应, 合度增加,从一聚体 使分子量逐步增加。反应 增长到高聚物,时间 可以停留在中等聚合度阶 极短,中途不能暂停。段,只在聚合后期,才能 聚合一开始,就有高 获得高分子量产物。 聚物存在。
④在聚合过程中,单 ④聚合初期,单体几乎全
体逐渐减少,转化率 部缩聚成低聚物,以后再
(2—23式)
• 水部分排出时:
-dC/d t =k1 [ (1-P)2-P•nW/ K]
高分子化学知识总结

二、缩聚和逐步聚合2.2 缩聚反应(缩聚反应是缩合聚合的简称,是多次缩合重复结果形成缩聚物的过程)(1) 缩合反应*官能度:一分子中能参与反应的官能团数称作官能度(f );考虑官能度时需以参与的反应集团为基准。
(2)缩合反应线形缩聚的首要条件是需要2-2或2-官能度体系作原料,采用2-3或2-4官能度体系是,除了按线形方向缩聚外,侧基也能缩聚,先形成支链,进一步形成体形结构,这就称作体形缩聚。
(3) 共缩聚羟基酸或氨基酸一种单体的缩聚,可称作均缩聚;由二元酸和二元醇2种单体进行的缩聚是最普通的缩聚;从改进缩聚物结构性能角度考虑,将1种二元酸和2种二元醇、2种二元酸和2种二元醇进行所谓“共缩聚”。
2.3 线形缩聚反应的机理2.3.1 线形缩聚和成环倾向*线形缩聚时,需考虑单体及其中间产物的成环倾向,一般情况下,五、六元环的结构比较稳定。
*成环是单分子反应,缩聚则是双分子反应,因此,低浓度有利于成环,高浓度有利于线形缩聚。
2.3.2 线形缩聚机理 (特征有2:逐步、可逆)(1)逐步特性缩聚反应无特定的活性种,各步反应速率常数和活化能基本相等,缩聚早期,转化率就很高,因此用基团的反应程度来表述反应的程度更为确切,现已等摩尔二元酸和二元醇的缩聚反应为例来说明*反应程度p 的定义为参与反应的基团数(0N N -)占起始基团数0N 的分数,因此:0001N N N p N N -==-*如将大分子的结构单元数定义为聚合度n X ,则:0n N X N==结构单元总数大分子数 进一步可得 11n X p =-;(2) 可逆平衡聚酯化和低分子酯化反应相似,都是可逆平衡反应,正反应是酯化,逆反应是水解。
*平衡常数小,低分子副产物水的存在限制了分子量的提高,需在高度减压条件下脱除; *平衡常数中等,300—400;水对分子量有所影响,聚合早期可在水中进行,只是后期,需要在一定的减压条件下脱水,提高反应程度;*平衡常数很大,K>1000;可以看作不可逆。
高分子化学 缩聚和逐步聚合

+ H2O
0 1-C nw
t 时水未排出 C 水部分排出 C
聚酯反应速率是正、逆反应速率之差
2013-8-1
dC 2 水未排出时 - (1 C )2 = k1 C-k 1 - - dt
24
dC 2 - = k1 C-k 1 (1 C )nW 水部分排出时 - - dt
根据反应程度关系式
N0-N C-C 1 C 0 - P= = = N0 C0 1
1
OH +
2013-8-1
COOH
OCO
9
k1 [OCO ][ H 2O] K k - 1 [OH ][ COOH ]
根据平衡常数K的大小,可将线型缩聚大致分为三类:
K值小, 如聚酯化反应,K 4, 副产物水对分子量影响很大 K值中等,如聚酰胺化反应,K 300~500 水对分子量有所影响 K值很大,在几千以上,如聚碳酸酯、聚砜 可看成不可逆缩聚
以二元醇和二元酸合成聚酯为例 二元醇和二元酸第一步反应形成二聚体:
HOROH + HOOCR`COOH HOROCOR`COOH + H2O
HOROH
2
HOOCR`COOH
HOROCOR`COOROH
三聚体
HOOCR`COOROCOR`COOH
三聚体
四聚体
2013-8-1
8
三聚体和四聚体可以相互反应,也可自身反应, 也可与单体、二聚体反应
含羟基的任何聚体和含羧基的任何聚体都可以进 行反应,形成如下通式: (n + m)-聚体 + 水
n-聚体 + m-聚体
如此进行下去,分子量随时间延长而增加,显示出 逐步的特征
2. 线型缩聚的可逆特性
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反应程度与平均聚合度的关系
聚合度是指高分子中含有的结构单元的数目
结构单元数目 N0 Xn = = 大分子数 N
代入反应程度关系式
N0-N N P= =1 - N0 N0
300 250 200 150 Xn 100 50 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
NH(CH2)5 CO
n
O H2 C CH2
O
Diels-Alder
H2 C CH2
+
O O
n
聚苯
Lew is 酸 氧化剂
n
2.2 缩聚反应
缩聚反应是通过官能团相互作用而形成聚合物的过程 单体常带有各种官能团: -COOH、-OH、-COOR、-COCl、-NH2等
1. 缩聚反应单体体系
官能度的概念
2. 缩聚反应分类
按反应热力学的特征分类
指平衡常数小于 103 的缩聚反应 聚酯 K 4;聚酰胺 K 400 不平衡缩聚反应 平衡常数大于 103 采用高活性单体和相应措施 平衡缩聚反应
按生成聚合物的结构分类 线形缩聚 体型缩聚 按参加反应的单体种类 均缩聚:只有一种单体进行的缩聚反应,2 体系 混缩聚:两种分别带有相同官能团的单体进行的缩
H2O
2 HOCH2COOH
H2O
HOCH2COOCH2COOH
CH2 O
O C O
C O CH2
环的稳定性与环上取代基或元素有关 八元环不稳定,取代基或元素改变,稳定性增加
如,二甲基二氯硅烷水解缩 聚制备聚硅氧烷,在酸性条 件下,生成稳定的八元环
通过这一方法,可纯化单体
CH3 CH3 Si O CH3 Si CH3 O CH3 Si CH3 O O Si CH3 CH3
n-聚体 + m-聚体
如此进行下去,分子量随时间延长而增加,显示出 逐步的特征
2. 线型缩聚的可逆特性
大部分线型缩聚反应是可逆反应,但可逆程度有差别 可逆程度可由平衡常数来衡量,如聚酯化反应:
k1 k
1
OH +
COOH
OCO
k1 [OCO][H 2O] K k - 1 [OH][COOH]
3. 反应程度
在缩聚反应中,常用反应程度来描述反应的深度
反应程度:
是参加反应的官能团数占起始官能团数的分数,用P 表示 反应程度是对任何一种参加反应的官能团而言
对于等物质量的二元酸和二元醇的缩聚反应,设: 体系中起始二元酸和二元醇的分子总数为N0 等于起始羧基数或羟基数 t 时的聚酯分子数为N,等于残留的羧基或羟基数
2 .1 引言
逐步聚合反应最基本的特征
是在低分子单体转变成高分子的过 程中反应是逐步进行的
2
逐步聚合反应范围广泛
绝大多数的缩聚反应 非缩聚反应 其它反应
在高分子工业中占有重要地位
合成了大量有工业价值的聚合物
表2-1非缩聚型的逐步聚合的反应示例
聚 合 物
O O N R N C
逐 步 聚 合 反 应
O O N R N C O R` O
n
聚氨酯
C
+
HO
R`
OH
C
CH3
NaO
O ONa
C CH3
+
Cl
S
Cl
-NaCl 160℃
O
聚砜
CH3
O
O O
S
C CH3
O
n
聚 合 物
CH3
逐 步 聚 合 反 应
CH3 OH CH3
聚苯醚
+
-H2O O2 Cu+ - 胺
CH3 O
n
H
+
聚酰胺-6
NH(CH2)5 CO
根据平衡常数K的大小,可将线型缩聚大致分为三类:
K值小, 如聚酯化反应,K 4, 副产物水对分子量影响很大 K值中等,如聚酰胺化反应,K 300~500 水对分子量有所影响 K值很大,在几千以上,如聚碳酸酯、聚砜 可看成不可逆缩聚
对所有缩聚反应来说,逐步特性是共有的,而 可逆平衡的程度可以有很大的差别
聚反应,即 2-2体系,也称为杂缩聚
在均缩聚中加入第二种单体进行的缩聚反应
共缩聚 在混缩聚中加入第三或第四种单体进行的缩
聚反应 共缩聚在制备无规和嵌段共聚物方面获得应用: 无规共缩聚可适当降低聚合物的 Tg、Tm 可合成聚氨酯、聚酯型热塑弹性体
2.3 线形缩聚反应机理
1. 线型缩聚的逐步特性
以二元醇和二元酸合成聚酯为例 二元醇和二元酸第一步反应形成二聚体:
HOROH + HOOCR`COOH HOROCOR`COOH + H2O
HOROH
2
HOOCR`COOH
HOROCOR`COOROH
三聚体
HOOCR`COOROCOR`COOH
三聚体
四聚体
三聚体和四聚体可以相互反应,也可自身反应, 也可与单体、二聚体反应
含羟基的任何聚体和含羧基的任何聚体都可以进 行反应,形成如下通式: (n + m)-聚体 + 水
N0-N N P= =1 - N0 N0
反应程度与转化率根本不同
转化率:参加反应的单体量占起始单体量的分数
是指已经参加反应的单体的数目 反应程度则是指已经反应的官能团的数目 例如: 一种缩聚反应,单体间双双反应很快全部变成二聚 体,就单体转化率而言,转化率达100%; 而官能团的反应程度仅50%
是指一个单体分子中能够参加反应的官能团的数目 单体的官能度一般容易判断 个别单体,反应条件不同,官能度不同,如
OH
进行酰化反应,官能度为 1 与醛缩合,官能度为 3
对于不同的官能度体系,其产物结构不同
1-n官能度体系 一种单体的官能度为 1,另一种单体的官能度 大于1 ,即 1-1、1-2、1-3、1-4体系 只能得到低分子化合物,属缩合反应 2-2官能度体系 每个单体都有两个相同的官能团 可得到线形聚合物,如
HOCH2CH2OH
HO CO(CH 2)4COOCH 2CH 2O
n
H + (2n-1) H2O
缩聚反应是缩合反应多次重复结果形成聚合物的过程
2 官能度体系 同一单体带有两个不同且能相互反应的官能团, 得到线形聚合物,如
H ORCO nOH + (n-1) H2O
n HORCOOH
2-3、2-4官能度体系 如:苯酐和甘油反应 苯酐和季戊四醇反应
体形缩聚物
双官能度体系的成环反应
2-2或 2 官能度体系是线形缩聚的必要条件,但 不是充分条件 在生成线形缩聚物的同时,常伴随有 成环反应
成环是副反应,与环的大小密切相关 环的稳定性如下: 5, 6 > 7 > 8 ~ 11 > 3, 4 环的稳定性越大,反应中越易成环 五元环、六元环最稳定,故易形成,如