第八章开环聚合

1、第八章第八章 开环聚合开环聚合 8.1 概述概述 开环聚合开环聚合: 环状单体开环相互连接形成线型聚合物的过程。环状单体开环相互连接形成线型聚合物的过程。 链式聚合反应链式聚合反应: 包括链引发、链增长和链终止等基元反应。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，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 比通常乙烯基单体的链式聚合反应低数个数量级。比通常乙烯基单体的链式聚合反应低数个数量级。 开环聚合的特点：开环聚合的特

2、点： 可在高分子主链结构中引入多种功能基：酯、醚、酰胺等可在高分子主链结构中引入多种功能基：酯、醚、酰胺等 聚合反应前后的体积收缩比乙烯基单体聚合小聚合反应前后的体积收缩比乙烯基单体聚合小 单体单体 环丙环丙 烷烷 环丁环丁 烷烷 环戊烷环戊烷环己烷环己烷 环庚烷环庚烷 环辛环辛 烷烷 G kcal/mo l) - 22.1 - 21.2 -2.21.4 -3.9-8.2 一些环烷烃转变为线形高分子时的一些环烷烃转变为线形高分子时的G 可见除环己烷外，其余环烷烃的开环聚合的可见除环己烷外，其余环烷烃的开环聚合的G 均小于均小于0，反，反 应在热力学上都是可行的，其热力学可行性顺序为应在热力学上

3、都是可行的，其热力学可行性顺序为: 三元环三元环, 四元环四元环 八元环八元环 五元环五元环,七元环七元环 8.2 8.2 环状单体开环聚合的难易取决于两方面因素：环状单体开环聚合的难易取决于两方面因素： 热力学因素热力学因素 环烷烃的键极性小，不易受引发活性种进攻而开环。环烷烃的键极性小，不易受引发活性种进攻而开环。 杂环化合物中的杂原子易受引发活性种进攻并引发开环，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。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，包括环因此，绝大多数的开环聚合单体都是杂环化合物，包括环

4、醚、环缩醛、内酯、内酰胺、环胺、环硫醚、环酸酐等。醚、环缩醛、内酯、内酰胺、环胺、环硫醚、环酸酐等。 动力学因素：动力学因素：动力学上可行的开环方式和反应。动力学上可行的开环方式和反应。 同类环单体的聚合反应活性与环大小密切相关：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三元、四元环七至十一元环五元环 绝大多数绝大多数六元环单体六元环单体不能开环聚合不能开环聚合 8.3 阴离子开环聚合反应阴离子开环聚合反应 8.3.1 环氧化物环氧化物 环醚是环醚是Lewis碱，一般只能进行阳离子开环聚合。但环氧化物碱，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

5、，能进行阴离子开环聚合。引发剂包括金属氢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。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：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：链引发反应： 链增长反应链增长反应 ： 链增长活性中心为链增长活性中心为烷氧阴离子烷氧阴离子。 环氧乙烷的阴离子聚合表现出活性聚合的特征，聚合产物的数环氧乙烷的阴离子聚合表现出活性聚合的特征，聚合产物的数 均聚合度为：均聚合度为：

6、 0 0 M I n C X C: :单体转化率单体转化率 醇的影响醇的影响 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：入适量的醇： 溶解引发剂，形成均相聚合体系；溶解引发剂，形成均相聚合体系； 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，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。加快聚合反应速度。 交换反应生成的醇盐可继续引发聚合反应。交换反应生成的醇盐可继续引发聚合反应。 在醇的存在下，增长链可和醇之间发生如下交换反应：在醇的存在下，增长链可和醇之间发生如下交换反应： 与链

7、转移反应不同，交换反应生成的端羟基聚合物并不是与链转移反应不同，交换反应生成的端羟基聚合物并不是“死死” 的聚合物，而只是休眠种，可和增长链之间发生类似的交换反应再的聚合物，而只是休眠种，可和增长链之间发生类似的交换反应再 引发聚合反应：引发聚合反应： 通过交换反应，醇也可引发单体聚合，因此若无其他链转移反通过交换反应，醇也可引发单体聚合，因此若无其他链转移反 应时，聚合产物的数均聚合度为：应时，聚合产物的数均聚合度为： 0 0 M IROH C Xn ( (C 为单体转化率为单体转化率) ) 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环氧丙烷的阴离子开环聚合通常只能得到分子量较低的

8、聚合 物（物（60006000），主要原因是聚合反应过程中向单体的链转移反应：），主要原因是聚合反应过程中向单体的链转移反应： CH2CH CH3 O- Na+ CH3CH CH2 O CH2CH CH3 OH + H2CCH O CH2-Na+ H2CCHCH2O-Na+ 再引发聚合再引发聚合 8.4 阳离子开环聚合反应阳离子开环聚合反应 8.4.1 环环 醚醚 环醚分子中的环醚分子中的 C-O 键是其活性基，其中的键是其活性基，其中的O具有具有Lewis碱性，因碱性，因 此除张力大的三元环环氧化物外，此除张力大的三元环环氧化物外，环醚只能进行阳离子开环聚合环醚只能进行阳离子开环聚合。 常见

9、的只含一个醚键的环醚单体包括三元环（环氧化物）、四常见的只含一个醚键的环醚单体包括三元环（环氧化物）、四 元环（如环丙醚）和五元环（如四氢呋喃）；常见的含两个以上醚元环（如环丙醚）和五元环（如四氢呋喃）；常见的含两个以上醚 键的环醚单体主要为环缩醛，如三聚甲醛：键的环醚单体主要为环缩醛，如三聚甲醛： O R O O OO O 环氧化物环氧化物 环丙醚环丙醚 四氢呋喃四氢呋喃 三聚甲醛三聚甲醛 （1）链引发反应链引发反应 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、的阳离子开环聚合，包括强质子酸、Lew

10、is酸、碳阳离子源酸、碳阳离子源 /Lewis酸复合体系等。酸复合体系等。 以质子酸引发四氢呋喃聚合为例：以质子酸引发四氢呋喃聚合为例： H+A-+ OOH A- A- OH A- +OHO CH2CH2CH2CH2O 二级环氧二级环氧鎓鎓离子离子 三级氧三级氧鎓鎓离子链增长活性中心离子链增长活性中心 -C具有缺电子性具有缺电子性 在四氢呋喃等活性较低环醚单体的聚合反应中，常加入少量活在四氢呋喃等活性较低环醚单体的聚合反应中，常加入少量活 泼三元环醚单体如环氧乙烷提高引发速率。此时引发反应首先通过泼三元环醚单体如环氧乙烷提高引发速率。此时引发反应首先通过 活泼单体形成二级或三级氧活泼单体形成二

11、级或三级氧鎓鎓离子活性种，再引发低活性的单体聚离子活性种，再引发低活性的单体聚 合，此时活泼单体可看作是合，此时活泼单体可看作是引发促进剂引发促进剂。 （2）链增长反应）链增长反应 链增长反应为单体的链增长反应为单体的 O 对增长链的三级环氧对增长链的三级环氧鎓鎓离子活性中心离子活性中心 的的- C的亲核进攻反应。以四氢呋喃的聚合为例：的亲核进攻反应。以四氢呋喃的聚合为例： OCH2CH2CH2CH2O A- +OOCH2CH2CH2CH2OCH2CH2CH2CH2O A- 链增长活性中心与抗衡阴离子之间存在离解平衡：多种活性种链增长活性中心与抗衡阴离子之间存在离解平衡：多种活性种 （3）链转

12、移反应）链转移反应 向高分子的链转移反应是环醚阳离子开环聚合中常见的链转向高分子的链转移反应是环醚阳离子开环聚合中常见的链转 移反应。移反应。 链转移反应的结果：高分子链发生交换链转移反应的结果：高分子链发生交换 向高分子的链转移反应也可发生在分子内向高分子的链转移反应也可发生在分子内, , 即即回咬回咬反应，结果反应，结果 得到环状低聚物：得到环状低聚物： 环状低聚物环状低聚物 O(CH2)4O(CH2)4 O O(CH2)4O(CH2)4 O(CH2)4 O O(CH2)4O O(CH2)4 O(CH2)4 + 链增长与向高分子链转移是一对竞争反应：主要取决于单体链增长与向高分子链转移是一

13、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。性越强越有利于链增长，相反则有利于向高分子链转移。 OCH2CH2 O A- +OCH2OCH2CH2 O A- O 单体中单体中sp3杂化的杂化的O转变为聚合物中转变为聚合物中sp2杂化的氧杂化的氧鎓鎓离子，使键角离子，使键角 张力增大，单体与高分子链中张力增大，单体与高分子链中O亲核性之比最小，不利于链增长。亲核性之比最小，不利于链增长。 三元环醚单体如环氧乙烷聚合链增长时三元环醚单体如环氧乙烷聚合链

14、增长时: : 单体与高分子链中单体与高分子链中O的亲核性之比随单体环的增大而增大。的亲核性之比随单体环的增大而增大。 由于由于高分子中所含醚基的亲核性更强，有利于向高分子的链高分子中所含醚基的亲核性更强，有利于向高分子的链 转移，生成环状低聚物。事实上通常的环氧乙烷阳离子聚合的主要转移，生成环状低聚物。事实上通常的环氧乙烷阳离子聚合的主要 产物为产物为1,4-二氧六环（二氧六环（80%90%）,因此环氧乙烷的阳离子开环聚因此环氧乙烷的阳离子开环聚 合对于合成线形聚合物并无实用价值。合对于合成线形聚合物并无实用价值。 随着单体环的增大，单体与聚合物中醚基的亲核性之比也增随着单体环的增大，单体与聚

15、合物中醚基的亲核性之比也增 大，如四氢呋喃聚合的环状低聚物的含量少于几个百分点。大，如四氢呋喃聚合的环状低聚物的含量少于几个百分点。 （4） 活化单体机理阳离子开环聚合活化单体机理阳离子开环聚合 “活化链末端机理活化链末端机理”：离子活性中心位于增长链末端，易发生：离子活性中心位于增长链末端，易发生 “回咬回咬”反应生成环化低聚物。反应生成环化低聚物。 在质子酸引发的环氧乙烷阳离子开环聚合体系中外加醇可减在质子酸引发的环氧乙烷阳离子开环聚合体系中外加醇可减 少环化低聚物的生成。其聚合反应机理为少环化低聚物的生成。其聚合反应机理为 “活性单体机理活性单体机理”：聚：聚 合体系的阳离子不位于增长链

16、末端，而是在单体分子上。合体系的阳离子不位于增长链末端，而是在单体分子上。 O + H+ O H R-OH + RO CH2CH2OH2 O H + O 快 RO CH2CH2 OH + O H 链增长链增长 外加醇实际起引发剂作用，增长链活性末端为外加醇实际起引发剂作用，增长链活性末端为-OH （4）链终止反应）链终止反应 阳离子开环聚合的链终止反应主要为增长链氧阳离子开环聚合的链终止反应主要为增长链氧鎓鎓离子与抗衡阴离子与抗衡阴 离子结合，如：离子结合，如： 8.58.5羰基化合物的开环聚合羰基化合物的开环聚合 三聚甲醛（三氧六环）的阳离子开环聚合：三聚甲醛（三氧六环）的阳离子开环聚合：

17、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 物和乙酐一起加热进行封端反应，使末端的羟基酯化，生成热稳物和乙酐一起加热进行封端反应，使末端的羟基酯化，生成热稳 定性的酯基。定性的酯基。 工业上已用这种方法生产性能优良的工程塑料聚甲醛。工业上已用这种方法生产性能优良的工程塑料聚甲醛。 H+ + O O O O O OH+ O O OH OCH2OCH2OCH2O O O 三三聚聚甲甲醛醛 H OCH2OCH2OCH2O O

18、O () n H2O 终终止止 H OCH2OCH2OCH2OH（ ） n+1 8.6 内酰胺内酰胺 强碱如碱金属、金属氢化物、金属氨基化合物等可与内酰胺反强碱如碱金属、金属氢化物、金属氨基化合物等可与内酰胺反 应形成酰胺阴离子，但内酰胺的阴离子开环聚合并不是由强碱直接应形成酰胺阴离子，但内酰胺的阴离子开环聚合并不是由强碱直接 引发，而是引发，而是活化单体机理活化单体机理。 以碱金属引发己内酰胺阴离子开环聚合为例，其链引发反应可以碱金属引发己内酰胺阴离子开环聚合为例，其链引发反应可 分为以下三步：分为以下三步： 首先己内酰胺与碱金属反应生成内酰胺阴离子：首先己内酰胺与碱金属反应生成内酰胺阴离子

19、： 然后内酰胺阴离子与内酰胺单体的羰基发生亲核加成反应，然后内酰胺阴离子与内酰胺单体的羰基发生亲核加成反应， 使单体开环生成二聚体伯胺阴离子：使单体开环生成二聚体伯胺阴离子： 二聚体伯胺阴离子不与羰基共轭，不稳定，很快从单体的酰二聚体伯胺阴离子不与羰基共轭，不稳定，很快从单体的酰 胺基上夺取胺基上夺取H形成含环酰胺结构的二聚物，同时生成己内酰胺阴形成含环酰胺结构的二聚物，同时生成己内酰胺阴 离子：离子： 所得二聚物中的环酰胺键，由于其环外所得二聚物中的环酰胺键，由于其环外N- -酰基的吸电子作用，酰基的吸电子作用， 增强了环的缺电子性，因此其与内酰胺阴离子的反应活性比内增强了环的缺电子性，因此

20、其与内酰胺阴离子的反应活性比内 酰胺单体高得多，易受内酰胺阴离子进攻开环进行链增长反应酰胺单体高得多，易受内酰胺阴离子进攻开环进行链增长反应 二聚体二聚体 链增长链增长 三聚体阴离子三聚体阴离子 其增长链活性末端：环外其增长链活性末端：环外N- -酰化环酰胺。起始链增长活酰化环酰胺。起始链增长活 性中心为二聚体所带的环外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。的引发剂，所加阴离子催化剂其活化单体的作用。 8.7环硅氧烷环硅氧烷 最常见的环硅氧烷单体八甲基环四硅氧烷最常见的环硅氧烷单体八甲基环四硅氧烷 (D4)： 产物聚硅氧烷是一类以产物聚硅氧烷是一类以Si-O为主链结构的有机硅聚合物，分为主链结构的有机硅聚合物，分 子量较低时呈液态，称硅油，而高分子量时呈橡胶类的高弹性，子量较低时呈液态，称硅油