离子型聚合教学课件PPT.ppt

1,第六章 离子型聚合,2,基本要求,1.掌握可以离子聚合单体特征。 2.掌握离子聚合基本原理、基本特征。 3.掌握阴(阳)离子聚合的简单机理、催化剂。,3,以阴离子或阳离子作为活性中心的聚合反应叫离子型聚合。,离子型聚合与自由基聚合比较，有如下特点：,1、对单体的选择性高；,2、 比较快；,4、介质影响显著。,3、聚合 ；,4,第一节 阳离子聚合,5,反应通式,阳离子活性中心，通常为碳阳离子（carbo-cation）或氧翁离子,紧靠中心离子的引发剂碎片，称反离子（counterion）,阳离子活性中心难以孤立存在，在聚合过程中，往往与反离子形成离子对。,6,一、阳离子聚合的单体,异丁烯 烷基乙烯基醚 共轭烯烃（如苯乙烯、丁二烯等）,原则上：取代基为供电基团的烯类单体原则上有利于阳离子聚合。,含供电基团的烯类单体能否聚合成高聚物，还要求 （1）单体的c=c对活性中心有较强亲和力； （2）生成的碳阳离子有适当的稳定性。,7,二、阳离子聚合的引发剂,（1）质子酸：h2so4、h3po4、hclo4等,引发机理： 强质子酸在非水介质中离解成质子氢（h+），使烯烃质子化，引发单体进行阳离子聚合。,质子酸作为引发剂的条件： 有足够强度产生h+； 酸根离子（反离子）的亲核性不能过强，以免与活性中心结合成共价键，使链终止。,8,（2）lewis酸,a、种类：bf3、alcl3、ticl4、sncl4等,b、主引发剂-助引发剂体系,bf3+h2o、alcl3+hcl、sncl4 +rcl,助引发剂，作用是提供碳阳离子或质子,9,三、聚合机理,（1）链引发,链引发、链增长、链终止、链转移等基元反应。,bf3+h2o h+（bf3oh）-,链引发特点： 引发速率极快，几乎瞬间完成，引发活化能为ei=8.421kj/mol,快引发！,10,（2）链增长,a. 插入式增长,活性中心以离子对形式存在 活性中心与单体电荷作用,离子对的存在形式多种多样 离子对的存在形式决定聚合速率和聚合物的立体结构 影响离子对存在形式的因素（溶剂、反离子、温度）,ep=8.421kj/mol,快增长！,11,b. 异构化聚合增长,定义：原子或原子团重排的聚合过程，称异构化聚合。,发生如此重排反应的本质原因是碳阳离子的稳定性顺序是：叔碳仲碳伯碳。,12,（3）链终止及链转移,a. 链终止,难终止！,问题：如何区分正在进行的反应是自由基聚合还是阳离子聚合？,加水！而不是苯醌,13,b. 链转移,易转移！（动力学链不终止）,14,（4）温度对阳离子聚合的影响,低温聚合，-100oc,（5）小结阳离子聚合特征,快引发、快增长、易转移、难终止 活性中心以多种状态共存 低温聚合,15,四、典型的工业化产品,（1）聚异丁烯（pib）,0-40oc下聚合，得到低分子量pib，半固体，嵌缝材料，密封材料。,-100oc下聚合，得到橡胶（分子量5100万），聚合物的添加剂，但不易硫化。,高温下聚合，使链转移增加，分子量下降。,16,（2）丁基橡胶,丁基橡胶是一种性能优良的橡胶产品，具有耐候、耐臭氧、气密性好等优点，是内胎（产量的四分之三）的理想材料。,17,五、阳离子聚合动力学,1）聚合反应速率,2）聚合度,向单体的转移反应是阳离子聚合主要的终止方式。 因此，阳离子聚合产物的聚合度与引发剂的用量无关，而只与反应温度有关。（与氯乙烯的自由基聚合类似）,18,六、阳离子聚合的影响因素,1）溶剂的极性,自由离子的增长速率常数比离子对大13个数量级，对总聚合速率的贡献比离子对大得多。,共价键化合物,紧离子对 松离子对 自由离子,大部分活性种处于平衡离子对或自由离子。,活性中心离子与反离子的结合形式：,19,表6-1 溶剂对苯乙烯阳离子聚合速率的影响,当溶剂极性和溶剂化能力大时，自由离子和松离子对比例增加，使聚合速率和聚合度增大。因此高极性溶剂有利于链增长，聚合速率快。,20,2）反离子,表6-2 反离子对聚合速率影响（苯乙烯在c2h4cl4中，25oc）,3）温度,大多数阳离子聚合反应的综合活化能都为负值，因此降低温度会使聚合反应加速。,21,反应通式：,阴离子活性中心，一般由亲核试剂提供。,为反离子，一般为金属离子。,第二节 阴离子聚合,22,一、阴离子聚合的单体,（1）含吸电子基的烯类单体,丙烯腈,硝基乙烯,甲基丙烯酸甲酯,例如：,（2）或有共轭作用的取代烯类,苯乙烯,-甲基苯乙烯,23,（3）共轭二烯,丁二烯,异戊二烯,例如：,（4）羰基化合物、含氧三元杂环、含氮杂环的单体等。,如：环氧乙烷、环氧丙烷、己内酰胺等杂环化合物，可由阴离子催化剂开环聚合。,24,二、阴离子聚合引发剂和引发反应,阴离子聚合引发剂：电子给体，即亲核试剂,按引发机理分为：,电子转移引发 如碱金属（k、na）、碱金属芳烃引发剂,阴离子引发 如有机金属化合物,25,（1）碱金属（alkali metal）,a、种类（species）,b、引发反应,26,（2）碱金属的络合物,a、种类（species）,芳基自由基-阴离子： 萘-钠 萘-锂,b、引发反应,引发剂的制备（preparation）,27,引发反应,苯乙烯阴离子体反应体系呈红色,28,（3）有机金属化合物最常用的阴离子聚合引发剂,a、种类（species）,金属烷基化合物：rli 金属氨基化合物：nanh2、knh2 格利雅试剂：rmgx,自由阴离子引发体系,现在应用较少,29,引发反应,丁基锂,形成单阴离子形式,丁基锂是以离子对的形式引发丁二烯、异戊二烯聚合。,金属烷基化合物引发剂活性与金属电负性有关，电负性小，mt-c的极性强，引发活性大。,30,（4）其他亲核试剂,这些试剂都有未共用的电子对，但其活性较弱，只能引发很活泼的单体聚合。,例如：,-氰基丙烯酸乙酯,31,把一些i根据其“碱”性分成四组，从碱性由强变弱。 把一些单体根据其“酸”性分四组，从“酸”性由弱变强。 碱性强的引发剂是高活性引发剂，酸性强的单体是高活性的单体。引发剂能引发的单体都用带箭头的连接线相连。,三、单体与引发剂的匹配（match of initiators and monomers）,32,表6-2 阴离子聚合的引发剂和单体的相对活性,引发剂 sr rr ca r2 k kr na nar li lir 金属酮基* rmgx rok rona roli 强碱 吡啶 nh3 弱碱 ror h2o,单体 -甲基苯乙稀 苯乙烯 丁二乙稀 甲基丙烯酸甲酯 丙烯酸甲酯 甲基乙烯基酮 丙烯酸乙酯 甲基丙烯腈 丙烯腈 硝基乙烯 甲叉丙二酸二乙酯 -氰基丙烯酸乙酯 -氰基山梨酸乙酯 -氰基-2，4-己二烯酸乙酯 偏二氰基乙烯,取代基的*值 -0.161 -0.01 - 0.352 0.385 0.516 0.522 - 0.628 0.778 1.044 1.150 1.150 - 1.256,a,c,d,b,a,b,c,d,33,* 是取代基致变反应中心电子云密度的能力，叫做极性取代常数。,从上表可以看出，碱性强的i能引发表中所有单体聚合，碱性弱的i只能引发酸性强的单体聚合。i的碱性越强，单体的酸性越强，越容易进行阴离子聚合。即表中连接线倾斜度越大的组合，越容易发生反应。,34,（一）链引发,阴离子自由基,双阴离子,四、聚合机理（mechanism of polymerization）,电子转移引发（i给出一个电子） 如碱金属引发：li、na、k,35,阴离子引发（如碱金属氨基化合物或烷基锂）,碱金属烷基化合物,单阴离子,链引发反应活化能（activation energy）,快引发,36,活性中心为离子对形式,（二）链增长,a、插入式增长,b、单阴离子或双阴离子,c、反应活化能 4080kj/mol,慢增长,37,不发生双基终止， 在低温链转移不重要 （因为增长链难以发生脱去负氢离子，要求很高的能量）,发生链终止：只有遇到质子给予体才会发生。质子给予体如水、醇、酸、胺等，它们都属于“酸”类，是阴离子聚合的阻聚剂。,不终止：若无链终止剂（质子给予体）的存在，就可不终止而得到活性聚合物。 阴离子聚合物机理的特点：快引发、慢增长、无终止、无转移。,（三）链终止和链转移,38,（四）阴离子聚合的特征,“活性”聚合,39,五、活性阴离子聚合,1、定义： 当单体转化率达到100%时，聚合仍不停止，形成具有反应活性聚合物，即活性聚合物，这种不停止的阴离子反应称为活性阴离子聚合。,生成的活性聚合物，既可以与同种单体继续反应，也可以与其他种类单体发生阴离子聚合反应。,40,2、获得活性聚合物的条件,（1）引发剂在聚合反应前全部瞬时离解， 即引发剂的离解无时间依赖性，即,（2）无链终止和链转移反应,（3）解聚反应必须慢于增长反应。,（4）适宜的搅拌速率。,41,i可以定量又瞬时全部离解，活性链的数目可以计算，单体用量已知，加成到每个链上的单体数目基本相等并在反应开始就可以算出。因此，活性阴离子聚合又叫计量聚合。 活性聚合物的特征之一是有窄的分子量分布，st的活性聚合物作为gpc的标样。 活性聚合物的分子量与转化率关系为一直线，这是活性聚合物根本的特征，也是活性聚合物的严格判据。,42,3、活性聚合的应用,（1）制备分子量分布窄（接近于单分散）的聚合物,制备的ps的xw/xn=1.061.12，接近于单分散，可用来制备分子量测定中的标样。,（2）测定阴离子增长速率常数,43,（3）制备指定端基的聚合物,44,端基为羟基的聚合物的制备过程,45,如果是双阴离子活性聚合物，可制得两端带有指定端基的聚合物遥爪聚合物，亦称大分子单体。所加这些物质同时也使活性链终止，被称为阴离子聚合的终止剂。,星形聚合物,46,（4）制备嵌段共聚物,引发是有方向性的，如 能引发bd，反之相对困难。,47,1、溶剂的极性,溶剂的极性增强，聚合速率提高，产物立构规整性降低。,表6-4 萘钠引发苯乙烯阴离子聚合速率常数与溶剂介电常数（25oc）,六、影响阴离子聚合的因素,48,2、反离子的性质,表6-5 苯乙烯阴离子聚合链增长速率常数,在非极性溶剂中，阴离子聚合链增长速率常数随反离子半径增加而增加；在极性溶剂中，链增长速率常数随反离子半径增加而降低。,49,1）非极性溶剂,在非极性溶剂中，溶剂化作用十分微弱，活性中心负碳离子与反离子之间的库伦力对离子对的存在形态起决定性作用。,该库伦力随着反离子半径的增加而减弱，离子对变松甚至自由离子，链增长速度也就增加，但产物的立构规整度降低。,如：li难以离子化（原子的半径小，不易失去外层电子，它与c原子相互作用强）、钠原子等的半径逐渐增大，容易失去外层电子而与碳原子形成离子对，紧对间的库仑引力随离子半径增大而降低，因此 大小符合下述规律：,50,2）极性溶剂,极性溶剂中，溶剂可与周围邻近的极性分子或被极化的分子发生强烈的相互作用溶剂化。,在极性溶剂中，离子半径越小，