西安交大高分子化学公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx
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1、Chapt.3 自由基聚合自由基聚合 (Free Radical Polymerization)本章主要内容:本章主要内容:连锁聚合单体连锁聚合单体 自由基聚合机理及特性自由基聚合机理及特性 引起剂类型及引起机理引起剂类型及引起机理 聚合速率控制聚合速率控制 分子量控制分子量控制 第1页第1页连锁聚合历程连锁聚合历程(活性中心活性中心 基元反应基元反应)链链引起引起:*链增长链增长:*链终止链终止:整整个个过过程程瞬瞬间间完完成成(Chain initiation)活性中心活性中心:自由基、自由基、阴阳离子阴阳离子第2页第2页3.1 连锁聚合连锁聚合单体单体(monomer)3.1.1 连锁聚
2、合连锁聚合单体种类单体种类(三种三种)1.含含 多数多数烯类烯类单体单体 2.羰基羰基化合物化合物 e.g:第3页第3页3.含含 C-杂原子键杂原子键杂环杂环化合物化合物 开环聚合,离子聚合(机理)开环聚合,离子聚合(机理)第4页第4页3.1.2 取代取代基基对对烯类单体烯类单体聚合类型选择性聚合类型选择性影响影响影响原因:单体本身化学影响原因:单体本身化学结构结构 取代基取代基电子电子效应、空间效应效应、空间效应 诱导效应诱导效应 共轭效应共轭效应 位阻位阻效应效应第5页第5页 若若X 是是H,即,即CH2=CH2。结构。结构对称对称,不利于不利于活性种活性种 攻打。攻打。(1)X 是是供电
3、基团供电基团 e.g:R,OR 阳离子聚合阳离子聚合A+d d-1.单单取代取代不不饱饱和和烯烃烯烃第6页第6页阳离子聚合,阳离子聚合,d d-足够足够大大取代基要有取代基要有足够足够供电性供电性 不能阳离子聚合不能阳离子聚合d d-超共轭效应超共轭效应供电性供电性弱弱异丁烯异丁烯能够阳离子聚合能够阳离子聚合第7页第7页(2)X是吸电基团是吸电基团 e.g:NO2,CN,COOH,阴离子聚合阴离子聚合 大部分也能自由基聚合大部分也能自由基聚合B-第8页第8页自由基聚合自由基聚合 活性种是活性种是 R,电中性,性质与阴离子更为相同,电中性,性质与阴离子更为相同(含有含有亲核性亲核性),更,更易与
4、双键电子云密度易与双键电子云密度较低较低烯类反应。烯类反应。e.g:不少单体既能阴离子聚合,又能自由基聚合,但假如取代基不少单体既能阴离子聚合,又能自由基聚合,但假如取代基吸电吸电性性太强太强,d+过大过大(NO2),则只能,则只能阴离子聚合阴离子聚合。假如吸电子作用比较假如吸电子作用比较弱弱,则不能进行阴离子聚合,则不能进行阴离子聚合。第9页第9页阴离子聚合,取代基需有阴离子聚合,取代基需有足够吸电性足够吸电性,d d+足够大足够大.当当 X 是是Cl,OCOCH3e.g:只能阴离子聚合只能阴离子聚合d d-d d+带带弱吸电子基团弱吸电子基团烯类单烯类单体体只能自由基聚合只能自由基聚合:第
5、10页第10页B-A+d-d+R三三种种聚聚合合机机理理(3)共轭共轭烯类单体烯类单体动态共轭效应动态共轭效应诱导诱导极化极化n 取代基共轭效应:电子云流动性大,易诱导极化,可随进攻试剂性质不同而取不同电子云流向,可进行各种机理连锁聚合反应.第11页第11页R第12页第12页 单取代烯烃单取代烯烃 只考虑只考虑电子效应电子效应 e.g:N-乙烯基吡咯烷酮乙烯基吡咯烷酮 自由基聚合自由基聚合无位阻效应无位阻效应2.双取代双取代烯烃烯烃(取代基体积、位置)(取代基体积、位置)第13页第13页 双取代烯烃取代烯烃 (1)1,1-二取代二取代(2)1,2-二取代二取代 空间位阻大空间位阻大,普通不能均
6、聚,普通不能均聚 结构对称,电子效应往往互相抵消结构对称,电子效应往往互相抵消 3.多取代烯烃多取代烯烃 三、四取代,普通三、四取代,普通不能聚合不能聚合 *氟氟F代烯烃例外代烯烃例外:六氟丙烯,四氟乙烯,三氟氯乙烯六氟丙烯,四氟乙烯,三氟氯乙烯(取代基体积、位置)(取代基体积、位置)第14页第14页3.2 自由基聚合机理及自由基聚合机理及特性特性掌握四步基元反应写法、特点掌握四步基元反应写法、特点 理解自由基聚合反应特性理解自由基聚合反应特性 要求:要求:第15页第15页3.2.1 自由基自由基(free radical)1.自由基产生自由基产生 定义:定义:任何含有任何含有未配对电子未配对
7、电子物质,都可称为自由基。物质,都可称为自由基。e.g:原子自由基原子自由基 分子自由基分子自由基 O2分子中有两个成单电子分子中有两个成单电子 离子自由基离子自由基产生条件:产生条件:热解、氧化还原反应、光解、辐射热解、氧化还原反应、光解、辐射第16页第16页2.自由基反应自由基反应 聚合反应中涉及到自由基反应主要有四类:聚合反应中涉及到自由基反应主要有四类:(1)加成:)加成:(2)氧化)氧化-还原反应:还原反应:(3)偶合反应:)偶合反应:(4)歧化反应歧化反应第17页第17页3.2.2 自由基聚合基元反应自由基聚合基元反应 包括包括链引起、链增长、链终止、链转移链引起、链增长、链终止、
8、链转移 1.链引起链引起(Chain initiation):形成:形成单体自由基单体自由基活性中心反应活性中心反应.例例:第18页第18页链引起反应链引起反应(Chain initiation)包括两步包括两步(1)引起剂分解,形成)引起剂分解,形成初级自由基初级自由基(2)初级自由基初级自由基与单体加成,形成与单体加成,形成单体自由基单体自由基initiatormonomerfree radical第19页第19页链引起反应链引起反应能量分析能量分析:步步I分解分解(decomposition)是是吸热吸热反应,反应,需要加热、光照等条件需要加热、光照等条件提供能量提供能量;活化能活化能(
9、energy)较高,较高,Ed=105150kJ/mol;反应速率常数较小,反应速率常数较小,kd=10-410-6s-1。反应慢反应慢步活化能较低,步活化能较低,Ei=2034kJ/mol,反应速率较大反应速率较大 *第一步引起剂分解第一步引起剂分解是控制速率一步。是控制速率一步。第20页第20页2.链增长链增长(chain propagation)链增长反应是形成链增长反应是形成长链自由基长链自由基(RMn)过程。过程。第21页第21页链增长反应特点:链增长反应特点:(1)是)是多步加成多步加成反应,每步反应活化能及速率相称;反应,每步反应活化能及速率相称;(2)是)是放热放热反应,活化能
10、低,反应,活化能低,Ep=2034kJ/mol 反应速率极快,反应速率极快,kp=102104l/mols (3)链增长反应是链增长反应是形成大分子主要反应形成大分子主要反应。第22页第22页3.链终止(链终止(chain termination)普通普通均相聚合均相聚合体系,发生体系,发生双基终止双基终止。包括包括偶合偶合和和歧化歧化终止。终止。第23页第23页(1)偶合终止:()偶合终止:(combination)生成生成一个一个大分子大分子第24页第24页(2)歧化终止(歧化终止(disproportionation)e.g:生成生成两个两个大分子大分子第25页第25页链终止反应特点:链
11、终止反应特点:活化能低,活化能低,Et=821kJ/mol 速率不久,速率不久,kt=106108L/molskp=102104L/mols kd=10-410-6s-1Ed=105150kJ/molEp=2034kJ/mol 第26页第26页4.链转移反应(链转移反应(chain transfer reaction)(1)定义:将)定义:将链自由基链自由基活性种活性种转移给另一分子转移给另一分子,而本来活性种本身却,而本来活性种本身却终止反应。终止反应。链自由基有也许从单体链自由基有也许从单体M、溶剂、溶剂S、引起剂、引起剂I等低分子或等低分子或已形成大分子已形成大分子P上夺取一个原子而终止
12、,并使这些失去原子分子形上夺取一个原子而终止,并使这些失去原子分子形成新自由基。成新自由基。(2)反应通式:)反应通式:(3)形成新自由基)形成新自由基 S,使聚合度减少。使聚合度减少。第27页第27页3.3 引起剂及链引起反应引起剂及链引起反应(Chain initiation)重重点点内内容容 n典型引起剂典型引起剂(initiator)n引起反应式引起反应式第28页第28页3.3.1 引起剂类型及分解反应引起剂类型及分解反应n 依据自由基产生方式不同,可将引发剂分为两大类:n 热分解型、氧化还原型第29页第29页依据引起剂依据引起剂结构特点结构特点,可分为三大类:可分为三大类:(2)过氧
13、化物过氧化物引起剂引起剂(1)偶氮类偶氮类引起剂引起剂(3)氧化还原氧化还原引起体系引起体系第30页第30页1.结构特性:结构特性:分子结构上含有分子结构上含有弱键弱键,受热(,受热(40 100)易分解产生自由基。)易分解产生自由基。3.3.1.1 热分解热分解型引起剂(中、高温使用)型引起剂(中、高温使用)化学键化学键键能键能(kJ/mol)化学键化学键键能键能(kJ/mol)C-H413.4O-O138.9H-H436.0C-N291.6C-C347.7C-O351.5C=C607C-Cl328.4偶氮键偶氮键 过氧键过氧键化学键键能比较化学键键能比较第31页第31页1.1.偶氮类偶氮类
14、 通式:通式:e.g:偶氮二异丁腈偶氮二异丁腈(azobisisobutyronitrile,AIBN)通常通常烷基烷基结构中有极性取代基结构中有极性取代基(如:如:CN,COOH)。60t1/2=10h普通在普通在4565下使用下使用 第32页第32页 是一个油溶性偶氮引起剂,比是一个油溶性偶氮引起剂,比AIBN活泼活泼偶氮二异庚腈偶氮二异庚腈10h半衰期分解温度:半衰期分解温度:51(在甲苯中)(在甲苯中)第33页第33页2.有机过氧类有机过氧类(Peroxides)(1)通式:)通式:(2)有机过氧类:)有机过氧类:R烷基,烷基,RH(氢氢过氧化物)过氧化物)t1/2=10h133第34
15、页第34页t1/2=10h115R R酰基酰基t1/2=10h73 过氧化二苯甲酰过氧化二苯甲酰(dibenzoyl peroxide,BPO)t1/2=10h171第35页第35页3.无机过氧类无机过氧类 K2S2O8 过硫酸钾过硫酸钾(NH4)2S2O8 过硫酸铵过硫酸铵 ammonium persulfate(APS)H2O2 双氧水双氧水,过氧化氢过氧化氢特点:特点:水溶性水溶性;使用温度高,;使用温度高,70无机过氧化物由于分解活化能高,较少单独使用。无机过氧化物由于分解活化能高,较少单独使用。离子自由基离子自由基Ed=220kJ/mo1 Ed=140kJ/mo1 第36页第36页3
16、.3.1.2 氧化氧化-还原引起体系还原引起体系通过氧化还原反应产生自由基通过氧化还原反应产生自由基(-1020,活化能,活化能4060kJ/mol)过氧化物过氧化物+还原剂还原剂注意:注意:还原剂不能过量还原剂不能过量,用量小于氧化剂用量用量小于氧化剂用量ROOH第37页第37页1.水溶性体系水溶性体系 氧化剂:氧化剂:还原剂:还原剂:,NaHSO3,草酸等第38页第38页氧化剂:有机过氧化物氧化剂:有机过氧化物还原剂:还原剂:叔胺叔胺、环烷酸盐环烷酸盐、硫醇、有机金属化合物、硫醇、有机金属化合物典型反应:典型反应:BPO+叔胺叔胺A1(C2H5)3、B(C2H5)3等等 2.油溶性体系油溶
17、性体系 N,N-二甲基苯胺二甲基苯胺应用举例:应用举例:不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂固化固化第39页第39页有机过氧化物有机过氧化物+低价盐低价盐低价盐(还原剂):低价盐(还原剂):Fe2+,Cr3+,V2+,Cu+等等油溶性体系油溶性体系环烷酸盐环烷酸盐萘酸盐萘酸盐第40页第40页原材料原材料热热法丁苯法丁苯冷冷法丁苯法丁苯丁二烯丁二烯7572苯乙烯苯乙烯2528叔十二碳硫醇叔十二碳硫醇0.160.50引起剂K2S2O8特丁基过氧化氢特丁基过氧化氢硫酸亚铁硫酸亚铁反应温度反应温度505(CH3)3COOH乳液聚合法生产丁苯橡胶乳液聚合法生产丁苯橡胶第41页第41页3.3.2 引起剂分解动力学
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