7.6开环聚合解析.ppt

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1、7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 环状单体在引发剂或催化剂作用下形成线性聚环状单体在引发剂或催化剂作用下形成线性聚合物的过程称为开环聚合合物的过程称为开环聚合。与缩聚反应相比，其聚。与缩聚反应相比，其聚合过程中无小分子生成；与烯烃加聚相比，其聚合合过程中无小分子生成；与烯烃加聚相比，其聚合过程中无双键断裂，因此是一类独特的聚合反应。过程中无双键断裂，因此是一类独特的聚合反应。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 开环聚合的推动力是环张力的释放。从机理上开环聚合的推动力是环张力的释放。从机理上分析，分析，大部分开环聚合属于连锁机理的离子聚合，大部分开环聚合属于连锁机理的离子聚合，小部

2、分属于逐步聚合小部分属于逐步聚合。可以进行开环聚合单体包括可以进行开环聚合单体包括环醚、环缩醛、环环醚、环缩醛、环酯、环酰胺、环硅烷酯、环酰胺、环硅烷等。等。环氧乙烷、环氧丙烷、己环氧乙烷、环氧丙烷、己内酰胺、三聚甲醛内酰胺、三聚甲醛等的开环聚合都是重要的工业化等的开环聚合都是重要的工业化开环聚合反应。开环聚合反应。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合7.3.8.1 环烷烃开环聚合热力学环烷烃开环聚合热力学 环的大小（元数）、构成环的元素（碳环或杂环的大小（元数）、构成环的元素（碳环或杂环）、环上的取代基等对开环的难易都有影响环）、环上的取代基等对开环的难易都有影响。有。有的环状化合物难以

3、开环，如的环状化合物难以开环，如丁氧内酯、六元环丁氧内酯、六元环醚等；有的聚合过程中环状单体和聚合物之间存在醚等；有的聚合过程中环状单体和聚合物之间存在平衡，如己内酰胺。此外，双官能度单体线性缩聚平衡，如己内酰胺。此外，双官能度单体线性缩聚还有环化倾向。这些现象都取决于环和线性结构的还有环化倾向。这些现象都取决于环和线性结构的相对稳定性，属于热力学因素。相对稳定性，属于热力学因素。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 环的大小对环稳定性和开环倾向的影响，在热环的大小对环稳定性和开环倾向的影响，在热力学上可由力学上可由键角大小、键的变形程度、聚合热、环键角大小、键的变形程度、聚合热、环的张力

4、能、聚合自由焓等的张力能、聚合自由焓等作定性或半定量的判断。作定性或半定量的判断。线型聚合物中，线型聚合物中，CC键角大约为为键角大约为为10928而而环状化合物的状化合物的键角有不同程度的角有不同程度的变形，因此形，因此产生生张力。力。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合三、四元环烷烃三、四元环烷烃由键角变化引起的环张力很大由键角变化引起的环张力很大(三元环三元环60，四元，四元环90)，环不稳定而易开环聚，环不稳定而易开环聚合；合；五元环五元环键角接近正常键角键角接近正常键角(108)，张力较小，张力较小，环较稳定。环较稳定。五元以上环五元以上环可以不处于同一平面使键角可以不处于同一平

5、面使键角变形趋于零而难开环。变形趋于零而难开环。六元环烷烃六元环烷烃通常呈椅式结通常呈椅式结构，键角变形为构，键角变形为 0，不能开环聚合。，不能开环聚合。八元以上的环八元以上的环有跨环张力，即环上的氢或其他取代基处于拥挤状有跨环张力，即环上的氢或其他取代基处于拥挤状态所造成的斥力，聚合能力较强。态所造成的斥力，聚合能力较强。十一元以上环十一元以上环的的跨环张力消失，环较稳定，不易聚合。跨环张力消失，环较稳定，不易聚合。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 综合以上分析知，合以上分析知，不同大小不同大小环的的热力学力学稳定性定性顺序序为：3,4 5,711 12以上以上。环烷烃开环聚合能力

6、为：环烷烃开环聚合能力为：3,4 8 5,7，九，九元以上的环很少见。元以上的环很少见。环酯、环醚、环酰胺等杂环化合物通常比环烷环酯、环醚、环酰胺等杂环化合物通常比环烷烃容易聚合烃容易聚合，因为杂环中的杂原子提供了引发剂亲，因为杂环中的杂原子提供了引发剂亲核或亲电进攻的位置。聚合能力与环中杂原子的性核或亲电进攻的位置。聚合能力与环中杂原子的性质有关。质有关。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 如五元环中的四氢呋喃能够聚合，而如五元环中的四氢呋喃能够聚合，而丁氧丁氧内酯却不能聚合。六元环醚都不能聚合，如四氢吡内酯却不能聚合。六元环醚都不能聚合，如四氢吡喃和喃和1,4二氧六环，但相应的环酯却

7、都能聚合，如二氧六环，但相应的环酯却都能聚合，如环戊内酯。其他六元的环酰胺、环酐都较易聚合。环戊内酯。其他六元的环酰胺、环酐都较易聚合。环上有取代基时对聚合不利环上有取代基时对聚合不利。如四氢呋喃能聚。如四氢呋喃能聚合，合，2-甲基四氢呋喃却不能聚合。甲基四氢呋喃却不能聚合。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 例如例如丙交酯开环聚合成聚乳酸丙交酯开环聚合成聚乳酸。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合7.3.8.2 工业上重要的开环聚合工业上重要的开环聚合1.环醚的开环聚合环醚的开环聚合 醚是醚是Lewis碱碱，故环醚一般可用阳离子引发剂故环醚一般可用阳离子引发剂引发开环聚合。但引发开

8、环聚合。但三元环的张力较大，阴、阳离子三元环的张力较大，阴、阳离子聚合均可进行聚合均可进行，为一例外。，为一例外。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 简单的环醚只有简单的环醚只有3、4、5元环能够聚合，元环能够聚合，复杂的环醚（环内有多个醚键）较易聚合，复杂的环醚（环内有多个醚键）较易聚合，如三聚甲醛。如三聚甲醛。工业上最重要的环醚聚合有：工业上最重要的环醚聚合有：环氧乙烷、环氧乙烷、1,2环氧丙烷的阴离子开环聚合，三聚甲环氧丙烷的阴离子开环聚合，三聚甲醛的阳离子开环聚合等。醛的阳离子开环聚合等。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合（1）三元环氧化物的阴离子开环聚合）三元环氧化物的阴

9、离子开环聚合 三元环氧化物主要有以下品种：三元环氧化物主要有以下品种：三元环氧化物的张力大，开环倾向较大三元环氧化物的张力大，开环倾向较大。碳氧键。碳氧键极性较大，阳离子、阴离子甚至中性条件极性较大，阳离子、阴离子甚至中性条件(水水)均可使均可使 其断裂开环。但阳离子开环聚合常伴有链转移反应，其断裂开环。但阳离子开环聚合常伴有链转移反应，故故工业上环氧烷多采用阴离子开环聚合工业上环氧烷多采用阴离子开环聚合。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 三元环氧化物阴离子聚合的引发剂常采用氢氧三元环氧化物阴离子聚合的引发剂常采用氢氧化物（如化物（如NaOH、KOH等）、烷氧基化合物（如等）、烷氧基化

10、合物（如甲甲醇钠醇钠）。并以含活泼氢化合物（如乙醇）为起始）。并以含活泼氢化合物（如乙醇）为起始剂，产物主要用于非离子表面活性剂、合成聚氨酯剂，产物主要用于非离子表面活性剂、合成聚氨酯的原料聚醚二醇等。的原料聚醚二醇等。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 用醇钠引发的环氧化物开环聚合的机理如下：用醇钠引发的环氧化物开环聚合的机理如下：链引发：链引发：链增长：链增长：环氧化物的开环聚合一般无链终止，环氧化物的开环聚合一般无链终止，需人为加需人为加入终止剂终止（如酚类化合物）。入终止剂终止（如酚类化合物）。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 环氧化合物的开环聚合虽有阴离子聚合的性质，环

11、氧化合物的开环聚合虽有阴离子聚合的性质，但其但其分子量和转化率随时间逐步增加，又有逐步聚分子量和转化率随时间逐步增加，又有逐步聚合的特征合的特征。聚合速率和数均聚合度可分别表达为。聚合速率和数均聚合度可分别表达为：其中：其中：M0和和Mt分别为环氧乙烷起始和分别为环氧乙烷起始和t时刻的浓时刻的浓度；度；C0 和和C分别为引发剂起始和分别为引发剂起始和 t 时刻的浓度。时刻的浓度。（22）（23）7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 环氧丙烷的开环聚合易发生向单体转移反应，环氧丙烷的开环聚合易发生向单体转移反应，结果使分子量降低。结果使分子量降低。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 当

12、存在向单体链转移时，单体消失速率为：当存在向单体链转移时，单体消失速率为：由转移生成的聚合物链的速率为：由转移生成的聚合物链的速率为：两式相除，得：两式相除，得：其中其中CM为向单体转移常数。为向单体转移常数。（24）（25）（26）7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 将式（将式（26）积分，得：）积分，得：N0为无向单体转移时的聚合物浓度。为无向单体转移时的聚合物浓度。有、无向单体链转移时的平均聚合度分别为：有、无向单体链转移时的平均聚合度分别为：（27）（28）（29）7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 综合式综合式(27)、(28)、(29)可得：可得：开环聚合的开环聚合的C

13、M一般为一般为102，比自由基聚合的，比自由基聚合的CM大大102103倍。环氧丙烷聚合中链转移的影响很倍。环氧丙烷聚合中链转移的影响很大，因此一般得不到高分子量聚合物，通常大，因此一般得不到高分子量聚合物，通常30004000（聚合度（聚合度5070）左右。）左右。（30）7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合（2）环缩醛的阳离子开环聚合）环缩醛的阳离子开环聚合 环缩醛很容易进行阳离子开环聚合。工业上最环缩醛很容易进行阳离子开环聚合。工业上最重要的环缩醛开环聚合是重要的环缩醛开环聚合是三聚甲醛在三聚甲醛在BF3H2O作引作引发剂时的聚合。发剂时的聚合。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚

14、合 三聚甲醛开环聚合的聚合上限温度较低，存在三聚甲醛开环聚合的聚合上限温度较低，存在聚甲醛聚甲醛甲醛平衡现象甲醛平衡现象，诱导期相当于产生平衡甲，诱导期相当于产生平衡甲醛的时间，因此可以通过添加适量甲醛来消除诱导醛的时间，因此可以通过添加适量甲醛来消除诱导期，减少聚合时间。期，减少聚合时间。聚合结束后，这种平衡仍然存在，如果条件变聚合结束后，这种平衡仍然存在，如果条件变化会打破上述平衡，使聚甲醛不断解聚，失去使用化会打破上述平衡，使聚甲醛不断解聚，失去使用价值。因此可以通过下面两个方法改进。价值。因此可以通过下面两个方法改进。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 1.聚合结束前加入酸酐类物

15、质聚合结束前加入酸酐类物质，使端羟基乙酰，使端羟基乙酰 化，防止其从端基开始解聚。称为化，防止其从端基开始解聚。称为均聚甲醛。均聚甲醛。2.与少量二氧五环共聚与少量二氧五环共聚，引入，引入 OCH2OCH2CH2 链节，使聚甲醛降解之此即链节，使聚甲醛降解之此即停止。称为停止。称为共聚甲醛共聚甲醛。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合（3）四氢呋喃的阳离子开环聚合）四氢呋喃的阳离子开环聚合 四氢呋喃是五元环四氢呋喃是五元环，环张力较小，聚合活性较，环张力较小，聚合活性较低。因此对引发剂的选择和单体的精制要求较高。低。因此对引发剂的选择和单体的精制要求较高。例如以例如以五氟化磷五氟化磷为催化

16、剂，在为催化剂，在30聚合聚合6小时，小时，分子量为分子量为30万左右；而以万左右；而以五氯化锑五氯化锑作催化剂时，聚作催化剂时，聚合速率和分子量要低的得多。合速率和分子量要低的得多。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 少量少量环氧乙烷环氧乙烷可用作四氢呋喃开环聚合的促进可用作四氢呋喃开环聚合的促进剂。剂。Lewies 酸络合物直接引发四氢呋喃开环速率较酸络合物直接引发四氢呋喃开环速率较慢，但很容易引发高活性的环氧乙烷开环，形成慢，但很容易引发高活性的环氧乙烷开环，形成氧氧鎓离子鎓离子，这些氧鎓离子能增加四氢呋喃生成三级氧，这些氧鎓离子能增加四氢呋喃生成三级氧鎓离子的能力，从而加速其开环

17、聚合。鎓离子的能力，从而加速其开环聚合。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合2.己内酰胺的阴离子开环聚合己内酰胺的阴离子开环聚合 己内酰胺是七元杂环，有一定的环张力，有开己内酰胺是七元杂环，有一定的环张力，有开环聚合的倾向。最终产物中线性聚合物与环状单体环聚合的倾向。最终产物中线性聚合物与环状单体并存，相互构成平衡，其中环状单体约占并存，相互构成平衡，其中环状单体约占810%。己内酰胺可以用酸、碱或水来引发开环聚合己内酰胺可以用酸、碱或水来引发开环聚合。阳离子聚合引发时，转化率和分子量都不高，无实阳离子聚合引发时，转化率和分子量都不高，无实用价值。用价值。7.3.8 7.3.8 开环聚合开

18、环聚合 工业上主要采用两种引发剂，一是水，用以合工业上主要采用两种引发剂，一是水，用以合成尼龙成尼龙6 纤维，属于逐步聚合机理；二是碱金属纤维，属于逐步聚合机理；二是碱金属或或其衍生物，属于阴离子开环聚合机理，引发后的其衍生物，属于阴离子开环聚合机理，引发后的预聚体可直接铸入模内制成铸件，故称预聚体可直接铸入模内制成铸件，故称铸型尼龙。铸型尼龙。己内酰胺的阴离子开环聚合机理如下：己内酰胺的阴离子开环聚合机理如下：7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 首先，己内酰胺与碱金属或衍生物反应，形成首先，己内酰胺与碱金属或衍生物反应，形成内酰胺阴离子活性种内酰胺阴离子活性种(I)。这是一个平衡反应，

19、必须真空除去副产物这是一个平衡反应，必须真空除去副产物BH，使平衡向右移动。然后，内酰胺阴离子与单体反应使平衡向右移动。然后，内酰胺阴离子与单体反应而开环，生成活泼的而开环，生成活泼的胺阴离子胺阴离子(II)。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 胺阴离子胺阴离子(II)无共轭作用，较活泼，很快夺取无共轭作用，较活泼，很快夺取另另一单体己内酰胺分子上的一个质子，生成二聚体，一单体己内酰胺分子上的一个质子，生成二聚体，同时再生内酰胺阴离子同时再生内酰胺阴离子(I)。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 增长反应首先是活性较高的增长反应首先是活性较高

20、的N酰化内酰胺与内酰化内酰胺与内酰胺阴离子反应，使酰胺阴离子反应，使N酰化内酰胺开环。酰化内酰胺开环。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 反应产物很快再与单体发生质子交换反应，再生反应产物很快再与单体发生质子交换反应，再生出内酰胺阴离子出内酰胺阴离子(I)。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 可见，己内酰胺阴离子聚合有两个与其它聚合可见，己内酰胺阴离子聚合有两个与其它聚合明显不同的特点：明显不同的特点：活性中心不是自由基、阴离子或阳离子，而活性中心不是自由基、阴离子或阳离子，而是酰化的环酰胺键；是酰化的环酰胺键；不是单体加成到活性链上，而是单体阴离子不是单体加成到活性链上，而是单体

21、阴离子加成到活性链上。加成到活性链上。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 基于上述特点，基于上述特点，己内酰胺的开环聚合反应速率与己内酰胺的开环聚合反应速率与单体浓度无关，而与活化单体（内酰胺阴离子）浓度单体浓度无关，而与活化单体（内酰胺阴离子）浓度有关有关，亦即与引发剂碱性物质的浓度有关。，亦即与引发剂碱性物质的浓度有关。酰化的内酰胺比较活泼，是聚合的活性中心，因酰化的内酰胺比较活泼，是聚合的活性中心，因此可以采用此可以采用酰氯、酸酐、异氰酸酯等酰化剂酰氯、酸酐、异氰酸酯等酰化剂与单体反与单体反应，使己内酰胺先形成应，使己内酰胺先形成N-酰化己内酰胺酰化己内酰胺。这样可消除。这样可消除

22、诱导期，加速反应，缩短聚合周期。诱导期，加速反应，缩短聚合周期。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合3.环硅氧烷的开环聚合环硅氧烷的开环聚合 聚硅氧烷是一类聚硅氧烷是一类半有机高分子材料半有机高分子材料，具有耐高，具有耐高温、耐化学品的特点，主要产品有温、耐化学品的特点，主要产品有硅油、硅橡胶和硅油、硅橡胶和硅树脂硅树脂。原料是氯硅烷，如。原料是氯硅烷，如二甲基二氯硅烷二甲基二氯硅烷。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 氯硅烷水解速率很快，生成的硅醇难以分离，氯硅烷水解速率很快，生成的硅醇难以分离，只是反应的中间产物。碱性条件下水解时有利于形只

23、是反应的中间产物。碱性条件下水解时有利于形成分子量较高的线性聚合物；酸性条件下水解有利成分子量较高的线性聚合物；酸性条件下水解有利于形成环状或低分子量线性聚合物。于形成环状或低分子量线性聚合物。酸性条件下水解形成的环状硅氧烷一般为八元酸性条件下水解形成的环状硅氧烷一般为八元环（环（八甲基环四硅氧烷八甲基环四硅氧烷）或六元环（）或六元环（六甲基环三硅六甲基环三硅氧烷氧烷），再经过阳离子或阴离子开环聚合，可以得），再经过阳离子或阴离子开环聚合，可以得到超高分子量的聚硅氧烷，用作硅橡胶。到超高分子量的聚硅氧烷，用作硅橡胶。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 碱金属氢氧化物或烷氧化物碱金属氢氧化

24、物或烷氧化物是环状硅氧烷的常是环状硅氧烷的常用阴离子引发剂，可使硅氧键断裂，形成硅氧阴离用阴离子引发剂，可使硅氧键断裂，形成硅氧阴离子活性种，环状单体插入子活性种，环状单体插入 离子键中增长。离子键中增长。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 强质子酸或强质子酸或 Lewis 酸酸也可使硅氧烷开环聚合，活也可使硅氧烷开环聚合，活性种是硅烷阳离子性种是硅烷阳离子 ，环状单体插入而增，环状单体插入而增长；也可形成氧鎓离子而后重排成硅阳离子。长；也可形成氧鎓离子而后重排成硅阳离子。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合4.羰基化合物的聚合羰基化合物的聚合 羰基化合物中的羰基极性较大，有异裂倾向

25、，适羰基化合物中的羰基极性较大，有异裂倾向，适合于离子聚合合于离子聚合。甲醛甲醛结构简单，既可进行阴离子聚合又可进行阳结构简单，既可进行阴离子聚合又可进行阳离子聚合，是这类化合物的代表。但其精制困难，往离子聚合，是这类化合物的代表。但其精制困难，往往先制成预聚物往先制成预聚物三聚甲醛三聚甲醛，再开环聚合。，再开环聚合。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 乙醛以上的高级醛类乙醛以上的高级醛类，由于烷基的位阻效应，聚，由于烷基的位阻效应，聚合热降低。例如乙醛的聚合热仅为合热降低。例如乙醛的聚合热仅为29 kJ/mol，因而，因而聚合上限很低，仅聚合上限很低，仅31，产物分子量很低，无实用，产

26、物分子量很低，无实用价值。同时甲基的诱导效应，使羰基氧上的电子云密价值。同时甲基的诱导效应，使羰基氧上的电子云密度增加，降低了活性种的稳定性，对聚合不利。因此度增加，降低了活性种的稳定性，对聚合不利。因此乙醛以上的高级醛类都不能聚合。乙醛以上的高级醛类都不能聚合。7.3.8 7.3.8 开环聚合开环聚合 丙酮丙酮分子上两个甲基导致的位阻效应和诱导效分子上两个甲基导致的位阻效应和诱导效应，使其不能聚合。应，使其不能聚合。醛上的氢被卤素原子所取代，由于卤素的吸电醛上的氢被卤素原子所取代，由于卤素的吸电子性，使氧上的负电荷密度分散，活性种得到稳子性，使氧上的负电荷密度分散，活性种得到稳定，容易被弱碱引发阴离子聚合。如定，容易被弱碱引发阴离子聚合。如三氯乙醛、三三氯乙醛、三氟乙醛氟乙醛都容易聚合。都容易聚合。