Слайд 1СИНТЕЗ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
мономеры
макромолекула
ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
Полимеризация – процесс получения высокомолекулярных соединений, при котором макромолекула
образуется путем присоединения молекул одинаковых или различных низкомолекулярных веществ (мономеров) к растущему активному центру.
Это цепная реакция, в которой развитие кинетической цепи сопровождается ростом материальной цепи макромолекулы.
Слайд 2Новые возможности радикальной полимеризации в контролируемом синтезе макромолекул
Классическая радикальная полимеризация
инициирование I
→ 2 R1 .
R1 . + M → P .
рост P . + nM → Pn+1 .
обрыв Pp . + Pn. → P
передача P . + SH → PH +S .
Слайд 3Возможности контролируемой радикальной
полимеризации
Контроль скорости полимеризации и ММР
Макромолекулярный дизайн:
Контроль топологии макромолекул
линейная звездообразная дендритная циклическая
Контроль состава макромолекул
гомополимер
статистический сополимер
чередующийся сополимер
блок-сополимер
градиентный сополимер
привитой сополимер
Контролируемая функциональность макромолекул
Слайд 4Псевдоживая (контролируемая) радикальная полимеризация Reversible-deactivation radical polymerization
"Оживление" цепей и их участие
в дальнейшем росте идёт на протяжении всего процесса полимеризации
Идея: замена необратимого квадратичного обрыва на обратимый регулируемый
Мономер тот же или другие, полимеризующиеся по радикальному механизму
Слайд 51. Обратимое ингибирование
Способы "оживления" макромолекул
Стабильные радикалы
радикал роста обратимо взаимодействует со стабильным
или малоактивным радикалом с образованием аддукта, содержащего лабильную концевую группу, способную отщепляться от конца цепи под действием нагревания или облучения
2,2,6,6-тетраметил-
пиперидил-N-оксил
Инифертеры
(initiator-transfer agent-terminator)
S-бензил-N,N-диэтилдитиокарбамат
Слайд 6Кобальт порфирины
Спиновые ловушки
метилнитрозопропан
фенилтретбутилнитрон
фенилазатрифенилметан
Слайд 72. Обратимый перенос атома
Способы "оживления" макромолекул
(ATRP)- англ.аббревиатура
макрорадикал обратимо взаимодействует со специальной
добавкой (катализатором) посредством окислительно-восстановительной реакции
в качестве катализатора используют соединение переходного металла, а в качестве инициатора обычно алкилгалогенид (чаще бромид), химическая структура которого близка к структуре полимеризующегося мономера
Слайд 8псевдоживая полимеризация с обратимой передачей цепи (ОПЦ) по механизму присоединения –
фрагментации
reversible addition – fragmentation chain transfer
(RAFT)
polymerization
Слайд 93. Обратимая передача цепи
Способы "оживления" макромолекул
радикал обратимо взаимодействует с агентом обратимой
передачи цепи, содержащим лабильный атом или группу атомов
Обратимая передача цепи
Кобальт порфирины
Органические соединения Te, Ti, As, Sb или Bi
Слайд 10Где в России исследуют закономерности псевдоживых процессов?
Слайд 11ИНИЦИИРОВАНИЕ
Инициирование – превращение небольшой доли молекул мономера в активные центры под
действием специально вводимых веществ (инициаторов и катализаторов) или излучения высоких энергий (радиационная полимеризация), или света (фотополимеризация) и др.
Радикальная полимеризация
1. Термический распад инициаторов
азоинициаторы: перекиси:
азо-бис-изобутиронитрил перекись бензоила
2. Фотохимическое инициирование
чистый мономер M+hν → M*
фотолитическая диссоциация инициаторов I+hν → I*
фотосенсибилизаторы (бензофенон) Z+hν → Z*
Z*+C → Z+C*
C* → R∙+R'∙
3. Инициирование окислительно-восстановительными системами
H2O2 + Fe2+→ HO- +HO∙ +Fe3+ реактив Фентона
ROOR + Fe2+→ RO- + RO∙ (Cr2+, V2+, Ti3+, Co2+)
RCH2OH + Ce4+ → RC∙HOH + H+ + Ce3+
-O3S-O-O-SO3- + S2O32- → SO42- +SO4∙ +S2O3∙
C6H5NR2 + C6H5CO(O)-OC(O)C6H5 → C6H5N+∙R2 + C6H5C(O)O∙ + C6H5C(O)O-
Слайд 12ДЛИНА КИНЕТИЧЕСКОЙ И МАТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕПИ
Кинетическая цепь ν – число молекул
мономера, присоединившихся к одному образовавшемуся радикалу Rn∙ до его гибели при обрыве цепи
Материальная цепь (среднечисловая степень полимеризации) Pn – число элементарных актов присоединения мономеров на один акт гибели радикала Rn∙ при обрыве и передаче цепи
Слайд 13В зависимости от природы активного центра и от механизма акта роста
цепи выделяют
РАДИКАЛЬНУЮ - активный центр - свободный радикал – частица с неспаренным электроном. (радикал роста, макрорадикал)
КАТИОННУЮ - концевой атом растущей цепи имеет полный положительный заряд
АНИОННУЮ - концевой атом растущей цепи имеет полный отрицательный заряд
КООРДИНАЦИОННО-ИОННУЮ - если противоион, входящий в состав активного центра, принимает участие в акте роста, образуя с присоединяющейся молекулой мономера координационный комплекс или циклическое переходное состояние
в радикальной полимеризации:
Виниловые мономеры CH2=CH-X
Винилиденовые мономеры CH2=C(X)-Y
X, Y - алкил, галоген, COOH, COOR, OCOR, CN, CONH2, C6H5, арил, −CH=CH2
- образуются высокомолекулярные продукты, если использованы:
- образуются олигомерные продукты, если использованы:
Аллиловые мономеры CH2=CH-CH2-X
Виниловые эфиры CH2=CH-OR
- не полимеризуются, если использованы :
Виниленовые мономеры CHX=CHX (за исключением X = F)
Соединения с кратной связью С = гетероатом
Слайд 15ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ И ЭНЕРГИЯ СВЯЗЕЙ
тепловой эффект химической реакции (ΔQ =
−ΔH) обусловлен изменением внутренней энергии системы, например, разрушаются одни связи и образуются другие, изменяются межмолекулярные взаимодействия и пр.
Полимеризация по двойной С=С связи
(исчезает 1 двойная связь и образуются 2 одинарных связей)
Тепловой эффект реакции при постоянном давлении:
Q = 2Dод – Dдв (D – энергия диссоциации связи)
Полимеризация по кратным связям
а) С = С
б) С = гетероатом (О)
( мало используют)
Полимеризация с раскрытием цикла
Слайд 16ТЕРМОДИНАМИКА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
При ΔG
системе устанавливается термодинамическое равновесие
Термодинамическая возможность образования макромолекул при постоянном давлении описывается уравнением изменения изобарно-изотермического потенциала реакционной системы G:
ΔG = ΔH - TΔS
ΔH – изменение энтальпии системы (ΔH = − ΔQ),
Т – абсолютная температура
ΔS – изменение энтропии системы
Слайд 17ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЕЛИЧИНУ Q:
при полимеризации виниловых мономеров:
1. Объемные боковые
заместители в мономерном звене ⇒ Q уменьшается
2. Уменьшение электронной плотности на двойной связи способствует снижению энергии двойной связи в мономере и, как следствие, ⇒ Q увеличивается
3. Увеличение энергии двойной связи вследствие сопряжения в мономере ⇒ Q уменьшается
При полимеризации с раскрытием цикла природа связей не изменяется и Q определяется напряженностью цикла (разность внутренних энергий цикла и линейной структуры), которая зависит от его размеров.
Полимеризация с раскрытием цикла
Слайд 18При полимеризации мономеров, двойная связь которых образована атомом углерода и гетероатомом,
закономерности изменения Q те же, но абсолютные значения Q меньше.
Полимеризация по двойной связи С=гетероатом
ЭТИЛЕН Q = 94.3 кДж/моль
CH2O Q = 69.9 кДж/моль
CH3CHO Q = 46.1 кДж/моль объемный заместитель
CF3CHO Q = 64.5 кДж/моль взаимодействие электронов заместителя и двойной связи
CCl3CHO Q = 68.7 кДж/моль
Слайд 19ЭТИЛЕН Q = 94.3 кДж/моль
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЕЛИЧИНУ Q:
1. Объемные боковые
заместители в полимерной цепи ⇒ Q уменьшается
Бутен-1 Q = 85.9 кДж/моль
Метилакрилат Q = 78.8 кДж/моль
Изобутилен Q = 54.5 кДж/моль
2. Взаимодействие электронов заместителя и двойной связи:
при уменьшении плотности электронов на двойной связи энергия двойной связи в мономере уменьшается ⇒ Q увеличивается
Винилхлорид Q = 130 кДж/моль
Винилиденфторид Q = 147 кДж/моль
Тетрафторэтилен Q = 172 кДж/моль
НО!!!
Винилиденхлорид Q = 101 кДж/моль (см. п.1)
3. Увеличение энергии диссоциации двойной связи вследствие сопряжения в мономере ⇒ Q уменьшается
Стирол Q = 75.8 кДж/моль
α-Метилстирол Q = 33.5 кДж/моль (см. п.1)
4. Сопряжение двойных связей в полимере ⇒ Q увеличивается
Ацетилен Q = 75.8 кДж/моль
Слайд 20ЭНТРОПИЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
Энтропия характеризует меру упорядоченности системы.
ΔS = ΔSпост. + ΔSвращ. +
ΔSколеб. + ΔSвн.вращ.
Уменьшение энтропии при полимеризации происходит главным образом вследствие:
- потери поступательных степеней свободы и вращательного движения молекул как целого,
- появления степени свободы внутренних вращений звеньев макромолекулы.
ΔS слабо зависит от химической природы виниловых и винилиденовых мономеров
При полимеризации гетероциклов свобода внутренних вращений при раскрытии цикла может увеличиться настолько, что перекроет эффект уменьшения свободы поступательного движения ⇒ ΔS может возрасти
ε-Капролактам ΔS = 4.6 Дж/моль⋅К
Стирол ΔS = - 196 Дж/моль⋅К
Слайд 21ВЕРХНЯЯ ПРЕДЕЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
В большинстве случаев при полимеризации ΔH < 0
и ΔS < 0 ⇒
с повышением температуры (Т) ΔG увеличивается
При определенной температуре, называемой верхней предельной температурой полимеризации (Тпр)
Тпр ⇒ ΔGТ = ΔHТ − ТпрΔSТ = 0 ⇒ Тпр = ΔHТ/ΔSТ
1. T<Тпр образование высокомолекулярного вещества термодинамически возможно.
2. T > Тпр более выгодна деполимеризация
3. Т=Тпр устанавливается полимеризационно– деполимеризационное равновесие.
α-Метилстирол Тпр = 67оС Q = 33.5 кДж/моль
Формальдегид (г) Тпр = 119оС Q = 69.9 кДж/моль
Метилметакрилат Тпр = 197оС Q = 58.2 кДж/моль
Тетрафторэтилен Тпр = 1097оС Q = 172 кДж/моль
Слайд 22НИЖНЯЯ ПРЕДЕЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
Если при полимеризации ΔH > 0 и ΔS
> 0 , то с увеличением температуры (Т) ΔG понижается
При температуре, называемой нижней предельной температурой полимеризации
Тпр ⇒ ΔGТ = ΔHТ − ТпрΔSТ = 0 ⇒ Тпр = ΔHТ/ΔSТ
1. T < Тпр более выгодна деполимеризация
2. T > Тпр идет полимеризация.
3. Т=Тпр устанавливается полимеризационно–деполимеризационное равновесие.
Сера, Селен
Слайд 23ПОЛИМЕРИЗАЦИОННО – ДЕПОЛИМЕРИЗАЦИОННОЕ РАВНОВЕСИЕ
между концентрациями мономера, макрорадикала Rn и
макрорадикала Rn+1
при
Т = Тпр ⇒ Vp = Vдеп
Допущения:
1) Степень полимеризации Pn>>1
2) Активность Rn* не зависит от Pn
Слайд 24Способность мономера к полимеризации наряду с термодинамическими факторами определяется и
кинетическими
факторами
Слайд 25РАДИКАЛЬНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
Основные стадии полимеризации:
Инициирование
Рост цепи необходимы для кинетической характеристики
Обрыв цепи
Передача цепи
Инициирование
– включает 2 элементарных акта:
а) генерирование радикалов R. из инициатора I
б) взаимодействие радикала R. с мономером
Часть радикалов R. может расходоваться на побочные реакции, для учета этого вводят параметр эффективности инициирования f, равный отношению числа радикалов, участвовавших в реакции (б) к числу радикалов, образовавшихся по реакции (а).
Скорость инициирования Vи = kи 2f [I]
Слайд 26ДЛИНА КИНЕТИЧЕСКОЙ И МАТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕПИ
Кинетическая цепь ν – число молекул
мономера, присоединившихся к одному образовавшемуся радикалу Rn∙ до его гибели при обрыве цепи
Материальная цепь (среднечисловая степень полимеризации) Pn – число элементарных актов присоединения мономеров на один акт гибели радикала Rn∙ при обрыве и передаче цепи
Слайд 27ДЛИНА КИНЕТИЧЕСКОЙ И МАТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕПИ
Кинетическая цепь ν – число молекул
мономера, присоединившихся к одному образовавшемуся радикалу Rn∙ до его гибели при обрыве цепи
Материальная цепь (среднечисловая степень полимеризации) Pn – число элементарных актов присоединения мономеров на один акт гибели радикала Rn∙ при обрыве и передаче цепи
Слайд 281. Термический распад инициаторов
азоинициаторы: перекиси:
азо-бис-изобутиронитрил перекись бензоила
2. Фотохимическое инициирование
3. Инициирование окислительно-восстановительными
системами
H2O2 + Fe2+→ HO- +HO∙ +Fe3+ реактив Фентона
C6H5NR2 + C6H5CO(O)-OC(O)C6H5 → C6H5N+∙R2 + C6H5C(O)O∙ + C6H5C(O)O-
Слайд 29МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
Допущения, принимаемые для вывода кинетических уравнений полимеризации
Малые конверсии
мономера
Pn >>1 (действительно идёт реакция полимеризации)
3. Активность растущих макромолекул не зависит от их степени полимеризации (принцип Флори)
4. Если время жизни активных частиц мало по сравнению со временем полимеризации ⇒ используют принцип квазистационарности – скорость инициирования равна скорости обрыва цепи
Слайд 30Рост цепи
Реакционная способность мономера и макрорадикала определяется
Сопряжением кратной сязи
с заместителем
Полярностью заместителя
Объёмом заместителя (стерический фактор)
Сопряжение с заместителем снижает активность макрорадикала в большей степени, чем повышает активность мономера.
АКТИВНЫЕ МОНОМЕРЫ: с большой энергией сопряжения (мономеры, у которых двойная связь сопряжена с ненасыщенной группой заместителя).
НЕАКТИВНЫЕ МОНОМЕРЫ: сопряжение отсутствует или его энергия мала.
Слайд 31ПРАВИЛО АНТИБАТНОСТИ: чем более активен мономер, тем менее активен образовавшийся из
него радикал, вследствие его стабилизации
Реакционная способность радикалов (и соответственно kp) уменьшается в ряду:
X = -OAlk > -OCOCH3 > -Alk > -COOCH3 > -CN > -CH=CH2 > -C6H5
16
Слайд 32Обрыв цепи
рекомбинация
а) квадратичный
диспропорционирование
Слайд 33б) обрыв на молекуле ингибитора
стабильные радикалы, которые при взаимодействии
с макрорадикалами, образуют неактивные молекулы (дифенилпикрилгидразил, 2,2,6,6-тетраметилпиперидил-N-оксил)
Слайд 34Передача цепи играет роль в регулировании длины материальной цепи (степени
полимеризации)
На растворитель (S)
На мономер (М)
Слайд 35Передача цепи играет роль в регулировании длины материальной цепи (степени
полимеризации)
На другую макромолекулу
Слайд 36
КИНЕТИКА РАДИКАЛЬНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
Поскольку мономер расходуется в основном на стадии роста, то
скорость этой реакции совпадает с общей скоростью полимеризации
Скорость полимеризации пропорциональна [I]0.5 и [M]
Скорость полимеризации увеличивается с ростом температуры при Т<<Тпр
Условие квазистационарности
Слайд 37
Доля обрыва цепей диспропорционированием
Доля обрыва цепей рекомбинацией 1-α
Слайд 38
Степень полимеризации уменьшается с ростом температуры при Т
М, обратно пропорциональна кв.корню из концентрации инициатора и обратно пропорциональна константе самопередачи цепи (передачи на мономер)
Слайд 40Инициирование: I2→ 2I∙
Вырожденная (деградационная) передача цепи на мономер, который превращается в
неактивный аллильный радикал, неспособный присоединять к себе мономер.
Скорость квадратичного обрыва радикалов в этих условиях много меньше скорости передачи цепи на мономер, поэтому условие квазистационарности записывается:
Vин=Vп kин[I]=kпм[R∙][M]
Должна быть, НО!!!
Полимеризация аллиловых мономеров.
Неактивный аллильный радикал
Мономер не участвует в полимеризации
Слайд 41
Полимеризация при термическом инициировании:
Vин=Vo kин[M]2=ko[R∙]2
Полимеризация в присутствии ингибитора
Vин=Vo
Слайд 42ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ НА ГЛУБОКИХ КОНВЕРСИЯХ
Стадии реакции обрыва:
Диффузия центров масс индивидуальных макрорадикалов
Сегментальная диффузия
активных концов макрорадикалов
Химическая реакция макрорадикалов с образованием макромолекулы
Слайд 44ИНИЦИИРОВАНИЕ
Анионная полимеризация
Инициируют металлалкилы, алкоксиды и амиды металлов, щелочи и другие
реагенты основного характера.
При использовании щелочных металлов или систем на основе щелочного металла с полициклическими углеводородами (дифенил, нафталин, антрацен) инициирование происходит по механизму переноса электрона. В результате образуются анион-радикалы мономера, которые рекомбинируют с образованием дианиона.
Слайд 45 Анионная полимеризация
Мономеры ( -C=C-)
Олефины с ярко выраженными электроноакцепторными
свойствами:
CH2=C(X)-Н (X - NO2, COOR, CN, C6H5, арил, −CH=CH2
C=О
Среди ненасыщенных кислородсодержащих мономеров высокую активность проявляют альдегиды
Циклические мономеры
циклические простые эфиры: под действием основных катализаторов полимеризуются лишь напряженные окиси 3 – 5-членные
циклические сложные эфиры (лактоны) и амиды (лактамы)
Слайд 46АНИОННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
Основные стадии полимеризации:
Инициирование
Рост цепи
Обрыв цепи
Передача цепи
Инициирование − присоединение к мономеру
:
а) части молекулы инициатора (A –B+) + M → AM- + B+ (алкилы, алкоксиды щелочных металлов)
Б) свободного аниона A- + M → AM- (NaNH2 в NH3 (жидк.))
в) перенос на молекулу мономера электрона с инициирующего анион-радикала A. + M → AM. (щелочные металлы с полициклическими ароматическими углеводородами )
Г)металла Ме + M → Ме+ + M. (щелочные металлы в эфирных растворителях)
часто отсутствуют, но характерны для полярных сред и полярных мономеров
Аналогично катионной полимеризации в анионной полимеризации могут участвовать несколько типов активных центров, находящихся в равновесии друг с другом.
Слайд 47Рост цепи
Rn-B+ + M → Rn+1-B+
Rn- (B)+
Rn-
( B)
+
-
B +
R
Присоединение мономера
Молекулы растворителя
Какие ионные пары более активные?
Влияние сольватирующей способности растворителя
Слайд 48Реакции обрыва в анионной полимеризации
1. перенос гидрид-иона с конца растущей цепи
на противоион (полимеризация акрилонитрила)
2. перенос гидрид-иона с конца растущей цепи на мономер (винилхлорид, винилиденхлорид, хлоропрен – перенос хлорид иона)
3. отрыв протона растущей цепью от растворителя (полимеризация стирола или бутадиена в толуоле или жидком аммиаке)
На мономер
Реакции обрыва в анионной полимеризации реализуются с очень большим трудом, они энергетически не выгодны
живые цепи
Слайд 49Полимеризация ненасыщенных углеводородов (стирол, диены)
отсутствие реакций кинетического обрыва цепи при незначительной
роли или полном отсутствии актов передачи цепи. → Живые цепи, способные к реакции роста вплоть до исчерпания мономера.
Кинетика такого процесса определяется соотношением констант скоростей инициирования kи и роста цепи kp.
При kи >> kp Vp = kp[M][I]0
Все цепи зарождаются практически одновременно. Образующиеся полимеры характеризуются узким ММР (Mw/Mn~1).
Pn=nq[M]0/[I]0,
q – конверсия, n – число растущих концов в макромолекуле (n=1 или 2).
При kи << kp процесс протекает нестационарно и образующиеся полимеры характеризуютя широким ММР.
Слайд 50 Катионная полимеризация
C=C
Полимеризуются только олефины с ярко выраженными электронодонорными свойствами
заместителей у кратной связи: простые виниловые эфиры, 1,1-дизамещенные этилены, стирол
Электронная плотность на кратных связях в большей мере влияет на активность мономеров, чем пространственные факторы.
C=О
Среди ненасыщенных кислородсодержащих мономеров высокую активность проявляют альдегиды: формальдегид
Циклические мономеры
Активность мономеров повышается с увеличением напряженности цикла: циклоалканы , циклические простые эфиры, циклические сложные эфиры (лактоны) и амиды (лактамы)
Слайд 51КАТИОННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
Основные стадии полимеризации:
Инициирование
Рост цепи
Обрыв цепи
Передача цепи
Инициирование – 1) образование первичных
активных частиц:
а) катионы, реагирующие свободно или в составе ионной пары
б) цвиттер-ионы (кислота Льюиса BF3 и мономер, содержащий гетероатом, например, триоксан)
в) ион-радикалы (под действием излучения)
г) координационные комплексы, не имеющие ярко выраженного ионного характера
и 2) их присоединение к мономеру
в ряде случаев могут отсутствовать
Активность этих частиц различна.
В зависимости от условий возможно одновременное образование первичных частиц разного типа или их переход друг в друга.
Слайд 52ИНИЦИИРОВАНИЕ
Катионная полимеризация
1.протонодонорные кислоты H2SO4, H3PO4,
HClO4
2. Инициирование комплексом катализатор–сокатализатор – реагенты Фриделя-Крафтса BF3, AlCl3, SnCl4 и др. в присутствии доноров протонов (вода, галогенводородные кислоты, спирты) или галогеналкилов.
Инициатор-соинициатор !!!
Слайд 53Присоединение первичных активных частиц к мономеру
K+ + M → KM+
Структура KM+
зависит от природы первичной частицы и мономера, а реакционная способность определяется его устойчивостью.
Если M ненасыщенное соединение, то при реакции с K+ образуется
карбкатион; если M гетероциклическое соединение, то могут
образовываться другие катионы , например, оксониевые и др.).
карбкатион
Оксониевый катион
Слайд 54Обрыв цепи При катионной полимеризации реакции обрыва и передачи цепи можно
разделить условно, т.к. при обрыве часто происходит регенерация катализатора (инициатора), способного реинициировать полимеризацию.
Нейтрализация заряда на конце цепи (истинный кинетический обрыв).
Слайд 55
Передача на мономер
играет важнейшую роль в катионной полимеризации
Слайд 56Передача на растворитель и примеси
Передача на макромолекулы
с разрывом основной цепи
– полимеризация мономеров, содержащих гетероатом
Без гетероатома – полимеризация пропилена
Слайд 57СОПОЛИМЕРИЗАЦИЯ – совместная полимеризация 2-х или более мономеров (классификация).
~M1M1M2M1M2M2M1M1M1M2M1M1M2 ~
Статистические сополимеры:
в макромолекуле сополимера распределение мономерных звеньев описывается известным законом статистики
Чередующиеся (для 2-х мономерных звеньев): в макромолекуле сополимера мономерные звенья чередуются
~ M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2~
Периодические: упорядоченная последовательность из более, чем двух мономерных звеньев
~ M1M2М3M1M2М3M1M2М3M1M2М3M1M2М3M1M2М3~
Распределение звеньев в макромолекулах сополимеров
Слайд 58сополимеризация
Градиентные: состав макромолекулы изменяется непрерывно вдоль цепи
~ M1M1М2M1M1М1M1M2М1M1M2М2M1M1М2M2M2М2~
Блок-сополимеры: линейные макромолекулы с
длинными (полимерными) блоками одинаковых звеньев, разделенными длинными (полимерными) блоками других звеньев
~M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M2M2M2M2M2M2M2M2~
Привитые сополимеры: разветвленные макромолекулы, у которых основная цепь состоит из звеньев одного мономера, а к ней ковалентно присоединены одна или более боковых макромолекул, построенных из звеньев другого мономера
~M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1~
M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2~
Слайд 59Различают :
Мгновенную неоднородность, которая возникает в результате статистического характера
реакций обрыва цепи.
Конверсионную неоднородность, обусловленную изменением состава мономерной смеси в ходе сополимеризации (кроме азеотропной сополимеризации).
При азеотропной сополимеризации составы сополимера и мономерной смеси не меняются по ходу реакции и остаются равными исходному составу мономерной смеси, что приводит к получению продуктов, композиционная неоднородность которых минимальна и связана только с ее мгновенной составляющей.
Композиционная неоднородность
макромолекул сополимеров
Слайд 60Композиционная неоднородность макромолекул сополимеров
Эксплуатационные свойства бинарных сополимеров зависят от:
среднего состава
сополимера,
композиционной неоднородности
распределения мономерных звеньев в макромолекулах.
Состав отдельной макромолекулы может отличаться от среднего состава всего образца, что приводит к композиционной неоднородности сополимера.
Слайд 61Реакция роста цепи
~M1* + M1 → ~M1M1* k11
~M1* + M2
→ ~M1M2* k12
~M2* + M2 → ~M2M2* k22
~M2* + M1 → ~M2M1* k21
Кинетика реакции роста цепи определяет состав сополимеров и весь комплекс их химических и физико-механических свойств
Концевая модель (Майо и Льюис, Алфрей и Голдфингер)
учитывает влияние концевого звена на реакционную способность активного центра по отношению к молекулам мономеров.
Слайд 62k12[M1*][M2]= k21[M2*][M1]
Допущения для вывода уравнения состава сополимера
Pn >>1 (действительно реакция
полимеризации)
Реакционная способность M1* и M2* не зависит от Pn
Условие квазистационарности: Vp,12=Vp,21
малые конверсии
k11, k22 – константы скорости присоединения радикала к своему мономеру
k12, k21 – константы скорости присоединения радикала к чужому мономеру
Уравнение описывает состав «мгновенного» сополимера, образующегося на начальных конверсиях, когда изменением концентраций мономеров можно пренебречь.
r1 и r2 – константы сополимеризации
Слайд 63Диаграмма составов сополимеров
Если r1>1 и r2
r1<1 и r2>1, то сополимер обогащен звеньями М2
Если r1=r2=1, то состав сополимера всегда равен составу исходной смеси.
Если r1<1 и r2<1, то при малых содержаниях M1 в исходной смеси мономеров сополимер обогащен звеньями М1, а при больших — звеньями M2 (тенденция к чередованию в сополимере звеньев М1 и М2, которая тем больше, чем ближе к нулю значения r1 и r2).
Если r1>1 и r2>1, то наблюдается тенденция к раздельной полимеризации мономеров в смеси.
Если кривая состава пересекает диагональ диаграммы составов; в точке пересечения, называемой азеотропной, состав сополимера равен составу сомономерной смеси.
r1>1, r2<1
r1<1, r2>1
r1=1, r2=1
r1<1, r2<1
r1 >1, r2>1
r 1= k11 / k12 r2 = k22 / k21
Слайд 64 Радикальная сополимеризация
Значения r1 , r2 и состав сополимера обычно
слабо зависят от природы растворителя и мало меняются с температурой.
Исключение составляют
явления, связанные c донорно-акцепторными взаимодействиями реагентов. Если один из мономеров оказывается сильным донором, а другой – сильным акцептором, образуются чередующиеся сополимеры. Дополнительно еще сказываются и стерические затруднения
Стирол – малеиновый ангидрид r1=0 r2=0
сополимеризация ионогенных мономеров в зависимости от pH
Акриловая кислота – акриламид pH =2 r1=0.9 r2=0.25,
pH =9 r1=0.3 r2=0.95
Слайд 65Реакционная способность мономеров
Теория идеальной реакционной способности – учёт только энергии сопряжения
в мономерах и радикалах.
в рамках этой теории r1⋅r2=1, т.е. константы скоростей присоединения одного из мономеров к обоим радикалам в одинаковое число раз больше констант скоростей присоединения другого мономера к этим радикалам.
Чаще всего r1⋅r2<1, что связано с большим вкладом
полярных эффектов
стерических эффектов
Слайд 66Схема Q-e
Полуэмпирическая схема, предложенная Алфреем и Прайсом, используется для количественной характеристики
реакционной способности мономеров в радикальной сополимеризации.
Рi и Qj – параметры, соответствующие энергиям сопряжения в радикале и мономере.
еi и еj учитывает поляризацию мономеров (электронодонорный (e<0) или электроноакцепторный (e>0) характер заместителей при двойной связи мономера )
Величины Q и e вычисляют из опытных значений r1 и r2.
Для стирола принято Q = 1 и е = −0,8.
Слайд 67 Анионная сополимеризация
Мономеры (М2) с сильными электроноакцепторными группами практически не
сополимеризуются с углеводородными мономерами (М1). Реально идёт гомополимеризация (М2) , т.к. их активные центры существенно стабилизированы. После исчерпания мономера (М2) сополимеризация прекращается.
Природа растворителя и инициатора существенно влияют на значения констант сополимеризации.
Если анионная сополимеризация, как и гомополимеризация, протекает в отсутствие реакций обрыва и передачи цепи, то изменение состава мономерной смеси в ходе сополимеризации приводит к изменению состава вдоль цепи макромолекулы, т.е. к образованию градиентного сополимера, а не к образованию макромолекул разного состава.
Слайд 68 Катионная сополимеризация
Влияние химической природы растворителя:
в неполярных растворителях ионная пара избирательно
сольватирована более полярным мономером, в результате чего увеличивается скорость его взаимодействия с катионом.
Полярные растворители вытесняют мономеры из сольватной оболочки, и относительная активность мономеров определяется особенностями их химического строения.
~Rn+ (B)- ~Rn+⏐Sm⏐B- ~Rn+ B-
контактная сольватно разделенная свободные ионы пара ионная пара
R+n (B)-
Rn+
( B)
_
+
B-
R
Молекулы растворителя
Слайд 69Влияние природы противоиона:
- более характерно для неполярных растворителей,
- в полярных растворителях
в ряде случаев вообще не проявляется, т.к. в полярных растворителях ионы разделены, а сольватная оболочка не содержит мономеров.
Стирол/
п-метилстирол
Слайд 71Сравнительные характеристики реакций полимеризации и поликонденсации
полимеризация
поликонденсация
1. цепная реакция присоединения активных центров (радикалов, анионов , катионов) к кратным связям мономеров.
2.не выделяется низкомолекулярное вещество.
3. молекулярная масса образующегося полимера практически не зависит от конверсии.
4. практически нет промежуточных олигомеров.
1.Ступенчатая реакция между функциональными группами многофункциональных мономеров.
2.выделяется низкомолекулярное вещество, которое необходимо удалять из реакционной среды.
3.молекулярная масса полимера зависит от конверсии, от константы равновесия, от Са\Св, от конц. низкомолекулярного вещества.
4. промежуточные олигомеры стабильны и способны к дальнейшим реакциям.
Слайд 72Поликонденсация – процесс образования макромолекул в результате ступенчатого химического взаимодействия функциональных
групп многофункциональных мономеров и n-меров, накапливающихся в ходе реакции, а также молекул n-меров между собой.
ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ
ГОМОПОЛИКОНДЕНСАЦИЮ (1 мономер)
полиамиды
По типу участвующих в реакции мономеров мономеров поликонденсацию подразделяют на:
простые полиэфиры
Слайд 73СОПОЛИКОНДЕНСАЦИЮ (2 и более мономеров)
простые полиэфиры
полиамиды
Слайд 75ИНТЕРСОПОЛИКОНДЕНСАЦИЮ (3 мономера)
полиамиды
Слайд 76По топологии образующихся макромолекул поликонденсацию подразделяют на:
ЛИНЕЙНУЮ (бифункциональные мономеры)
ТРЕХМЕРНУЮ (полифункциональные
мономеры)
Слайд 77По значению константы поликонденсационного равновесия K поликонденсацию подразделяют на:
K = k1/k-1
равновесную (обратимую)
неравновесную (необратимую)
K ≈ 10÷100
Степень завершенности реакции и степень полимеризации лимитируются равновесными концентрациями реагентов и продуктов реакции
К ≥103
Степень завершенности реакции и степень полимеризации лимитируются не термодинамическими, а кинетическими факторами
Слайд 78Значения констант равновесия (К) для некоторых случаев поликонденсации
Необратимая поликонденсация
Обратимая поликонденсация
Слайд 79Побочные химические реакции , в результате которых функциональные группы утрачивают способность
участвовать в реакции роста.
1. Взаимодействие функциональных групп мономеров с монофункциональным соединением, присутствующим в виде примеси или специально введенной добавки – обрыв цепи.
2. Химическое превращение функциональных групп вследствие протекания побочных реакций:
HOOC–R-COOH → HR-COOH + CO2
ClOC-R-COCl + 2H2O → HOOC-R-COOH + 2HCl
3. Циклизацияа) внутримолекулярная (реагируют функциональные группы одной молекулы, 5–7 и 20–40 членные циклы)
б) межмолекулярная (реагируют функциональные группы разных молекул)
4. Деструкционные процессы – реакции, приводящие к разрыву основной цепи макромолекул
Слайд 80Кинетика поликонденсации
Для поликонденсации характерно исчезновение мономера уже на ранних стадиях
процесса, когда молекулярная масса продукта реакции ещё очень мала.
Дальнейший рост цепи происходит при практически полном отсутствии мономера в системе (при полимеризации на ВСЕХ стадиях наряду с макромолекулами, активными макрорадикалами (анионами и катионами) присутствует мономер).
При количественном анализе кинетики поликонденсации используют принцип Флори: активность реагирующих групп не зависит от длины цепи макромолекулы.
Реакционная способность функциональных групп бифункционального мономера не зависит от того, прореагировала ли его другая функциональная группа.
Вязкость системы практически не влияет на скорость реакции, т.к. такие реакции проводят при повышенных температурах.
Слайд 81Кинетика поликонденсации
Мономеры взяты в эквимолярных количествах
.
Уравнение изменения концентрации
функциональных групп:
k –
константа скорости реакции
После интегрирования , введения начальной концентрации функциональных групп [A]0 и глубины превращения q (доли прореагировавших к данному моменту времени функциональных групп):
Для необратимой поликонденсации и начальных стадий обратимой поликонденсации, когда обратной реакцией можно пренебречь:
Для необратимой поликонденсации характерны высокие скорости (k до 105 л/моль.с), низкие значения энергии активации (8 – 40 кДж/моль); как правило, эти процессы сильно экзотермичны.
Слайд 83Для обратимой гомополиконденсации предельная в данных условиях молекулярная масса определяется термодинамическими
факторами, т.е. значением константы поликонденсационного равновесия(K) и равновесной концентрацией низкомолекулярного продукта ( Z)
Обратимые процессы характеризуются малыми скоростями (k равна 10-3 – 10-5 л/моль.с), сравнительно высокими значениями энергии активации (80 – 170 кДж/моль), они могут быть эндо- и экзотермическими.
Слайд 84Факторы, влияющие на молекулярную массу поликонденсационных полимеров
Глубина проведения процесса q (необратимая
поликонденсация)
Эквимольность реагирующих между собой исходных соединений (молярное соотношение мономеров)
Нарушения:
Если в реакцию вводят неэквимольные количества исходных веществ. Тогда
при q=1
Если в реакционной смеси присутствуют монофункциональные соединения C, взаимодействующие с исходными веществами, то
Если функциональные группы мономеров претерпевают химические изменения, превращаясь в группы, нереакционноспособные в условиях поликонденсации (циклизация, деструкционные процессы)
Наличие низкомолекулярных продуктов реакции ( олигомеров)
Слайд 85
конверсия мономера:
⇒
2. Если [CA]≠[CB], то вводится
стехиометрический разбаланс:
Доля n-мера в поликонденсационных полимерах определяется
следующим образом:
Числовая доля
Весовая доля
Слайд 86ПОЛИПРИСОЕДИНЕНИЕ
Реакции проходят без выделения низкомолекулярного продукта !!!
Полимочевины
Полиуретаны
Слайд 87Сравнительные характеристики реакций полимеризации и поликонденсации
полимеризация
поликонденсация
1. цепная реакция присоединения активных центров (радикалов, анионов , катионов) к кратным связям мономеров.
2.не выделяется низкомолекулярное вещество.
3. молекулярная масса образующегося полимера практически не зависит от конверсии.
4. практически нет промежуточных олигомеров.
1.Ступенчатая реакция между функциональными группами многофункциональных мономеров.
2.выделяется низкомолекулярное вещество, которое необходимо удалять из реакционной среды.
3.молекулярная масса полимера зависит от конверсии, от константы равновесия, от Са\Св, от конц. низкомолекулярного вещества.
4. промежуточные олигомеры стабильны и способны к дальнейшим реакциям.
Слайд 88Конец синтеза ФФФХИ-2015 (химики)
дальше задачи
Слайд 89Как можно достичь одновременного снижения скорости реакции радикальной полимеризации винилового мономера
и молекулярной массы образующегося полимера. Комментарий.
Слайд 90
КИНЕТИКА РАДИКАЛЬНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
Поскольку мономер расходуется в основном на стадии роста, то
скорость этой реакции совпадает с общей скоростью полимеризации
Скорость полимеризации пропорциональна [I]0.5 и [M]
Скорость полимеризации увеличивается с ростом температуры при Т<<Тпр
Условие квазистационарности
Слайд 91ДЛИНА КИНЕТИЧЕСКОЙ И МАТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕПИ
Кинетическая цепь ν – число молекул
мономера, присоединившихся к одному образовавшемуся радикалу Rn∙ до его гибели при обрыве цепи
Материальная цепь (среднечисловая степень полимеризации) Pn – число элементарных актов присоединения мономеров на один акт гибели радикала Rn∙ при обрыве и передаче цепи
Слайд 92
Какой инициатор надо использовать, чтобы получить сополимер стирола с винилбутиловым эфиром
состава 80:20? Схема реакции.
Какой инициатор надо использовать, чтобы получить сополимер стирола с винилбутиловым эфиром состава 20:80? Схема реакции.
Слайд 93
С какими мономерами (приведите 2 примера) при сополимеризации ММА (Б) в
присутствии трихлорида алюминия со следами воды образуются сополимеры, имеющие строение макромолекул ААААБААААААББААААААААБАААААААА
Напишите схемы реакции и прокомментируйте.
Слайд 943. Какая из инициирующих систем позволяет получить высоко-
молекулярный полистирол с узким
молекулярно-массовым
распределением ( ММР ~ 1.1 )
а) пероксид бензоила
б) бутиллитий
в) минеральные неорганические кислоты
г) кислоты Льюиса
----------------------------------------------------------------------------------------
4. Оцените величины констант сополимеризации ra и rb,
если при сополимеризации мономеров a и b получен сополимер структуры aaaaaaaaabbaaaaaaaaaa
а) обе константы равны 1
б) обе константы по величине стремятся к нулю
в) r a 0 rb больше 1
г ) ra больше 1 rb 0
Слайд 951. Для каких значений n достигается максимальная вероятность образования циклических молекул
в процессе
синтеза сложных полиэфиров по реакции
гомо-поликонденсации. А – (СН2)n - Б А= ? Б = ?
Слайд 98 Для каких значений n достигается максимальная вероятность образования циклических молекул
в процессе поликонденсации оксикислот строения ОН-(СН2)n-СООН
n = 5 6 1 2 (выберите правильный ответ и прокомментируйте)
Слайд 995. Какие надо использовать мономеры, чтобы получить:
Простые полиэфиры
Сложные полиэфиры
Полиамиды
Полиуретаны
Полимочевины
Напишите схемы реакций
Слайд 100Как изменится длина материальной цепи, если при радикальной полимеризации на малых
конверсиях обрыв цепи по механизму рекомбинации заменить на обрыв цепи по механизму диспропорционирования
(не изменится) Докажите.
Слайд 101Задачи по синтезу
Каков тепловой эффект (Q = ?) реакции полимеризации ММА
(метилметакрилата) в растворе концентрации 1 мол\л при 0оС. если:
Изменение энтропии -30 кал\моль.град
Степень конверсии q = 90%
1. q= (Mo – M равн.) \ Mo………….. M равн.= 0.1 мол\л
2. Ho – T Sо = RT ln M равн.
3. Ho + 273 * 30 = 2*273* ln 0.1 ……….. Ho = -Q ( Q = - Ho)
Слайд 1021. Для каких значений n достигается максимальная вероят-
ность образования циклических молекул
в процессе
синтеза сложных полиэфиров по реакции
гомо-поликонденсации. А – (СН2)n - Б А= ? Б = ?
-------------------------------------------------------------------------------------
Какой из перечисленных факторов не влияет на молекуляр-
ную массу продукта радикальной полимеризации, полученного
на начальных конверсиях реакции.
а) концентрация передатчика кинетической цепи цепи
б) степень превращения
в) способность мономера к самопередаче
г) концентрация инициатора
--------------------------------------------------------------------------------------
Слайд 107СОПОЛИМЕРИЗАЦИЯ – совместная полимеризация 2-х или более мономеров (классификация).
Статистические: в макромолекуле
сополимера распределение мономерных звеньев описывается известным законом статистики
~M1M1M2M1M2M2M1M1M1M2M1M1M2 ~
Чередующиеся (для 2-х мономерных звеньев): в макромолекуле сополимера мономерные звенья чередуются
~ M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M1M2~
Периодические: упорядоченная последовательность из более, чем двух мономерных звеньев
~ M1M2М3M1M2М3M1M2М3M1M2М3M1M2М3M1M2М3~
Градиентные: состав макромолекулы изменяется непрерывно вдоль цепи
~ M1M1М2M1M1М1M1M2М1M1M2М2M1M1М2M2M2М2~
Блок-сополимеры: линейные макромолекулы с длинными (полимерными) блоками одинаковых звеньев, разделенными длинными (полимерными) блоками других звеньев
~M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M2M2M2M2M2M2M2M2~
Привитые сополимеры: разветвленные макромолекулы, у которых основная цепь состоит из звеньев одного мономера, а к ней ковалентно присоединены одна или более боковых макромолекул, построенных из звеньев другого мономера
~M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1M1~
M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2M2~
Слайд 108Эксплуатационные свойства бинарных сополимеров зависят от:
среднего состава сополимера,
композиционной
неоднородности
распределения мономерных звеньев в макромолекулах.
Состав отдельной макромолекулы может отличаться от среднего состава всего образца, что приводит к композиционной неоднородности сополимера.
Различают :
Мгновенную неоднородность, которая возникает в результате статистического характера реакций обрыва цепи.
Конверсионную неоднородность, обусловленную изменением состава мономерной смеси в ходе сополимеризации (кроме азеотропной сополимеризации).
При азеотропной сополимеризации составы сополимера и мономерной смеси не меняются по ходу реакции и остаются равными исходному составу мономерной смеси, что приводит к получению продуктов, композиционная неоднородность которых минимальна и связана только с ее мгновенной составляющей.
Композиционная неоднородность и распределение звеньев
Слайд 109Реакция роста цепи
~M1* + M1 → ~M1M1* k11
~M1* + M2
→ ~M1M2* k12
~M2* + M2 → ~M2M2* k22
~M2* + M1 → ~M2M1* k21
Кинетика реакции роста цепи определяет состав сополимеров и весь комплекс их химических и физико-механических свойств
Концевая модель (Майо и Льюис, Алфрей и Голдфингер)
учитывает влияние концевого звена на реакционную способность активного центра по отношению к молекулам мономеров.
Слайд 110k12[M1*][M2]= k21[M2*][M1]
Допущения для вывода уравнения состава сополимера
Pn >>1 (действительно реакция
полимеризации)
Реакционная способность M1* и M2* не зависит от Pn
Условие квазистационарности: Vp,12=Vp,21
малые конверсии
k11, k22 – константы скорости присоединения радикалом своего мономера
k12, k21 – константы скорости присоединения радикалом чужого мономера
r1 и r2 – константы сополимеризации
Уравнение описывает состав «мгновенного» сополимера, а также состав сополимера, образующегося на начальных конверсиях, когда изменением концентраций мономеров можно пренебречь.
Слайд 111Диаграмма состава сополимера
Если r1>1 и r2
r1<1 и r2>1, то сополимер обогащен звеньями М2
Если r1=r2=1, то состав сополимера всегда равен составу исходной смеси.
Если r1<1 и r2<1, то при малых содержаниях M1 в исходной смеси мономеров сополимер обогащен звеньями М1, а при больших — звеньями M2 (тенденция к чередованию в сополимере звеньев М1 и М2, которая тем больше, чем ближе к нулю значения r1 и r2).
Если r1>1 и r2>1, то наблюдается тенденция к раздельной полимеризации мономеров в смеси.
Если кривая состава пересекает диагональ диаграммы составов; в точке пересечения, называемой азеотропной, состав сополимера равен составу сомономерной смеси.
r1>1, r2<1
r1<1, r2>1
r1=1, r2=1
r1<1, r2<1
r1 >1, r2>1
r 1= k11 / k12 r2 = k22 / k21
Слайд 112 Радикальная сополимеризация
Значения r1 , r2 и состав сополимера обычно
слабо зависят от природы растворителя и мало меняются с температурой.
Исключение составляют
явления, связанные c донорно-акцепторными взаимодействиями реагентов. Если один из мономеров оказывается сильным донором, а другой – сильным акцептором, образуются чередующиеся сополимеры. Дополнительно еще сказываются и стерические затруднения
Стирол – малеиновый ангидрид r1=0 r2=0
сополимеризация ионогенных мономеров в зависимости от pH
Акриловая кислота – акриламид pH =2 r1=0.9 r2=0.25,
pH =9 r1=0.3 r2=0.95
Слайд 113Реакционная способность мономеров
Теория идеальной реакционной способности – учёт только энергии сопряжения
в мономерах и радикалах.
в рамках этой теории r1⋅r2=1, т.е. константы скоростей присоединения одного из мономеров к обоим радикалам в одинаковое число раз больше констант скоростей присоединения другого мономера к этим радикалам.
Чаще всего r1⋅r2<1, что связано с большим вкладом
полярных эффектов
стерических эффектов
Слайд 114Схема Q-e
Полуэмпирическая схема, предложенная Алфреем и Прайсом, используется для количественной характеристики
реакционной способности мономеров в радикальной сополимеризации.
Рi и Qj – параметры, соответствующие энергиям сопряжения в радикале и мономере.
еi и еj учитывает поляризацию мономеров (электронодонорный (e<0) или электроноакцепторный (e>0) характер заместителей при двойной связи мономера )
Величины Q и e вычисляют из опытных значений r1 и r2.
Для стирола принято Q = 1 и е = −0,8.
Слайд 115 Катионная сополимеризация
Влияние химической природы растворителя:
в неполярных растворителях ионная пара избирательно
сольватирована более полярным мономером, в результате чего увеличивается скорость его взаимодействия с катионом.
Полярные растворители вытесняют мономеры из сольватной оболочки, и относительная активность мономеров определяется особенностями их химического строения.
Влияние противоиона:
- более характерно для неполярных растворителей,
- в полярных растворителях в ряде случаев вообще не проявляется, т.к. в полярных растворителях ионы разделены, а сольватная оболочка не содержит мономеров.
Стирол/
п-метилстирол
Слайд 116 Анионная сополимеризация
Мономеры с сильными электроноакцепторными группами не сополимеризуются с
углеводородными мономерами, т.к. активные центры полярных мономеров сильно стабилизированы и не присоединяются к углеводородным мономерам. После исчерпания полярного мономера сополимеризация прекращается.
Природа растворителя и инициатора существенно влияют на значения констант сополимеризации.
Если анионная сополимеризация, как и гомополимеризация, протекает в отсутствие реакций обрыва и передачи цепи, то изменение состава мономерной смеси в ходе сополимеризации приводит к изменению состава вдоль цепи макромолекулы, т.е. к образованию градиентного сополимера, а не к образованию макромолекул разного состава.
Слайд 117КИНЕТИКА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАССЫ
Рассмотрим случай, когда ограничение цепей происходит за
счет:
мономолекулярного обрыва цепи : Rn+[BF3OH]- → Pn + Н+[BF3OH]-
и передачи цепи на мономер: Rn+[BF3OH]- + М→ Pn+1 + Н+[BF3OH]-
инициирование: Vи=kи[H+(BF3OH)-][M]
рост цепи: Vр=kp[Rn+(BF3OH)-][M]
обрыв цепи: Vo=ko[Pn+(BF3OH)-]
передача цепи: Vп,М=kп,М[Pn+(BF3OH)-][М]
Условие квазистационарности: Vи=Vo
ER=Eи + Ep − Eo
ER= + Ep − Eo − Eи < 0
Слайд 118Изменение природы активного центра, может сопровождаться снижением его реакционной способности (изомеризация
при полимеризации углеводородных мономеров за счёт взаимодействия металлоорганических соединений с карбонильной группой мономера или звеньями полимерной цепи).
Слайд 119
Влияние растворителя и противоиона
стирол - изопрен
1) Увеличение полярности растворителя приводит
к сольватации растущего иона растворителем ⇒ сополимер обогащен более активным мономером (стиролом).
2) Li+ − сильно комплексообразующий противоион. Изопрен в неполярных растворителях образует комплексы с ионом Li+ ⇒ сополимер обогащен изопреном (неактивным мономером).
Na+ − обладает меньшей комплексообразующей активностью ⇒ сополимер обогащен стиролом (активным мономером).
Слайд 120Анионная полимеризация
Стереоспецифическая полимеризация диенов под действием Li и его соединений возможна
в неполярных растворителях, способных образовывать более прочные комплексы с литием, чем мономер.
В полярных растворителях предварительная координация присоединяющегося мономера оказывается очень затруднённой и стереоспецифический эффект пропадает.
При сильной координации вращение вокруг связи С2 – С3 невозможно ⇒ цис-1,4
При слабой координации ⇒ транс- и 3,4
При очень слабой координации ⇒ 3,4-присоединение
Полимеризация изопрена
Слайд 121Конфигурационную структуру макромолекул можно контролировать, регулируя условия полимеризации, управляя типом подхода
мономера и типом атаки.
Стереорегулярность макромолекул получаемого полимера зависит от отношения констант kp,s/kp,i, определяемого
ΔF*=ΔFсиндио - ΔFизо
разностью свободных энергий активации присоединения мономеров в синдио- и изотактической конфигурации
Слайд 122Механизм полимеризации на катализаторах Циглера-Натта
Биметаллический механизм Натта для α-олефинов
Каждый акт присоединения
мономера начинается со стадии образования π-комплекса двойной связи мономера с переходным металлом катализатора, появление которого приводит к ослаблению мостичной связи Ме….R, что облегчает внедрение мономера в «корень» растущей цепи. Такой механизм позволяет объяснить высокую избирательность катализаторов Циглера – Натта и возможность получения на них макромолекул только изотактической структуры.
Слайд 123КИНЕТИКА ПОЛИМЕРИЗАЦИИ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАССЫ
Для полимеризации, инициированной амидами металлов
инициирование: Vи=kи[M](Kp[KNH2])1/2
рост цепи: Vр=kp[Rn-][M]
обрыв цепи: Vo=ko[Rn-]
передача
цепи: Vп=kп[Rn-][NH3]
Для полимеризации на "живых" цепях
Условие квазистационарности: Vи=Vo
KNH2 ⇔ K+ + NH2-
Слайд 124Поликонденсация – процесс образования макромолекул в результате ступенчатого химического взаимодействия функциональных
групп многофункциональных мономеров и n-меров, накапливающихся в ходе реакции, а также молекул n-меров между собой.
ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ
ГОМОПОЛИКОНДЕНСАЦИЮ (1 мономер)
полиамиды
По типу участвующих в реакции мономеров мономеров поликонденсацию подразделяют на:
простые полиэфиры
Слайд 125СОПОЛИКОНДЕНСАЦИЮ (2 и более мономеров)
простые полиэфиры
полиамиды
Слайд 127ИНТЕРСОПОЛИКОНДЕНСАЦИЮ (3 мономера)
полиамиды
Слайд 128По топологии образующихся макромолекул поликонденсацию подразделяют на:
ЛИНЕЙНУЮ (бифункциональные мономеры)
ТРЕХМЕРНУЮ (полифункциональные
мономеры)
Слайд 129По значению константы поликонденсационного равновесия K поликонденсацию подразделяют на:
K = k1/k-1
равновесную (обратимую)
неравновесную (необратимую)
K ≈ 10÷100
Степень завершенности реакции и степень полимеризации лимитируются равновесными концентрациями реагентов и продуктов реакции
К ≥103
Степень завершенности реакции и степень полимеризации лимитируются не термодинамическими, а кинетическими факторами
Слайд 130Основные классы поликонденсационных полимеров
простые полиэфиры -C-O-
сложные полиэфиры -C(=O)-O-
Слайд 131полиуретаны –NH-C(=O)-O-
полиамиды –NH-C(=O)-
полимочевины –NH-C(=O)-NH-
Слайд 132Некоторые конденсационные полимеры
полиэтиленадипинат
полиэтилентерефталат
полиэтиленгликоль
полиамид-6 (найлон-6,
капрамид)
полиамид-6,6
поли-пара-бензамид
(Кевлар)
полиуретаны
полимочевины
Слайд 133Ароматические полиимиды:
Полиэфиримиды:
Термостойкие
Слайд 134Значения констант равновесия (К) для некоторых случаев поликонденсации
Необратимая поликонденсация
Обратимая поликонденсация
Слайд 135Побочные химические реакции , в результате которых функциональные группы утрачивают способность
участвовать в реакции роста.
1. Взаимодействие функциональных групп мономеров с монофункциональным соединением, присутствующим в виде примеси или специально введенной добавки – обрыв цепи.
2. Химическое превращение функциональных групп вследствие протекания побочных реакций:
HOOC–R-COOH → HR-COOH + CO2
ClOC-R-COCl + 2H2O → HOOC-R-COOH + 2HCl
3. Циклизация
а) внутримолекулярная (реагируют функциональные группы одной молекулы, 5–7 и 20–40 членные циклы)
б) межмолекулярная (реагируют функциональные группы разных молекул)
4. Деструкционные процессы – реакции, приводящие к разрыву основной цепи макромолекул
Слайд 136Кинетика поликонденсации
Для поликонденсации характерно исчезновение мономера уже на ранних стадиях
процесса, когда молекулярная масса полимера очень мала.
Дальнейший рост цепи происходит при практически полном отсутствии мономера в системе (при полимеризации на ВСЕХ стадиях наряду с макромолекулами присутствует мономер).
При количественном анализе кинетики поликонденсации используют принцип Флори: активность реагирующих групп не зависит от длины цепи макромолекулы.
Реакционная способность функциональных групп бифункционального мономера не зависит от того, прореагировала ли его другая функциональная группа.
Вязкость системы практически не влияет на скорость реакции.
Слайд 137Кинетика поликонденсации
Мономеры взяты в эквимолярных количествах.
Уравнение изменения концентрации функциональных групп:
k –
константа скорости реакции
После интегрирования и введения начальной концентрации функциональных групп [A]0 и глубины превращения q (доли прореагировавших к данному моменту времени функциональных групп):
Для необратимой поликонденсации и начальных стадий обратимой поликонденсации, когда обратной реакцией можно пренебречь:
Для большинства случаев необратимой поликонденсации характерны высокие скорости (k до 105 л/моль.с), низкие значения энергии активации (8 – 40 кДж/моль); как правило, эти процессы сильно экзотермичны.
Слайд 139Для обратимой гомополиконденсации предельная в данных условиях молекулярная масса определяется термодинамическими
факторами, т.е. значением константы поликонденсационного равновесия K и равновесной концентрацией низкомолекулярного продукта Z:
Обратимые процессы характеризуются малыми скоростями (k равна 10-3 – 10-5 л/моль.с), сравнительно высокими значениями энергии активации (80 – 170 кДж/моль), они могут быть эндо- и экзотермическими.
Слайд 140Факторы, влияющие на молекулярную массу поликонденсационных полимеров
Глубина проведения процесса q (необратимая
поликонденсация)
Эквимольность реагирующих между собой исходных соединений (молярное соотношение мономеров)
Нарушения:
Если в реакцию вводят неэквимольные количества исходных веществ. Тогда
при q=1
Если в реакционной смеси присутствуют монофункциональные соединения C, взаимодействующие с исходными веществами, то
Если функциональные группы мономеров претерпевают химические изменения, превращаясь в группы, нереакционноспособные в условиях поликонденсации (циклизация, деструкционные процессы)
Наличие низкомолекулярного продукта реакции.
Слайд 141
конверсия мономера:
⇒
2. Если [CA]≠[CB], то вводится
стехиометрический разбаланс:
Доля n-мера в поликонденсационных полимерах определяется
следующим образом:
Числовая доля
Весовая доля
Слайд 142Некоторые конденсационные полимеры
полиэтиленадипинат
полиэтилентерефталат
полиэтиленгликоль
полиамид-6 (найлон-6,
капрамид)
полиамид-6,6
поли-пара-бензамид
(Кевлар)
полиуретаны
полимочевины
Слайд 143Ароматические полиимиды:
Полиэфиримиды:
Термостойкие
Слайд 144ПОЛИПРИСОЕДИНЕНИЕ
Реакции проходят без выделения низкомолекулярного продукта !!!
Полимочевины
Полиуретаны
Слайд 146полиуретаны –NH-C(=O)-O-
полиамиды –NH-C(=O)-
полимочевины –NH-C(=O)-NH-
Слайд 152Рост цепи
M + Rn+X- → Rn+1+X-
Активность катионов характеризует их
кинетическое поведение
Ряд активности карбкатионов:
CH3+ > … > (CH3)3C+ >… > (C6H5)3C+
Чем больше электронная плотность у реакционного центра, тем меньше заряд на валентноненасыщенном атоме углерода катиона и тем меньше его реакционная способность. Стабильность карбкатионов, содержащих фенильные заместители в α-положении к активному центру, связана с эффектом сопряжения.
Слайд 153Рост цепи на свободных ионах характеризуется значением энергии активации, близким к
0. kp высока и не зависит от условий процесса
Рост цепи на ионных парах происходит в подавляющем большинстве систем. kp зависит от условий процесса, природы среды и катализатора.
В полимеризующейся в присутствии растворителя S системе могут существовать в равновесии следующие типы активных центров:
Реакционная способность (константа скорости реакции роста kp):
свободные ионы 105 – 106 л/моль.с
сольватно разделенная ионная пара ~103 л/моль.с
контактная ионная пара 1 – 102 л/моль.с
Слайд 154Основные классы поликонденсационных полимеров
простые полиэфиры -C-O-
сложные полиэфиры -C(=O)-O-
Слайд 155Полимеризация ненасыщенных мономеров с полярными заместителями (акриловые и метакриловые мономеры, винилхлорид,
нитроэтилен)
Характеризуется процессами дезактивации инициатора и растущих цепей, которые зависят от природы функциональной группы и инициатора, температуры.
У полярных мономеров с высокой склонностью к анионной полимеризации
Еа,роста < Еа,поб.р-ций
понижение температуры позволяет подавить (для метилметакрилата) или исключить (для нитроэтилена) реакции дезактивации.
Слайд 156 В средах умеренной полярности ионогенные инициаторы до взаимодействия с мономером
распадаются с образованием ионов:
HClO4 → H+ + ClO4-
В случае металлгалогенидов MeXn образование первичных катионов идет по более сложному механизму:
образование комплекса катализатор–сокатализатор MeXn⋅RX (RX, H2O, ROH, HX, RCOX, (RCO)2O)
реакция между компонентами комплекса с образованием промежуточного соединения с ярко выраженным ионным характером:
MeXn⋅RX → R+ + [MeXn+1]−
В средах малой полярности ситуация усложняется:
образование тримолекулярного комплекса катализатор–сокатализатор–мономер MeXn⋅RX⋅M
реакция между компонентами комплекса:
MeXn⋅RX⋅M → RM+ + [MeXn+1]−
Образование первичных активных частиц
Слайд 157СТЕРЕОСПЕЦИФИЧЕСКАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ
ЛЕКЦИЯ 2
полимеризация, в ходе которой из ряда возможных конфигураций при
построении макромолекул отбирается только одна или несколько, чередующихся по определенному закону
Принцип стереорегулирования - контроль каждого элементарного акта роста цепи: активный центр должен иметь фиксированную структуру, чтобы присоединяющееся к нему мономерное звено было ориентировано и подходило строго определённым образом.
Слайд 158
ЛЕКЦИЯ 2
Растущий радикал или ион имеет плоскую или близкую к ней
структуру и в свободной форме он практически свободно вращается вокруг С-С связи ⇒ вероятность присоединения мономерного звена в изо- или синдио-положении равны.
После присоединения мономерного звена этот углеродный атом становится тетраэдрическим с фиксацией изо- или синдио- изомера.
Слайд 159Катионная полимеризация
Ионная полимеризация
Ионная полимеризация более стереоспецифична, что связано с участием
в элементарных актах роста компонентов каталитического комплекса, в частности, противоиона.
Если активным центром на конце растущей цепи является ионная пара, то противоион может влиять на фиксацию той или иной конфигурации концевого звена растущей цепи.
Влияние противоиона сводится к чисто стерическим эффектам.
При полимеризации винилизобутилового эфира на катализаторе BF3.H2O (противоион [BF3.OН]-) при −70оС образуется атактический полимер, при полимеризации в тех же условиях на катализаторе BF3.(C2H5)2O (противоион [BF3.OC2H5]-) образуется изотактический полимер. Здесь увеличение объема противоиона значительно усиливает стереоконтроль в реакции роста цепи.
Слайд 160Координационно-ионная полимеризация
В большинстве каталитических систем присоединению мономера к растущей цепи
предшествует стадия образования комплекса между активным центром и молекулой мономера.
Координация в комплексе обеспечивает устойчивую определённую ориентацию молекул мономера и способствует отбору именно этой конфигурации мономеров, присоединяющихся к активному центру.
Такой механизм образования макромолекул называют координационно-ионным.
Катализаторы Циглера-Натта – системы, образующиеся при взаимодействии органических соединений металлов I–III групп ((C2H5)3Al, (C2H5)2AlCl, C6H5MgBr, C4H9Li) с солями переходных металлов IV – VIII групп (TiCl4, TiCl3, VCl4, MoCl4, Ti(OC4H9)4).
Тип растущего центра зависит от состава катализатора и мономера:
C4H9Li+CrCl3+ акрилаты, метакрилаты ⇒ анионно-координационный механизм
TiCl4 + C2H5AlCl2 + виниловые эфиры ⇒ катионно-координационный механизм
Слайд 161Сравнительные характеристики реакций полимеризации и поликонденсации
полимеризация
поликонденсация
1. цепная реакция присоединения активных центров (радикалов, анионов , катионов) к кратным связям мономеров.
2.не выделяется низкомолекулярное вещество.
3. молекулярная масса образующегося полимера практически не зависит от конверсии.
4. практически нет промежуточных олигомеров.
1.Ступенчатая реакция между функциональными группами многофункциональных мономеров.
2.выделяется низкомолекулярное вещество, которое необходимо удалять из реакционной среды.
3.молекулярная масса полимера зависит от конверсии, от константы равновесия, от Са\Св, от конц. низкомолекулярного вещества.
4. промежуточные олигомеры стабильны и способны к дальнейшим реакциям.