阴离子聚合.ppt
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1、引言引言(introduction)离子聚合离子聚合阳离子聚合阳离子聚合阴离子聚合阴离子聚合根据活性中心根据活性中心的电荷性质的电荷性质反应机理及动力学与自由基聚合相比不成熟反应机理及动力学与自由基聚合相比不成熟第五章离子聚合与配位聚合第五章离子聚合与配位聚合离子聚合活性中心离子聚合活性中心离子离子(ion)或离子对或离子对(ionpair)连锁聚合连锁聚合 (Chain polymerization)自由基聚合自由基聚合离子聚合离子聚合1.l离子聚合的特点离子聚合的特点l1 1、离子聚合对单体有较高的选择性、离子聚合对单体有较高的选择性带有带有带有带有1,1-1,1-二烷基、烷氧基等推电子基
2、的单体才能进二烷基、烷氧基等推电子基的单体才能进二烷基、烷氧基等推电子基的单体才能进二烷基、烷氧基等推电子基的单体才能进行阳离子聚合行阳离子聚合行阳离子聚合行阳离子聚合具有腈基、羰基等强吸电子基的单体才能进行阴离具有腈基、羰基等强吸电子基的单体才能进行阴离具有腈基、羰基等强吸电子基的单体才能进行阴离具有腈基、羰基等强吸电子基的单体才能进行阴离子聚合子聚合子聚合子聚合羰基化合物、杂环化合物,大多属离子聚合羰基化合物、杂环化合物,大多属离子聚合羰基化合物、杂环化合物,大多属离子聚合羰基化合物、杂环化合物,大多属离子聚合一些重要的聚合物,如丁基橡胶、异戊橡一些重要的聚合物,如丁基橡胶、异戊橡胶、聚甲
3、醛、聚氯醚等只能通过离子聚合胶、聚甲醛、聚氯醚等只能通过离子聚合得到。得到。2.2 2、聚合温度、聚合温度 离子聚合的活化能较自由基聚合低,可以在低温如离子聚合的活化能较自由基聚合低,可以在低温如00以下,以下,甚至甚至-70-100-70-100下进行。若温度过高,聚合速率过快,有可能产下进行。若温度过高,聚合速率过快,有可能产生爆聚。同时,离子型活性中心具有发生如离子重排、链转移等副生爆聚。同时,离子型活性中心具有发生如离子重排、链转移等副反应的倾向,低的聚合温度可减少这些竞争副反应的发生。反应的倾向,低的聚合温度可减少这些竞争副反应的发生。3 3、聚合机理、聚合机理 离子聚合的引发活化能
4、较自由基聚合低,因此与自由基聚合的离子聚合的引发活化能较自由基聚合低,因此与自由基聚合的慢引发不同,离子聚合是快引发。自由基聚合中链自由基相互作用慢引发不同,离子聚合是快引发。自由基聚合中链自由基相互作用可进行双基终止,但离子聚合中,增长链末端带有同性电荷,不会可进行双基终止,但离子聚合中,增长链末端带有同性电荷,不会发生双基终止,只能发生单基终止。发生双基终止,只能发生单基终止。4 4、聚合方法、聚合方法 自由基聚合可以在水介质中进行,但水对离子聚合的引发剂和自由基聚合可以在水介质中进行,但水对离子聚合的引发剂和链增长活性中心有失活作用,因此离子聚合一般采用溶液聚合,偶链增长活性中心有失活作
5、用,因此离子聚合一般采用溶液聚合,偶有本体聚合,而不能进行乳液聚合和悬浮聚合。有本体聚合,而不能进行乳液聚合和悬浮聚合。3.5 5、活性中心的存在形式、活性中心的存在形式 离子聚合的链增长活性中心带电荷,为了保持电中性,离子聚合的链增长活性中心带电荷,为了保持电中性,在增长活性链近旁有一个带相反电荷的离子存在,称之为在增长活性链近旁有一个带相反电荷的离子存在,称之为反反离子离子或或抗衡离子抗衡离子。这种离子和反离子形成的。这种离子和反离子形成的离子对离子对在反应介在反应介质中能以几种形式存在,可以是共价键、离子对乃至自由离质中能以几种形式存在,可以是共价键、离子对乃至自由离子,以阳离子聚合为例
6、:子,以阳离子聚合为例:共价键合共价键合 紧密离子对紧密离子对 疏松离子对疏松离子对 自由离子自由离子 4.离子聚合的应用:离子聚合的应用:理论上,有较强的控制大分子链结构的能理论上,有较强的控制大分子链结构的能力,通过离子聚合可获得力,通过离子聚合可获得”活性聚合物活性聚合物”(living polymer),可以有目的的分子设,可以有目的的分子设计,合成具有预想结构和性能的聚合物:如计,合成具有预想结构和性能的聚合物:如树形、星形等。树形、星形等。工业生产中,利用离子聚合生产了许多性工业生产中,利用离子聚合生产了许多性能优良的聚合物,如丁基橡胶(异丁烯与少能优良的聚合物,如丁基橡胶(异丁烯
7、与少量异戊二烯)、异戊橡胶、量异戊二烯)、异戊橡胶、SBS塑性橡胶等。塑性橡胶等。5.反应通式:反应通式:阴离子活性种,一般由亲核试剂阴离子活性种,一般由亲核试剂(nucleophile)提供;提供;活性中心是活性中心是C-(碳阴离子)碳阴离子)阴离子聚合应用比阳离子多,应用广泛。由于具有活性无阴离子聚合应用比阳离子多,应用广泛。由于具有活性无終止的特点,可以制备嵌段共聚物。終止的特点,可以制备嵌段共聚物。5.1阴离子聚合阴离子聚合(anionic polymerization)反离子,一般为金属离子反离子,一般为金属离子(metallic ion)。6.(1)带吸电子取代基的乙烯基单体)带吸
8、电子取代基的乙烯基单体 一方面,吸电子性能能使双基上电子云密度降低,有利一方面,吸电子性能能使双基上电子云密度降低,有利于阴离子的进攻,另一方面,形成的碳阴离子活性中心由于于阴离子的进攻,另一方面,形成的碳阴离子活性中心由于取代基的共轭效应而稳定,因而易阴离子聚合:取代基的共轭效应而稳定,因而易阴离子聚合:降低电子云密度,易降低电子云密度,易与富电性活性种结合与富电性活性种结合分散负电性,稳定活性中心分散负电性,稳定活性中心一一.阴离子聚合的单体阴离子聚合的单体实际上除了是吸电子取代基而且还要形成实际上除了是吸电子取代基而且还要形成 共轭共轭7.但对于一些同时具有但对于一些同时具有给电子给电子
9、p-共轭效应共轭效应的吸电子取代的吸电子取代基单体,由于基单体,由于p-给电子共轭效应减弱了吸电子诱导效应对给电子共轭效应减弱了吸电子诱导效应对双键电子云密度的降低程度,因而不易受阴离子的进攻,双键电子云密度的降低程度,因而不易受阴离子的进攻,不易阴离子聚合。如:不易阴离子聚合。如:(2)羰基化合物)羰基化合物:如:如HCHO8.(3)杂环化合物)杂环化合物:一般是一些一般是一些含氧含氧、氮等杂原子氮等杂原子的环状化合的环状化合物物如:如:9.阴离子聚合单体阴离子聚合单体 阴阴离离子子聚聚合合单单体体主主要要是是带带吸吸电电子子取取代代基基的的-烯烯烃烃和和共共轭轭烯烯烃烃,根据它们的聚合活性
10、分为四组:根据它们的聚合活性分为四组:A A组(高活性):组(高活性):偏二氰乙烯偏二氰乙烯 a-a-氰基丙烯酸乙酯氰基丙烯酸乙酯 硝基乙烯硝基乙烯 B B组(较高活性):组(较高活性):丙烯腈丙烯腈 甲基丙烯腈甲基丙烯腈 甲基丙烯酮甲基丙烯酮10.C C组(中活性):组(中活性):丙烯酸甲酯丙烯酸甲酯 甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯D D组(低活性):组(低活性):苯乙烯苯乙烯 甲基苯乙烯甲基苯乙烯 丁二烯丁二烯 异戊二烯异戊二烯 乙烯基单体,取代基的吸电子能力越强,双键上的电子云密度乙烯基单体,取代基的吸电子能力越强,双键上的电子云密度越低,越易与阴离子活性中心加成,聚合反应活性越高。越低,
11、越易与阴离子活性中心加成,聚合反应活性越高。11.阴离子聚合引发剂阴离子聚合引发剂电子给体,即亲核电子给体,即亲核试剂,属于碱类。试剂,属于碱类。按引发剂种类按引发剂种类按引发机理按引发机理 电电 子子 转转 移移 引引 发发阴离子加成引发阴离子加成引发分子型引发分子型引发直接转移引发直接转移引发间接转移引发间接转移引发碱金属碱金属有机金属化合物有机金属化合物Lewis 碱(供电子)碱(供电子)二二.阴离子聚合引发体系和引发阴离子聚合引发体系和引发12.(1)碱金属引发(电子转移类)碱金属引发(电子转移类)Li、Na、K外层只有一个价电子,容易转移给单体或外层只有一个价电子,容易转移给单体或中
12、间体,生成阴离子引发聚合中间体,生成阴离子引发聚合分为(a)电子直接转移引发电子直接转移引发电子直接转移引发电子直接转移引发 (b)电子间接转移引发电子间接转移引发电子间接转移引发电子间接转移引发13.(a)(a)电子直接转移引发电子直接转移引发电子直接转移引发电子直接转移引发单体自由基阴离子单体自由基阴离子双阴离子活性中心双阴离子活性中心碱金属不溶于溶剂,属非均相体系,利用率低碱金属不溶于溶剂,属非均相体系,利用率低碱金属不溶于溶剂,属非均相体系,利用率低碱金属不溶于溶剂,属非均相体系,利用率低然后进行双向链增长然后进行双向链增长Na CH CH2XCH2 CHXNa+CH2 CHXNa 或
13、或14.碱金属将电子转移给中间体,形成自由基阴离子,再将活性转移碱金属将电子转移给中间体,形成自由基阴离子,再将活性转移碱金属将电子转移给中间体,形成自由基阴离子,再将活性转移碱金属将电子转移给中间体,形成自由基阴离子,再将活性转移给单体,如给单体,如给单体,如给单体,如萘钠在萘钠在萘钠在萘钠在THFTHF中引发中引发中引发中引发StStTHF(b)电子间接转移引发电子间接转移引发15.(红色)(红色)(红色)(红色)(绿色)(绿色)(绿色)(绿色)(红色)(红色)(红色)(红色)萘钠在极性溶剂中是均相体系,碱金属的利用率高萘钠在极性溶剂中是均相体系,碱金属的利用率高萘钠在极性溶剂中是均相体系
14、,碱金属的利用率高萘钠在极性溶剂中是均相体系,碱金属的利用率高16.主要有:主要有:金属氨基化合物(金属氨基化合物(MtNH2)、醇盐()、醇盐(RO-)、酚盐()、酚盐(PhO-)、)、有机金属化合物(有机金属化合物(如正丁基锂如正丁基锂C4H9Li或或LiBu)、)、格氏试剂(格氏试剂(RMgX)等。等。(2)阴离子加成引发)阴离子加成引发-单阴离子活性中心:单阴离子活性中心:引发剂离解产生的阴离子与单体加成引发聚合反应:引发剂离解产生的阴离子与单体加成引发聚合反应:17.(a)金属氨基化合物)金属氨基化合物 是研究得最早的一类引发剂是研究得最早的一类引发剂是研究得最早的一类引发剂是研究得
15、最早的一类引发剂 主要有主要有主要有主要有 NaNH NaNH2 2(氨基化钠氨基化钠)液氨、液氨、液氨、液氨、KNHKNH2 2 液氨液氨液氨液氨 体系体系体系体系形成自由阴离子形成自由阴离子形成自由阴离子形成自由阴离子18.醇(酚)盐醇(酚)盐一般先让金属与醇(酚)反应制得醇(酚)盐,然后再一般先让金属与醇(酚)反应制得醇(酚)盐,然后再加入聚合体系引发聚合反应。如:加入聚合体系引发聚合反应。如:2 Na+2 CH3OH 2 CH3ONa+H2(b)醇盐、酚盐:)醇盐、酚盐:19.(c)有机金属化合物:)有机金属化合物:有机金属化合物有机金属化合物是最常用的阴离子聚合引发剂。多为是最常用的
16、阴离子聚合引发剂。多为碱金属的有机金属化合物碱金属的有机金属化合物(如丁基锂),(如丁基锂),Ca和和Ba的有机金的有机金属化合物也具引发活性,但不常用。属化合物也具引发活性,但不常用。有机金属化合物的活性与其金属的电负性有关,金属的电负有机金属化合物的活性与其金属的电负性有关,金属的电负性越小,活性越高。性越小,活性越高。20.(d)格氏试剂:)格氏试剂:烷基卤化镁烷基卤化镁RMgX由于其由于其C-Mg键极性弱,不能直键极性弱,不能直接引发阴离子聚合,但制成格氏试剂后使接引发阴离子聚合,但制成格氏试剂后使C-Mg键的键的极性增大,可以引发活性较大的单体聚合。极性增大,可以引发活性较大的单体聚
17、合。以丁基锂和萘钠最为重要也最为常用的引用剂。以丁基锂和萘钠最为重要也最为常用的引用剂。21.阴离子聚合与自由基聚合相比,单体对引发剂阴离子聚合与自由基聚合相比,单体对引发剂有较强的选择性,只有当引发剂与单体活性相有较强的选择性,只有当引发剂与单体活性相匹配才能得到所需的聚合物匹配才能得到所需的聚合物。三三.阴离子聚合引发阴离子聚合引发剂和单体的匹配剂和单体的匹配 强碱性高活性引发剂能引发各种活性的单体,而弱碱强碱性高活性引发剂能引发各种活性的单体,而弱碱性低活性引发剂只能引发高活性的单体。性低活性引发剂只能引发高活性的单体。22.苯乙烯在自由基聚合是活性单体,在阴离子聚合成低活性单体?苯乙烯
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