第4逐步聚合反应.ppt
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1、2007-5-10,1,第4章 逐步聚合反应,逐步聚合反应的分类及特点 缩聚反应 线形缩聚反应机理 线形缩聚反应动力学 线形缩聚物的聚合度 线形缩聚物的分子量分布 体形缩聚 逐步聚合实施方法 重要的逐步聚合产品,2007-5-10,2,第4章 逐步聚合反应,1 概述1.1 逐步聚合的基本概念 逐步聚合反应的主要特征是形成大分子的逐步性。绝大多数在主链上含有杂原子的高聚物都是通过逐步聚合反应来实现的。逐步聚合反应包括逐步缩聚反应和逐步加聚反应,逐步缩聚反应是通过官能团之间的缩合反应进行的,反应过程中有小分子生成;逐步加聚反应是通过官能团之间的加成反应进行的,反应过程中没有小分子生成。,2007-
2、5-10,3,第4章 逐步聚合反应,1.2 逐步聚合的类型 逐步聚合反应主要有两大类:缩合聚合和逐步加成聚合(1)缩聚反应 例:聚酯反应:二元醇与二元羧酸、二元酯、二元酰氯等之间的反应。n HO-R-OH+n HOOC-R-COOH H-(ORO-OCRCO)n-OH+(2n-1)H2O 聚醚化反应:二元醇与二元醇反应,,n HO-R-OH+n HO-R-OH H-(OR-OR)n-OH+(2n-1)H2O,2007-5-10,4,第4章 逐步聚合反应,聚酰胺反应:二元胺与二元羧酸、二元酯、二元酰氯等反应,聚硅氧烷化反应:硅醇之间聚合,共同特点:在生成聚合物分子的同时,伴随有小分子副产物的生成
3、,如H2O,HCl,ROH等,n H2N-R-NH2+n ClOC-R-COCl H-(HNRNH-OCRCO)n-Cl+(2n-1)HCl,n HO-SiR1R2-OH+n HO-SiR1R2-OH H-(OSiR1R2-OSiR1R2)n-OH+(2n-1)H2O,2007-5-10,5,第4章 逐步聚合反应,(2)逐步加成聚合 重键加成聚合:含活泼氢功能基的亲核化合物与含亲电不饱和功能基的亲电化合物间的聚合。如聚氨酯的制备。含活泼氢的功能基:-NH2,-NH,-OH,-SH,-SO2H,-COOH,-SiH等亲电不饱和功能基:主要为连二双键和三键,如:-C=C=O,-N=C=O,-N=C
4、=S,-CC-,-CN等 与缩聚反应不同,逐步加成聚合反应没有小分子副产物生成。,2007-5-10,6,第4章 逐步聚合反应,逐步聚合还可以按以下方式分类:(1)线形逐步聚合反应 参与反应的每种单体只含两个功能基,聚合产物分子链只会向两个方向增长,生成线形高分子。,逐步聚合,线形逐步聚合,非线形逐步聚合,平衡线形逐步聚合,不平衡线形逐步聚合,2007-5-10,7,第4章 逐步聚合反应,a.两功能基相同并可相互反应:如二元醇聚合生成聚醚 n HO-R-OH H-(OR)n-OH+(n-1)H2Ob.两功能基相同,但相互不能反应,聚合反应只能在不同单 体间进行:如二元胺和二元羧酸聚合生成聚酰胺
5、 n H2N-R-NH2+n HOOC-R-COOH H-(HNRNH-OCRCO)n-OH+(2n-1)H2Oc.两功能基不同并可相互反应:如羟基酸聚合生成聚酯 n HO-R-COOH H-(ORCO)n-OH+(n-1)H2O,2007-5-10,8,第4章 逐步聚合反应,(i)平衡线形逐步聚合反应 指聚合过程中生成的聚合物分子可被反应中伴生的小分子降解,单体分子与聚合物分子之间存在可逆平衡的逐步聚合反应。如聚酯化反应:,2007-5-10,9,第4章 逐步聚合反应,(ii)不平衡线形逐步聚合反应 聚合反应过程中生成的聚合物分子之间不会发生交换反应,单体分子与聚合物分子之间不存在可逆平衡,
6、即不存在化学平衡。不平衡逐步聚合反应概括起来有两种:a.热力学不平衡反应:聚合反应的基本化学反应本身为不 可逆反应;b.聚合方法不平衡反应:即聚合反应本身是平衡反应,但 在实施聚合反应时,人为地使聚合产物从反应体系中迅 速析出或随时除去聚合反应伴生的小分子,使可逆反应 失去条件。,2007-5-10,10,第4章 逐步聚合反应,(2)非线形逐步聚合反应 聚合产物的分子链形态不是线形的,而是支化或交联型的。聚合体系中必须含有带两个以上功能基的单体。,2007-5-10,11,第4章 逐步聚合反应,2 缩聚反应2.1 缩合反应 在有机化学中,典型的缩合反应如醋酸和乙醇的酯化反应。除了得到主产物醋酸
7、乙酯外,还有副产物水。反应物分子中能参与反应的官能团数称为官能度。醋酸和乙醇中都只有一个能参与反应的官能团,因此都是单官能团物质。上述体系称为11官能度体系。,2007-5-10,12,第4章 逐步聚合反应,单官能度的丁醇和二官能度的邻苯二甲酸酐进行酯化反应,产物为低分子邻苯二甲酸二丁酯,副产物为水。单官能度的醋酸与三官能度的甘油进行酯化反应,产物为低分子的三醋酸甘油酯,副产物为水。只要反应体系中有一种原料是单官能度物质,无论其他原料的官能度为多少,都只能得到低分子产物。,2007-5-10,13,第4章 逐步聚合反应,2.2 缩聚反应 若参与反应的物质均为二官能度的,则缩合反应转化为缩聚反应
8、。以二元羧酸与二元醇的聚合反应为例。当一分子二元酸与一分子二元醇反应时,形成一端为羟基,一端为羧基的二聚物;二聚物可再与二元酸或二元醇反应,得到两端均为羟基或均为羧基的三聚体,也可与二聚体反应,得到四聚体;三聚体既可与单体反应,也可与二聚体或另一种三聚体反应,如此不断进行,得到高分子量的聚酯。,2007-5-10,14,第4章 逐步聚合反应,。,。,2007-5-10,15,第4章 逐步聚合反应,例:对苯二甲酸与乙二醇反应得到涤纶树脂;己二胺与己二酸反应得到聚酰胺6,6;双酚A与光气(COCl2)反应得到聚碳酸酯;氨基酸自身聚合得到聚酰胺。缩聚反应常用的官能团:OH、COOH、NH2、COX(
9、酰卤)、COOR(酯基)、OCOCO(酸酐)、H、X、SO3H、SO2Cl等。,2007-5-10,16,第4章 逐步聚合反应,基本特征:(1)聚合反应是通过单体功能基之间的反应逐步进行的;(2)每步反应的机理相同,因而反应速率和活化能相同;(3)反应体系始终由单体和分子量递增的一系列中间产物 组成,单体及任何中间产物两分子间都能发生反应;(4)聚合产物的分子量是逐步增大的,(5)反应中有小分子脱出。聚合体系中任何两分子(单体或聚合物分子)间都能相互反应生成聚合度更高的聚合物分子。,2007-5-10,17,第4章 逐步聚合反应,3 线形缩聚反应机理3.1 线形缩聚机理 线形缩聚反应有两个显著
10、的特征:逐步与平衡。1)聚合过程的逐步性 以二元酸和二元醇的缩聚为例。在缩聚反应中,含羟基的任何聚体与含羧基的任何聚体之间都可以相互缩合。随着反应的进行,分子量逐步增大,达到高分子量聚酯。通式如下:,2007-5-10,18,第4章 逐步聚合反应,缩聚反应的单体转化率、产物聚合度与反应时间关系示意图:,单体转化率,产物聚合度,反应时间,2007-5-10,19,第4章 逐步聚合反应,在缩聚反应早期,单体之间两两反应,转化率很高,但分子量很低,因此转化率无实际意义。用反应程度P来表示聚合程度。反应程度P定义为参与反应的基团数(N0N)占起始基团数的分率,对二元酸与二元醇的缩聚反应来说,初始的羧基
11、数和羟基数N0等于二元酸和二元醇的分子总数,t 时刻的羧基数或羟基数N等于 t 时刻的聚酯分子数。,41,2007-5-10,20,第4章 逐步聚合反应,定义大分子中结构单元数为聚合度,则:合并41和42式,得:式43表明,聚合度随反应程度增加而增加。由43可算得,当反应程度为0.9,聚合度仅为10。通常涤纶树脂用作纤维和工程塑料是的聚合度达200左右,要求反应程度达到0.995,可见是十分苛刻的。,43,42,2007-5-10,21,第4章 逐步聚合反应,2)聚合反应的可逆平衡 缩聚一般为可逆平衡反应,与低分子的缩合反应相似。由于体系中所有的活性官能团具有同样的活性,因此可用一个平衡常数来
12、表示。,44,2007-5-10,22,第4章 逐步聚合反应,根据平衡常数的大小,可将缩聚反应分为三类:平衡常数很小,如聚酯化反应,K4,低分子副产物对分子量有很大影响;平衡常数中等,如聚酰胺化反应,K300400,低分子副产物对分子量有一定影响;平衡常数很大,K1000,实际上可看作不可逆反应,如光气法制备聚碳酸酯。逐步特性是所有缩聚反应共有的,可逆平衡的程度则各类缩聚反应有明显差别。,2007-5-10,23,第4章 逐步聚合反应,3.2 缩聚过程中的副反应1)基团消去反应 二元酸受热会发生脱羧反应,引起原料官能团数量的变化,最终影响分子量。羧酸酯比较稳定,用其代替羧酸,可避免脱羧反应的发
13、生。,2007-5-10,24,第4章 逐步聚合反应,二元胺可进行分子内或分子间的脱氨反应,进一步可导致支链或交联的发生。,2007-5-10,25,第4章 逐步聚合反应,2)化学降解 缩聚反应是可逆反应,单体往往是聚合物的降解剂。结果是分子量降低和分子量分布变宽。,2007-5-10,26,第4章 逐步聚合反应,3)链交换反应 缩聚反应中形成的新官能团活性较大,可发生链交换反应。同种缩聚产物的链交换使分子量分布变窄;异种缩聚产物的链交换则产生嵌段共聚物。,2007-5-10,27,第4章 逐步聚合反应,3.3 逐步聚合与连锁聚合的比较表41 自由基聚合与缩聚反应的特征比较,2007-5-10
14、,28,第4章 逐步聚合反应,4 线形缩聚反应的机理4.1 官能团等活性概念 与连锁聚合中活性中心等活性概念相同,逐步聚合中的官能团同样可看作等活性的,由此可简化动力学方程。实验表明,二元官能度单体在分子量很小时,活性随分子量增加而降低,但达到一定分子量后活性趋于恒定。因此官能团等活性概念成立。活性中心等活性概念是高分子化学的基本思想,2007-5-10,29,第4章 逐步聚合反应,4.2 线形缩聚动力学 根据官能团等活性概念,可以把聚合反应的动力学处理等同于小分子反应。以聚酯化反应为例讨论。4.2.1 不可逆条件下的缩聚动力学 羧酸与醇的酯化反应为酸催化反应,反应式可简化为:及时排除聚合产生
15、的小分子,则聚合过程为不可逆。反应朝聚酯化方向移动。,2007-5-10,30,第4章 逐步聚合反应,得到下式:反应体系中的氢离子可以来自于单体羧酸本身,也可外加。这两种情况的动力学过程不同。1)自催化缩聚 当二元酸和二元醇中两种基团数量相同,又无外加酸,则氢离子来自于二元酸本身。因此氢离子浓度等于羧基数量,也等于羟基数量c,c0为初始浓度。,45,2007-5-10,31,第4章 逐步聚合反应,46,根据聚合度与反应程度的关系(式43),可得聚合度随聚合时间变化的关系式。,47,式47表明,自催化缩聚反应的聚合度随聚合时间变化较缓慢。实验表明,当P0.8时,式47不符合。这可能与聚合初期酸性
16、逐步降低有关。当P0.8以后,式47符合得较好。这时才是真正大分子形成的过程。,可得:,2007-5-10,32,第4章 逐步聚合反应,2)外加酸催化缩聚 自催化缩聚反应的酯化速率太低。实用中往往采用外加酸(如对甲苯磺酸)作催化剂。用外加酸作催化剂时,聚合过程中氢离子浓度不变。得:式48表明,外加酸催化缩聚反应的聚合度随聚合时间变化较快。通常外加酸催化缩聚反应的速率常数比自催化聚合速率常数大 12 个数量级左右。因此工业上常采用外加酸催化工艺。,48,2007-5-10,33,第4章 逐步聚合反应,4.2.2 平衡缩聚动力学 当缩聚反应在密闭系统中进行,或小分子排除不及时,则平衡反应不可忽视。
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