高分子化学第六章离子聚合

1、6.16.1 引言引言6.2 阳离子聚合阳离子聚合6.5 6.5 离子共聚离子共聚6.36.3 阴离子聚合阴离子聚合第第 6 6 章章 主要内容主要内容 Chapter 6 Ionic Polymerization Chapter 6 Ionic Polymerization6.1 6.1 引言引言 离子聚合是又一类连锁聚合。它的离子聚合是又一类连锁聚合。它的活性中心活性中心为为离子离子。根据活性中心的电荷性质，可分为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，但是离子聚合却多数烯烃单体都能进行自由基聚合，但是离子聚合却有极高的

2、选择性。原因是离子聚合对阳离子和阴离子的稳定有极高的选择性。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。例如只有带有性要求比较严格。例如只有带有1,11,1二烷基、烷氧基等强二烷基、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，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。子聚合，也能进行阴离子聚合。第一节第一节 引言引言离子聚

3、合对引发剂也有很强的选择性。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。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，只能通过离子聚合异戊二烯共聚物）、聚甲醛等，只能通过离子聚合制得。制得。有些单体虽可用不同的聚合方法都能聚合，但产物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

4、很大。如聚丁二烯、聚苯乙烯的离子聚的性能差别很大。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。合产物的性能与自由基聚合产物截然不同。第一节第一节 引言引言 离子聚合的发展导致了离子聚合的发展导致了活性聚合活性聚合的诞生。这是高分子的诞生。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。王国迈出了关键的一步。通过阴离子活性聚合，可实现高分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

5、共聚物、接枝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。共聚物、星状聚合物等方面有十分重要的作用。 目前，活性聚合领域已扩展到阳离子聚合、自由基聚目前，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。合和基团转移聚合。 配位聚合在本质上属于阴离子聚合。配位聚合在本质上属于阴离子聚合。第一节第一节 引言引言6.2 6.2 阳离子聚合（阳离子聚合（Cationic polymerizationCationic polymerization） 阳离子聚合通式可表示如下：阳离子聚合通式可表示如下：式中式中B B为反离子为反离子，又称，又称抗衡离子抗

6、衡离子 （通常为引发剂碎片，带（通常为引发剂碎片，带反电荷）。反电荷）。A A+ +为阳离子活性中心为阳离子活性中心（碳阳离子，氧鎓离子），（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。难以孤立存在，往往与反离子形成离子对。 nMMBAMMBA第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合6.2.1 6.2.1 阳离子聚合的单体阳离子聚合的单体（1 1）烯烃烯烃 能用于阳离子聚合的单体有能用于阳离子聚合的单体有烯类化合物、羰基化合物、烯类化合物、羰基化合物、含氧杂环化合物含氧杂环化合物等，等，以烯类单体为重点以烯类单体为重点。 原则上，具有推电子取代基的烯类单体可进行阳离子原则上，具有推电

7、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。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。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。低分子量油状物。第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合 异丁烯含两个推电子的甲基，双键电子云密度大，易异丁烯含两个推电

8、子的甲基，双键电子云密度大，易受阳离子进攻。聚合物链中受阳离子进攻。聚合物链中CHCH2 2 受到四个甲基保护，减受到四个甲基保护，减少了副反应，因此产物稳定，可得高分子量的线性聚合物。少了副反应，因此产物稳定，可得高分子量的线性聚合物。 更高级的更高级的- - 烯烃，由于空间位阻效应较大，一般不烯烃，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。能通过阳离子聚合得到高分子量聚合物。 因此，实际上因此，实际上异丁烯是至今为止唯一一个具有实际工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业价值和研究价值的能进行阳离子聚合的- - 烯烃单体烯烃单体。第二

9、节第二节 阳离子聚合阳离子聚合（2 2）烷基乙烯基醚）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上的未共有电子对与双键形成 p -p -共轭效应，双键电子云共轭效应，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，更大。事实上，烷氧基乙烯基醚只能进行阳离子聚合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，

10、从而使其进与芳环形成共轭，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。行阳离子聚合的活性大大降低。第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合OO（3 3）共轭单体）共轭单体 苯乙烯，丁二烯等含有共轭体系的单体，由于其苯乙烯，丁二烯等含有共轭体系的单体，由于其电子云的流动性强，易诱导极化，因此能进行阳离子、阴离电子云的流动性强，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。烯基醚，故往往只作为共聚单体应用。基本原则：基本原则： 由于离子聚合的工艺要求较高，故能

11、用自由基聚合的，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。尽可能不采用离子聚合。 第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合6.2.2 6.2.2 阳离子聚合的引发体系阳离子聚合的引发体系 阳离子聚合的引发方式有两种：阳离子聚合的引发方式有两种：一是由引发剂生成阳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 5.2.2.1 质子酸质子酸 H H2 2SOSO4 4、H H3 3POPO4 4、HClOHClO4 4、ClCl3 3CCOOHCCOOH等强质子酸等强质子酸，在，在非水介质

12、中离解出部分质子，使烯烃质子化，引发烯烃的阳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。强，以免与质子或阳离子结合形成共价键，造成链终止。第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合H+A-+ CH2=CHXCH3 -CH+A-XH3CCHXA6.2.2.2 Lewis6.2.2.2 Lewis酸酸 AlClAlCl3 3, BF, BF3 3, SnCl, SnCl4 4, ZnCl, ZnCl2 2, TiBr, TiBr4 4等是最常见的

13、阳离等是最常见的阳离子聚合引发剂（俗称子聚合引发剂（俗称Friedel-GraftsFriedel-Grafts催化剂），聚合大多在催化剂），聚合大多在低温下进行。低温下进行。 LewisLewis酸单独使用时活性不高，往往与少量酸单独使用时活性不高，往往与少量共引发剂共引发剂（如水）共用，两者形成络合物离子对，才能引发阳离子聚（如水）共用，两者形成络合物离子对，才能引发阳离子聚合，例如合，例如BFBF3 3-H-H2 2O O引发体系。引发体系。第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合BF3+CH2=CHXH2OH+(BF3OH)-H+(BF3OH)-+H3CCHX(BF3OH2)CH2=CHXH

14、+(BF3OH)-. 阳离子引发剂共有两类：一类是阳离子引发剂共有两类：一类是质子供体质子供体，如，如H H2 2O, O, ROH, RCOOHROH, RCOOH，HXHX等；另一类是等；另一类是碳阳离子供体碳阳离子供体，如，如RCl, RCOX, RCl, RCOX, (RCO)(RCO)2 2O, RORO, ROR等。等。 引发剂和共引发剂的共引发作用如下：引发剂和共引发剂的共引发作用如下：SnCl4RClR+(SnCl5)-CH2CYXR+(SnCl5)-RCH2C+(SnCl5)-XY第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合 引发剂和共引发剂的不同组合，可得到不同引发活性引发剂和共引发

15、剂的不同组合，可得到不同引发活性的引发体系。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，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：顺序如下： BFBF3 3AlClAlCl3 3TiClTiCl4 4 SnClSnCl4 4 AlClAlCl3 3AlRClAlRCl2 2AlRAlR2 2ClCl AlRAlR3 3 共引发剂的活性顺序为：共引发剂的活性顺序为： HXHXRXRCOOHArOHHRXRCOOHArOHH2 2OROHROROHR1 1CORCOR2 2 例如异丁烯以例如异丁烯以BFBF3 3为引发剂时，共引发剂的活性比为：为引发剂时，共引发剂的活

16、性比为： 水水: : 醋酸醋酸: : 甲醇甲醇50 : 1.5 : 150 : 1.5 : 1第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合 通常通常引发剂和共引发剂有一最佳比引发剂和共引发剂有一最佳比，此时聚合速率最，此时聚合速率最快，分子量最大。最佳比还与溶剂性质有关。快，分子量最大。最佳比还与溶剂性质有关。 共引发剂过量可能生成氧鎓离子，其活性低于络合的共引发剂过量可能生成氧鎓离子，其活性低于络合的质子酸，使聚合速率降低。质子酸，使聚合速率降低。 在工业上，一般采用反应速率较为适中的在工业上，一般采用反应速率较为适中的AlClAlCl3 3H H2 2O O引引发体系。发体系。 对有些阳离子聚合倾向

17、很大的单体，可不需要共引发对有些阳离子聚合倾向很大的单体，可不需要共引发剂，如烷基乙烯基醚。剂，如烷基乙烯基醚。BF3H2OH+(BF3OH)-H2O(H3O)+(BF3OH)-第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合6.2.2.3 6.2.2.3 其他引发剂其他引发剂 其它阳离子引发剂有其它阳离子引发剂有碘、高氯酸盐、六氯化铅盐碘、高氯酸盐、六氯化铅盐等。如等。如碘分子歧化成离子对，再引发聚合：碘分子歧化成离子对，再引发聚合： 形成的碘阳离子可引发活性较大的单体，如对甲氧基苯形成的碘阳离子可引发活性较大的单体，如对甲氧基苯乙烯、烷基乙烯基醚等。乙烯、烷基乙烯基醚等。 阳离子聚合也能通过高能辐射引发

18、，形成自由基阳离子，阳离子聚合也能通过高能辐射引发，形成自由基阳离子，自由基进一步偶合，形成双阳离子活性中心：自由基进一步偶合，形成双阳离子活性中心：I2I2I+(I3)-第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合 高能辐射引发阳离子聚合的特点是无反离子存在。高能辐射引发阳离子聚合的特点是无反离子存在。CH2CXY辐射CH2CXYeCH2CXYCH2CXY+第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合6.2.2.4 6.2.2.4 电荷转移引发剂电荷转移引发剂 能进行阳离子聚合的单体都是供电体，当与适当的受能进行阳离子聚合的单体都是供电体，当与适当的受电体配合时，能形成电荷转移络合物。在外界能量的作用下，电体配

19、合时，能形成电荷转移络合物。在外界能量的作用下，络合物会解离形成阳离子而引发聚合。如络合物会解离形成阳离子而引发聚合。如乙烯基咔唑和四腈乙烯基咔唑和四腈基乙烯（基乙烯（TCETCE）的电荷转移引发：的电荷转移引发：NCH2CH2+TCE电荷转移络合物NCH2C+H2TCE-第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合6.2.3 6.2.3 阳离子聚合机理及动力学阳离子聚合机理及动力学6.2.3.1 6.2.3.1 阳离子聚合机理阳离子聚合机理 阳离子聚合也是由链引发、链增长和链终止等基元反阳离子聚合也是由链引发、链增长和链终止等基元反应组成的。与自由基聚合相比，阳离子聚合有其自身的特点，应组成的。与自由

20、基聚合相比，阳离子聚合有其自身的特点，如快引发、快增长、易转移、难终止，链转移是终止的主要如快引发、快增长、易转移、难终止，链转移是终止的主要的方式等。的方式等。1. 1. 链引发链引发C+RHH+(CR)-H+(CR)-H+(CR)-HM+(CR)-+Mki第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合 引发剂首先与质子给体（引发剂首先与质子给体（RHRH）形成络合离子对，小部）形成络合离子对，小部分离解成质子和自由离子，两者之间建立平衡。然后引发单分离解成质子和自由离子，两者之间建立平衡。然后引发单体聚合。阳离子引发活化能为体聚合。阳离子引发活化能为E Ei i = 8.4 = 8.421 kJ/mo

21、l21 kJ/mol（自由基（自由基聚合的聚合的E Ei i = 105 = 105150 kJ/mol150 kJ/mol），），引发极快，瞬间完成引发极快，瞬间完成。2. 2. 链增长链增长引发反应生成的碳阳离子活性中心与反离子始终构成引发反应生成的碳阳离子活性中心与反离子始终构成离子对，单体分子不断插入其中而增长。其特点为：离子对，单体分子不断插入其中而增长。其特点为： kpHMn+(CR)-HMnM+(CR)-+M第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合1. 1. 增长反应是离子和分子间的反应，活化能低，增长速度增长反应是离子和分子间的反应，活化能低，增长速度快，几乎与引发同时完成（快，几乎

22、与引发同时完成（E Ep p=8.4=8.421kJ/mol21kJ/mol）。）。2. 2. 离子对的紧密程度与溶剂、反离子性质、温度离子对的紧密程度与溶剂、反离子性质、温度等有关，等有关，对聚合速率、分子量和构型有较大影响。对聚合速率、分子量和构型有较大影响。3. 3. 常伴有分子内重排，异构成更稳定的结构常伴有分子内重排，异构成更稳定的结构，例如，例如3-3-甲基甲基- -1-1-丁烯聚合，先形成二级碳阳离子，然后转化为更稳定的三丁烯聚合，先形成二级碳阳离子，然后转化为更稳定的三级碳阳离子。因此分子链中可能含有两种结构单元。级碳阳离子。因此分子链中可能含有两种结构单元。CH2CHCHCH

23、3CH3CH2CH2CCH3CH3二级碳阳离子（仲碳阳离子）三级碳阳离子（叔碳阳离子）CH2CHCHCH3CH3第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合3. 3. 链转移和链终止链转移和链终止 离子聚合的活性种带有电荷，无法双基终止，因此离子聚合的活性种带有电荷，无法双基终止，因此只只能通过单基终止和链转移终止，也可人为添加终止剂终止能通过单基终止和链转移终止，也可人为添加终止剂终止。 自由基聚合的链转移一般不终止动力学链，而阳离子自由基聚合的链转移一般不终止动力学链，而阳离子聚合的链转移则有可能终止动力学链。因此阳离子聚合的链聚合的链转移则有可能终止动力学链。因此阳离子聚合的链终止只可分为终止只可

24、分为动力学链不终止的链终止反应动力学链不终止的链终止反应和和动力学链终止动力学链终止的链终止反应的链终止反应两类。两类。第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合（1 1）动力学链不终止）动力学链不终止（i i）自发终止（向反离子转移终止）自发终止（向反离子转移终止） 增长离子对重排导致活性链终止成聚合物，再生出引发剂共引增长离子对重排导致活性链终止成聚合物，再生出引发剂共引发剂络合物，继续引发单体，发剂络合物，继续引发单体，动力学链不终止动力学链不终止。（iiii）向单体转移终止）向单体转移终止 活性种向单体转移，形成含不饱和端基的大分子，同时引发剂再活性种向单体转移，形成含不饱和端基的大分子，同时

25、引发剂再生，生，动力学链不终止动力学链不终止。H CH2CCH3CH3nCH2CCH3CH3(BF3OH)H CH2CCH3CH3nCH2CCH3CH2+(BF3OH)H第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合 向单体链转移是阳离子聚合最主要终止方式之一。向单体链转移是阳离子聚合最主要终止方式之一。C CM M约约1010-2-21010-4-4，比自由基聚合的，比自由基聚合的C CM M大（大（1010-4-41010-5-5 ），因此），因此是控制分子量的主要因素。是控制分子量的主要因素。H CH2CCH3CH3nCH2CCH3CH3(BF3OH)+(BF3OH)+CH2CCH3CH3H CH2

26、CCH3CH3nCH2CCH3CH2CH2CCH3CH3第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合3 3 为了保证聚合物有足够大的分子量，阳离子聚合一般为了保证聚合物有足够大的分子量，阳离子聚合一般在低温下进行。在低温下进行。 例如，异丁烯的聚合，例如，异丁烯的聚合，T = 0T = 04040，Mn Mn 5 5万，万，T T = = 100 100 ， Mn = 5 Mn = 5 万万500500万。万。（1 1）动力学链终止）动力学链终止（i i）反离子向活性中心加成终止）反离子向活性中心加成终止 反离子亲核性足够强时会与增长的碳阳离子以共价键反离子亲核性足够强时会与增长的碳阳离子以共价键结合而

27、终止。结合而终止。HMnM(CR)HMnM(CR)第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合 例如例如三氟乙酸引发三氟乙酸引发的苯乙烯聚合：的苯乙烯聚合：（iiii）活性中心与反离子中的阴离子碎片结合终止）活性中心与反离子中的阴离子碎片结合终止 活性中心与反离子中的阴离子碎片结合而终止，从而活性中心与反离子中的阴离子碎片结合而终止，从而使引发剂使引发剂共引发剂比例改变。共引发剂比例改变。 例如用例如用BFBF3 3HH2 2O O引发引发的异丁烯聚合。的异丁烯聚合。H CH2CnCH2C(F3CCOO)HHH CH2CnCH2CHHOCOCF3第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合H CH2CCH3CH3

28、nCH2CCH3CH3(BF3OH)H CH2CCH3CH3nCH2CCH3+BF3CH3OH（iiiiii）添加链终止剂）添加链终止剂 阳离子聚合自身不容易终止，通过添加阳离子聚合自身不容易终止，通过添加水、醇、酸、水、醇、酸、醚、胺、醌等醚、胺、醌等终止剂可使聚合终止。终止剂可使聚合终止。HMn( CR)+XAkt r , sHMnMAXCR+HMn( CR)+NR3kpHMnM( C R)NR3第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合 形成的氧鎓离子活性低，不能再引发聚合。形成的氧鎓离子活性低，不能再引发聚合。阳离子聚合的特点：阳离子聚合的特点：快引发，快增长，易转移，难终止快引发，快增长，易

29、转移，难终止H CH2CCH3CH3nCH2CCH3CH3(BF3OH)+H2OH CH2CCH3CH3nCH2CCH3+CH3OH(BF3OH)HH2O(BF3OH)H3O第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合6.2.3.2 6.2.3.2 阳离子聚合动力学阳离子聚合动力学 阳离子聚合速率快，对环境条件苛刻，微量杂质对聚阳离子聚合速率快，对环境条件苛刻，微量杂质对聚合速率影响很大，实验重复性差；引发速率很快，而真正的合速率影响很大，实验重复性差；引发速率很快，而真正的终止反应实际上不存在，稳态假定很难成立等等，使得其动终止反应实际上不存在，稳态假定很难成立等等，使得其动力学研究复杂化。因此只能在

30、特定条件下做动力学研究。力学研究复杂化。因此只能在特定条件下做动力学研究。（1 1）聚合速率）聚合速率 离子聚合无双基终止，无自动加速现象，往往以低离子聚合无双基终止，无自动加速现象，往往以低活性的活性的 SnClSnCl4 4 为引发剂，向反离子转移作为终止方式时的为引发剂，向反离子转移作为终止方式时的聚合作为典型进行讨论。各基元反应的动力学方程为：聚合作为典型进行讨论。各基元反应的动力学方程为：第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合链引发：链引发：链增长：链增长：链终止：链终止：其中其中 为所有增长离子对的总浓度；为所有增长离子对的总浓度；K K为引发为引发剂和共引发剂络合平衡常数。剂和共引发

31、剂络合平衡常数。 为便于处理，仍作稳态假定，为便于处理，仍作稳态假定，R Ri i = R = Rt t 。 Ri = ki H(CR) M = KkiCRHMRp = kp HM (CR)MRt = kt HM (CR)(CR)HM（61）（62）（63）第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合则有：则有： 聚合速率方程为：聚合速率方程为：由此可见，速率对引发剂和共引发剂均呈一级反应，由此可见，速率对引发剂和共引发剂均呈一级反应，对单体浓度则呈二级反应。对单体浓度则呈二级反应。自发终止时自发终止时，引发剂浓度为常数，引发剂浓度为常数，而而向反离子加成时向反离子加成时，引发剂浓度下降。，引发剂浓度下

32、降。(CR)HM = KkiCRHMkt（64）= KkikpCRHMktRp2（65）第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合（2 2）聚合度）聚合度 在阳离子聚合中，向单体转移和向溶剂转移是主要的终止方式，虽然在阳离子聚合中，向单体转移和向溶剂转移是主要的终止方式，虽然转移后聚合速率不变，但聚合度降低。转移速率方程为：转移后聚合速率不变，但聚合度降低。转移速率方程为： 参照自由基聚合，可将阳离子聚合物的聚合度表达为：参照自由基聚合，可将阳离子聚合物的聚合度表达为： Rtr,M = ktr,MHM (CR) MRtr,S = ktr,SHM (CR) SMSCCMkkX1SMptn（66）第二节第

33、二节 阳离子聚合阳离子聚合单基终止时：单基终止时：向单体转移终止时：向单体转移终止时：向溶剂转移终止时：向溶剂转移终止时：tptpnkMkRRXMMtr,pMtr,pnC1kkRRXSMC1SkMkRRXSStr,pStr,pn（67）（68）（69）第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合 例如，聚异丁烯的制备采例如，聚异丁烯的制备采用在用在CHCH3 3ClCl溶剂中的阳离子聚溶剂中的阳离子聚合。终止方式有向单体链转合。终止方式有向单体链转移和向溶剂链转移两种，取移和向溶剂链转移两种，取决于温度的影响。聚合温度决于温度的影响。聚合温度低于低于-100-100，主要向单体转，主要向单体转移终止；聚

34、合温度高于移终止；聚合温度高于- - 100100，主要向溶剂转移终止。，主要向溶剂转移终止。见图见图6 61 1。图图61 AlCl3引发异丁烯聚合时温引发异丁烯聚合时温度与聚合度的关系度与聚合度的关系第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合6.2.4 6.2.4 影响阳离子聚合的因素影响阳离子聚合的因素6.2.4.1 6.2.4.1 反应介质（溶剂）的影响反应介质（溶剂）的影响 在阳离子聚合中，活性中心离子与反离子形成离子对，在阳离子聚合中，活性中心离子与反离子形成离子对，增长反应在离子对中进行。溶剂的极性大小影响离子对的松增长反应在离子对中进行。溶剂的极性大小影响离子对的松紧程度，从而影响聚合

35、速率。紧程度，从而影响聚合速率。 一般情况下，一般情况下，离子对为松对时的聚合速率和聚合度离子对为松对时的聚合速率和聚合度均较大均较大。溶剂的极性越大，松对比例越高溶剂的极性越大，松对比例越高，因此聚合速率和，因此聚合速率和聚合度都较大。聚合度都较大。ABABABAB+共价键紧对松对自由离子第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合6.2.4.2 6.2.4.2 反离子的影响反离子的影响 反离子亲核性对能否进行阳离子聚合有很大的影响。反离子亲核性对能否进行阳离子聚合有很大的影响。亲核性强，易与活性中心离子结合，使链终止亲核性强，易与活性中心离子结合，使链终止。如。如ClCl一般一般不宜作为反离子。不宜

36、作为反离子。 其次，其次，反离子的体积越大，离子对越疏松，聚合速率反离子的体积越大，离子对越疏松，聚合速率越大越大。 例如，用例如，用I I2 2、SnClSnCl4 4HH2 2O O、HClOHClO4 4引发苯乙烯在引发苯乙烯在1,2 1,2 二氯乙烷中二氯乙烷中2525下的阳离子聚合，聚合速率常数分别为下的阳离子聚合，聚合速率常数分别为0.0030.003、0.420.42、1.70 L/mol.s1.70 L/mol.s。 反离子对增长速率常数的频率因子反离子对增长速率常数的频率因子ApAp也有类似影响。也有类似影响。第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合6.2.4.3 6.2.4.3

37、聚合温度的影响聚合温度的影响根据根据ArrheniusArrhenius公式，从式（公式，从式（6565）和（）和（6767）可知，）可知，聚合速率和聚合度的综合活化能分别为聚合速率和聚合度的综合活化能分别为： 通常，聚合速率总活化能通常，聚合速率总活化能E ER R=-21 =-21 41.8 kJ/mol41.8 kJ/mol，因，因此往往出现聚合速率随温度降低而增加的现象。此往往出现聚合速率随温度降低而增加的现象。 E EXnXn一般为一般为-12.5 -12.5 -29 kJ/mol-29 kJ/mol，表明聚合度随温度降，表明聚合度随温度降低而增加。这也是阳离子聚合一般在低温下进行的

38、原因，同低而增加。这也是阳离子聚合一般在低温下进行的原因，同时温度低还可以减弱副反应。时温度低还可以减弱副反应。ER = Ei + Ep Et EXn = Ep Et （610）（611）第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合举例一：异丁烯聚合举例一：异丁烯聚合 AlClAlCl3 3为引发剂为引发剂, , 氯甲烷为溶剂，在氯甲烷为溶剂，在0 0 -40-40聚合聚合, , 得低分子量（得低分子量（5 5万）聚异丁烯，主要用于粘结剂、密封材料万）聚异丁烯，主要用于粘结剂、密封材料等；等；在在-100-100下聚合，得高分子量产物（下聚合，得高分子量产物（5 5万万100100万），万），主要用作橡

39、胶制品。主要用作橡胶制品。聚例二：丁基橡胶制备聚例二：丁基橡胶制备 异丁烯和少量异戊二烯（异丁烯和少量异戊二烯（1 16%6%）为单体）为单体, AlCl, AlCl3 3为引发为引发剂剂, ,氯甲烷为稀释剂氯甲烷为稀释剂, , 在在-100-100下聚合下聚合, , 瞬间完成，分子量达瞬间完成，分子量达2020万以上。万以上。 丁基橡胶冷却时不结晶，丁基橡胶冷却时不结晶，-50-50柔软，耐候，耐臭氧，柔软，耐候，耐臭氧，气密性好，主要用作内胎。气密性好，主要用作内胎。第二节第二节 阳离子聚合阳离子聚合6.36.3阴离子聚合（阴离子聚合（Anionic polymerizationAnion

40、ic polymerization）阴离子聚合反应的通式可表示如下：阴离子聚合反应的通式可表示如下：其中其中B B为阴离子活性中心，为阴离子活性中心，A A+ +为反离子，一般为金属为反离子，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。自由离子、离子对，甚至是处于缔合状态的阴离子。 nMMABMMBA第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合6.3.1 6.3.1 阴离子聚合的单体阴离子聚合的单体 烯类、羰基化合物、三元含氧杂环和含氮杂环都有可烯类、羰基化合物、三元含氧杂环和含氮杂环都有

41、可能进行阴离子聚合能进行阴离子聚合，本节主要讨论是烯烃的阴离子聚合。，本节主要讨论是烯烃的阴离子聚合。 原则上讲，原则上讲，带有带有共轭体系的单体都能进行阴离共轭体系的单体都能进行阴离子聚合子聚合。如果同时具有吸电子基，则更易进行阴离子聚合。如果同时具有吸电子基，则更易进行阴离子聚合。吸电子基减少双键上电子云密度，有利于阴离子进攻，并使吸电子基减少双键上电子云密度，有利于阴离子进攻，并使形成的碳阴离子的电子云密度分散而稳定。形成的碳阴离子的电子云密度分散而稳定。 常见的阴离子聚合单体，如常见的阴离子聚合单体，如丙烯腈，甲基丙烯酸甲酯，丙烯腈，甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸酯，硝基乙烯丙烯酸酯，硝基乙烯

42、等，分子中既有吸电子基团，又具有等，分子中既有吸电子基团，又具有共轭结构共轭结构 ，因此容易进行阴离子聚合。，因此容易进行阴离子聚合。第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合 苯乙烯、丁二烯、异戊二烯苯乙烯、丁二烯、异戊二烯等单体分子中虽无吸电子基等单体分子中虽无吸电子基团，但存在团，但存在共轭结构共轭结构 ，因此也能进行阴离子聚合。，因此也能进行阴离子聚合。 氯乙烯、醋酸乙烯酯氯乙烯、醋酸乙烯酯等单体虽有吸电子基团，但不存在等单体虽有吸电子基团，但不存在共轭结构共轭结构 ，因此不能进行阴离子聚合。因为分子中，因此不能进行阴离子聚合。因为分子中的的 pp共轭反而使双键的电子云增加，不利于阴离子聚合。

43、共轭反而使双键的电子云增加，不利于阴离子聚合。CH2CHCNCH2CHNOOCH2COCH3COCH3第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合6.3.2 6.3.2 阴离子聚合的引发体系阴离子聚合的引发体系 阴离子聚合的引发剂是阴离子聚合的引发剂是电子给体（亲核试剂），电子给体（亲核试剂），属碱属碱类物质（碱金属，有机金属化合物以及三级胺等）。根据引类物质（碱金属，有机金属化合物以及三级胺等）。根据引发机理可分为电子转移引发和阴离子引发两类。发机理可分为电子转移引发和阴离子引发两类。6.3.2.1 6.3.2.1 碱金属碱金属 LiLi、NaNa、K K等碱金属原子最外层仅一个价电子，容易等碱金属原

44、子最外层仅一个价电子，容易转移给单体或其他化合物，生成单体自由基转移给单体或其他化合物，生成单体自由基- -阴离子，并进阴离子，并进而形成双阴离子引发聚合。因此属于电子转移引发。而形成双阴离子引发聚合。因此属于电子转移引发。第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合 碱金属亦可将电子转移给中间体，使中间体转变为自碱金属亦可将电子转移给中间体，使中间体转变为自由基由基阴离子，然后再将活性转移给单体。这种引发能量较阴离子，然后再将活性转移给单体。这种引发能量较低，反应速度快。如低，反应速度快。如萘萘钠钠引发体系在四氢呋喃溶液中引发引发体系在四氢呋喃溶液中引发苯乙烯的聚合。苯乙烯的聚合。Me + CH2CH

45、XMe CH2CHXMe CHCH2XMe CHCH2XCH2CHXMe第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合 碱金属一般不溶于单体和溶剂，是非均相聚合体系，碱金属一般不溶于单体和溶剂，是非均相聚合体系，聚合在金属细粒表面进行，效率较低。而萘聚合在金属细粒表面进行，效率较低。而萘钠体系在溶剂钠体系在溶剂中溶解，是均相体系，碱金属的利用率增加，聚合效率提高。中溶解，是均相体系，碱金属的利用率增加，聚合效率提高。Na + THFNaNa+CH2CHNaCHCH2+NaCHCH22NaCHCH2CH2CHNa绿色红色第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合6.3.2.2 6.3.2.2 有机金属化合物有机金属

46、化合物 这类引发剂的品种较多，主要有这类引发剂的品种较多，主要有金属胺基化合物、金属金属胺基化合物、金属烷基化合物烷基化合物和和格利雅试剂格利雅试剂等。等。 NaNHNaNH2 2 和和KNHKNH2 2在液氨体系可呈自由阴离子形式引发聚在液氨体系可呈自由阴离子形式引发聚合，是研究得最早的阴离子引发剂。合，是研究得最早的阴离子引发剂。 这类引发剂的活性太大，聚合不易控制，故目前已不使用。这类引发剂的活性太大，聚合不易控制，故目前已不使用。KNH2 K+NH2NH2+ CH2CHNH2CH2CH第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合 金属烷基化合物金属烷基化合物 RMeRMe是目前最常用的阴离子聚合

47、引发是目前最常用的阴离子聚合引发剂。其活性与金属的电负性有关。金属与碳的电负性相差越剂。其活性与金属的电负性有关。金属与碳的电负性相差越大，越容易形成离子。大，越容易形成离子。 各种元素的电负性如下：各种元素的电负性如下：C C（2.52.5），），MgMg（1.21.2），），LiLi（1.01.0），），NaNa（0.90.9），），K K（0.80.8）。）。 RLiRLi、RNaRNa、RKRK都是引发活性很大的引发剂，其中以都是引发活性很大的引发剂，其中以RLiRLi最为常用，如最为常用，如丁基锂丁基锂。 Mg Mg 的电负性较大，的电负性较大，R R2 2Mg Mg 不能直接引发阴

48、离子聚合。但不能直接引发阴离子聚合。但制备成制备成格利雅试剂格利雅试剂 MgRXMgRX 以增加以增加MgCMgC键的极性，也能引发活键的极性，也能引发活性较大的单体聚合，如丙烯腈、硝基乙烯等。性较大的单体聚合，如丙烯腈、硝基乙烯等。第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合6.3.2.3 6.3.2.3 其他其他 ROHROH，H H2 2O O ，R R3 3P P， R R3 3N N等中性亲核试剂，都有未共用等中性亲核试剂，都有未共用电子对，能引发很活泼的单体阴离子聚合，如电子对，能引发很活泼的单体阴离子聚合，如硝基乙烯、偏硝基乙烯、偏二腈乙烯、二腈乙烯、氰基丙烯酸酯氰基丙烯酸酯等。等。6.3

49、.2.4 6.3.2.4 阴离子聚合引发剂与单体的匹配阴离子聚合引发剂与单体的匹配 阴离子聚合的单体和引发剂的活性各不相同，并具有阴离子聚合的单体和引发剂的活性各不相同，并具有选择性。只有某些引发剂才能引发某些单体。选择性。只有某些引发剂才能引发某些单体。 基本原则为：基本原则为：活性大的引发剂可引发活性活从小至大活性大的引发剂可引发活性活从小至大的各种单体；而引发活性小的引发剂，只能引发活性大的单的各种单体；而引发活性小的引发剂，只能引发活性大的单体体，见图，见图6262。第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合图图62 阴离子聚合引发给予单体的匹配阴离子聚合引发给予单体的匹配 第三节第三节 阴离

50、子聚合阴离子聚合6.3.3 6.3.3 阴离子聚合的机理和动力学阴离子聚合的机理和动力学6.3.3.1 6.3.3.1 阴离子聚合的基元反应阴离子聚合的基元反应（1 1）引发反应）引发反应 略略（2 2）增长反应）增长反应 与阳离子聚合类似，阴离子聚合的增长反应可能以与阳离子聚合类似，阴离子聚合的增长反应可能以离离子紧对、松对，甚至以自由离子子紧对、松对，甚至以自由离子的方式进行。离子对的形式的方式进行。离子对的形式取决于反离子的性质、溶剂的极性和反应温度等。取决于反离子的性质、溶剂的极性和反应温度等。 在增长反应中，单体的加成方向受离子对的限制，产在增长反应中，单体的加成方向受离子对的限制，

51、产物的立构规整性较自由基聚合强，但尚不能控制。物的立构规整性较自由基聚合强，但尚不能控制。第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合（3 3）终止反应）终止反应 离子聚合无双基终止。阳离子聚合主要通过链转移终止。离子聚合无双基终止。阳离子聚合主要通过链转移终止。而阴离子聚合连链转移反应都很难发生，因此实际上不存在终而阴离子聚合连链转移反应都很难发生，因此实际上不存在终止反应。增长反应中的活性链直到单体完全耗尽仍可保持止反应。增长反应中的活性链直到单体完全耗尽仍可保持活性，因此有活性，因此有“活性聚合活性聚合”的概念。的概念。 19561956年，年，Swarc Swarc 采用萘钠引发体系，以采用萘钠

52、引发体系，以THFTHF为溶剂进行为溶剂进行苯乙烯阴离子聚合，首次发现活性聚合物。苯乙烯阴离子聚合，首次发现活性聚合物。 聚合过程中，首先绿色萘钠络合物将电荷转移给苯乙烯，聚合过程中，首先绿色萘钠络合物将电荷转移给苯乙烯，形成红色的苯乙烯阴离子，可保持到单体完全耗尽也不消失。形成红色的苯乙烯阴离子，可保持到单体完全耗尽也不消失。再加入单体，聚合可继续进行。加入甲醇，则红色消退。再加入单体，聚合可继续进行。加入甲醇，则红色消退。第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合阴离子聚合无终止的原因：阴离子聚合无终止的原因：n活性链间相同电荷静电排斥，不可能双基终止；活性链间相同电荷静电排斥，不可能双基终止；n

53、活性链反离子为金属离子，碳活性链反离子为金属离子，碳金属键解离倾向大，金属键解离倾向大，不易发生反离子向活性中心的加成。不易发生反离子向活性中心的加成。n如要发生向单体的转移，则要从活性链上脱去负氢原如要发生向单体的转移，则要从活性链上脱去负氢原子子H H，能量很高。向反离子转移也要脱去负氢原子，能量很高。向反离子转移也要脱去负氢原子，因此不易发生。因此不易发生。因此，阴离子聚合不存在真正的链终止反应。因此，阴离子聚合不存在真正的链终止反应。第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合 阴离子聚合需在高真空、惰性气氛或完全除水等条件下阴离子聚合需在高真空、惰性气氛或完全除水等条件下进行，试剂和反应器都必

54、须十分洁净。微量杂质，如进行，试剂和反应器都必须十分洁净。微量杂质，如水、氧水、氧气、二氧化碳气、二氧化碳都会使阴离子聚合终止。在无终止聚合条件下，都会使阴离子聚合终止。在无终止聚合条件下，常通过人为加入常通过人为加入水、醇、胺水、醇、胺等物质使聚合终止。等物质使聚合终止。 由于无终止阴离子聚合的单体能被活性中心全部反应，由于无终止阴离子聚合的单体能被活性中心全部反应，产物的聚合度与引发剂浓度、单体浓度有关，可定量计算，因产物的聚合度与引发剂浓度、单体浓度有关，可定量计算，因此也称为此也称为“化学计量聚合化学计量聚合”。阴离子聚合的特点阴离子聚合的特点快引发，慢增长，无终止快引发，慢增长，无终

55、止第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合6.3.3.2 6.3.3.2 阴离子聚合的反应动力学阴离子聚合的反应动力学（1 1）聚合速率）聚合速率 由于阴离子聚合为活性聚合，由于阴离子聚合为活性聚合，聚合前引发剂快速全部聚合前引发剂快速全部转变为活性中心，且活性相同转变为活性中心，且活性相同。增长过程中无再引发反应，。增长过程中无再引发反应，活性中心数保持不变，无终止，因此可写出速率方程：活性中心数保持不变，无终止，因此可写出速率方程： 聚合过程中阴离子活性增长种的浓度聚合过程中阴离子活性增长种的浓度MM- - 始终保持不始终保持不变，且等于引发剂浓度。如果变，且等于引发剂浓度。如果R Ri iRR

56、p p，MM- - 将不断降低，则将不断降低，则上式不能采用。上式不能采用。CMkMMkRppp（612）第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合 阴离子聚合的阴离子聚合的k kp p与自由基聚合的与自由基聚合的k kp p基本相近。但阴离子基本相近。但阴离子聚合无终止，且阴离子浓度远远大于自由基聚合中的自由基聚合无终止，且阴离子浓度远远大于自由基聚合中的自由基浓度（前者浓度（前者1010-3-31010-2-2 mol/L mol/L，后者，后者1010-9-91010-7-7 mol/L mol/L）。综合）。综合的效果，阴离子聚合速率远远大于自由基聚合。的效果，阴离子聚合速率远远大于自由基聚合

57、。（2 2）聚合度）聚合度 根据阴离子聚合特征，引发剂全部、很快转化成活性根据阴离子聚合特征，引发剂全部、很快转化成活性中心；链增长同时开始，各链增长几率相等；无链转移和终中心；链增长同时开始，各链增长几率相等；无链转移和终止反应；解聚可以忽略。则转化率止反应；解聚可以忽略。则转化率100%100%时，单体全部平均分时，单体全部平均分配到每个活性端基上，因此活性聚合物的聚合度就等于单体配到每个活性端基上，因此活性聚合物的聚合度就等于单体浓度浓度MM与活性链浓度与活性链浓度MM- -/n/n之比。之比。第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合 即产物的聚合度与引发剂浓度和单体浓度有关，可以即产物的聚合

58、度与引发剂浓度和单体浓度有关，可以定量计算定量计算。 其中其中CC为引发剂浓度，为引发剂浓度，n n 为生成一大分子所需的为生成一大分子所需的引发剂分子数。即双阴离子为引发剂分子数。即双阴离子为2 2，单阴离子为，单阴离子为1 1。CnM/nMMXn（613）第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合 活性阴离子聚合的分子量分布服从活性阴离子聚合的分子量分布服从FloryFlory分布分布或或PoissenPoissen分布分布，即：，即： 从式中可见，当聚合度很大时，质均和数均聚合度从式中可见，当聚合度很大时，质均和数均聚合度之比接近之比接近1 1，说明，说明分子量分布很窄分子量分布很窄。如萘钠。如

59、萘钠四氢呋喃体系四氢呋喃体系引发制得的聚苯乙烯，其质均和数均聚合度之比为引发制得的聚苯乙烯，其质均和数均聚合度之比为1.061.061.121.12，接近单分散性，常用作分子量测定中的标样。，接近单分散性，常用作分子量测定中的标样。Xn111)X(X1XnX2nnw（614）第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合6.3.3.3 6.3.3.3 影响阴离子聚合速率的因素影响阴离子聚合速率的因素（1 1）反应介质和反离子性质影响）反应介质和反离子性质影响 溶剂和反离子性质不同，离子对的松紧程度可以差别溶剂和反离子性质不同，离子对的松紧程度可以差别很大，影响到单体插入增长的速率。一般而言，很大，影响到单

60、体插入增长的速率。一般而言，增长活性种增长活性种可以处于各种状态，如共价键、紧离子对、松离子对、自由可以处于各种状态，如共价键、紧离子对、松离子对、自由离子等，彼此互相平衡离子等，彼此互相平衡。聚合速率是处于平衡状态的离子对。聚合速率是处于平衡状态的离子对和自由离子共同作用的结果。和自由离子共同作用的结果。MNa+Mk+MNaMKKMNa+ M+MNaM+k第三节第三节 阴离子聚合阴离子聚合总聚合速率是离子对总聚合速率是离子对 P P- -C C+ + 和自由离子和自由离子 P P- - 聚合速率之和：聚合速率之和： 结合（结合（612612）可得表观速率常数：）可得表观速率常数：其中活性种总