- •Оглавление
- •Раздел I. Общие сведения о высокомолекулярных соединениях
- •1.1. Особенности полимерного состояния вещества Введение
- •1.1.1. Полимеры, общие определения
- •1.1.2. Различия в свойствах высоко- и низкомолекулярных соединений
- •1.2. Образование, получение и распространение полимеров
- •Содержание различных веществ в теле человека
- •Некоторые аминокислоты, входящие в состав белков
- •Содержание различных оксидов в базальтовых породах, мас. %
- •1.3. Классификация полимеров
- •1.3.1. Принципы классификации полимеров
- •Типичные конденсационные полимеры
- •Типичные полимеризационные полимеры
- •Классификация, молекулярно-массовые характеристики и стереохимия полимеров
- •1.3.2. Тривиальная, рациональная и систематическая номенклатура полимеров
- •Названия некоторых линейных полимеров
- •1.3.3. Классификация и номенклатура сополимеров
- •Названия некоторых элементорганических и неорганических полимеров
- •Название основных типов сополимеров
- •1.4. Молекулярно-массовые характеристики полимеров
- •1.4.1. Распределение макромолекул по молекулярным массам
- •1.4.2. Моменты распределения и средние молекулярные массы
- •1.4.3. Параметр полидисперсности
- •1.4.4. Методы определения молекулярной массы полимеров
- •1.5. Стереохимия полимеров
- •1.5.1. Химическая изомерия звеньев
- •1.5.3. Стереоизомерия
- •Температуры кристаллизации и плавления полидиенов
- •Вопросы и упражнения к лекциям 1-2
- •Раздел II. Синтез полимеров методами цепной и ступенчатой полимеризации
- •2.1. Радикальная полимеризации
- •2.1.1. Инициирование радикальной полимеризации
- •Важнейшие инициаторы радикальной полимеризации
- •2.1.2. Элементарные реакции и кинетика полимеризации
- •1. Инициирование.
- •2. Рост цепи.
- •3. Обрыв цепи.
- •Вклад диспропорционирования в реакциях обрыва (λ) для различных мономеров
- •Относительные константы передачи цепи на инициатор Син при 60ºС
- •Относительные константы передачи цепи на мономер См
- •Значения относительных констант передачи цепи Сs·104 на некоторые соединения при 60-70ºС
- •Значения относительных констант передачи цепи на полимер Ср
- •Ингибиторы радикальной полимеризации.
- •Константы ингибирования Сz, 50-60ºС
- •Константы скоростей элементарных реакций роста и обрыва при радикальной полимеризации некоторых мономеров, 20-25ºС
- •2.1.3. Молекулярно-массовое распределение при радикальной полимеризации
- •2.1.4. Влияние температуры и давления на радикальную полимеризацию
- •2.1.5. Диффузионная модель обрыва цепи. Гель-эффект
- •Влияние степени превращения мономера q на полимеризацию метилметакрилата, 22,5ºС
- •2.1.6. Каталитическая передача цепи
- •2.1.7. Псевдоживая радикальная полимеризация
- •Константы обратимого ингибирования псевдоживой полимеризации стирола в присутствии темпо
- •2.1.8. Эмульсионная полимеризация
- •Эмульсионная полимеризация смеси стирола и бутадиена
- •Вопросы и упражнения к лекциям 3-5
- •2.2. Катионная полимеризация
- •2.2.1. Элементарные реакции. Кинетика
- •Константы скорости роста в катионной полимеризации
- •Константы передачи цепи на мономер при катионной полимеризации стирола
- •Константы передачи цепи на мономер при катионной полимеризации изобутилена в различных растворителях
- •Контсанты передачи цепи при катионной полимеризации стирола
- •2.2.2. Псевдокатионная и псевдоживая катионная полимеризация
- •2.2.3. Влияние реакционной среды
- •Влияние растворителя на катионную полимеризацию стирола, инициированную hClO4
- •2.3. Анионная полимеризация
- •2.3.1. Основные реакции инициирования
- •2.3.2. Кинетика анионной полимеризации с обрывом цепи
- •2.3.3. Живая полимеризация. Блок-сополимеры
- •2.3.4. Полимеризация с переносом группы
- •2.3.5. Влияние температуры, растворителя и противоиона
- •Влияние растворителя на анионную «живую» полимеризацию стирола, 25ºС, натрий-нафталиновый комплекс 3·10-3 моль/л
- •Кинетические и термодинамические характеристики реакции роста цепи при живой полимеризации стирола, инициируемой натрий-нафталином, 20ºС, тетрагидрофуран
- •2.3.6. Ассоциация
- •2.4. Ионно-координационная полимеризация
- •Примеры стереоспецифической полимеризации
- •2.4.1. Катализаторы Циглера-Натта. Исторический аспект
- •Компоненты катализаторов Циглера-Натта
- •2.4.2. Полимеризация на гетерогенных катализаторах Циглера-Натта
- •Влияние растворителя на анионную полимеризацию 1,3-диенов, инициируемую н-бутиллитием
- •2.5. Синтез гетероцепных полимеров ионной полимеризацией
- •2.5.1. Карбонилсодержащие соединения
- •Предельные температуры и концентрации мономеров при полимеризации альдегидов
- •2.5.2. Полимеризация эфиров и эпоксидов с раскрытием цикла
- •2.5.3. Полимеризация лактамов и лактонов
- •2.5.4. Другие гетероциклы
- •2.6. Общие вопросы синтеза полимеров
- •2.6.1. Термодинамика синтеза
- •Энтальпии и энтропии полимеризации некоторых мономеров, 25ºС
- •Энтальпии δн0, энтропии δs0, функции Гиббса δg0 и предельные температуры полимеризации Тп альдегидов, 25ºС
- •Энтальпии δн0, энтропии δs0, функции Гиббса δg0 полимеризации циклоалканов при 25ºС
- •2.6.2. Сопоставление ионной и радикальной полимеризации
- •2.6.3. Об общности процессов псевдоживой полимеризации
- •2.7. Ступенчатая полимеризация
- •2.7.1. Равновесная и неравновесная поликонденсация
- •Влияние константы равновесия к на степень завершенности реакции поликонденсации х и среднечисловую степень полимеризации
- •Влияние воды на степень полимеризации при поликонденсации
- •2.7.2. Кинетика поликонденсации
- •Константы скорости реакции этерификации в гомолитических рядах одно- и двухосновных кислот, 25ºС
- •2.7.3. Молекулярно-массовое распределение полимера при поликонденсации
- •2.7.4. Разветвленные и сшитые полимеры
- •2.7.5. Фенопласты, аминопласты
- •2.7.6. Полиамиды, полиэфиры, поликарбонаты
- •2.7.7. Полиуретаны. Полисилоксаны
- •2.7.8. Жесткоцепные ароматические полимеры
- •Свойства полиариленэфирсульфонов
- •2.7.9. Сверхразветвленные полимеры
- •Очистка — б — очистка — а — очистка и т. Д.
- •Вопросы и упражнения к лекциям 9-10
- •Раздел 3. Цепная сополимеризация
- •3.1. Количественная теория сополимеризации
- •3.1.1. Кривые состава сополимера и относительные активности мономеров
- •3.1.2. Состав и микроструктура сополимера. Статистический подход
- •Доля последовательностей различной длины из мономера 1 (q1n) в эквимолярных сополимерах различных типов
- •3.1.3. Многокомпонентная сополимеризация
- •Предсказанные и определенные экспериментально составы сополимеров, полученных радикальной тер- и тетраполимеризацией
- •3.1.4. Сополимеризации до глубоких конверсии
- •3.2. Радикальная сополимеризация
- •3.2.1. Скорость сополимеризации
- •Корреляция между и r1 · r2 при радикальной сополимеризации
- •3.2.2. Природа эффекта предконцевого звена
- •Относительные активности мономеров при сополимеризации стирола (1) с акрилонитрилом (2), определенные в рамках моделей концевого и предконцевого звена, 60°с
- •3.2.3. Влияние температуры и давления на радикальную сополимеризацию
- •Значения относительных активностей мономеров при разных температурах и отношения частотных факторов
- •Влияние давления на сополимеризацию некоторых мономеров
- •3.2.4. Чередующаяся сополимеризация
- •1 Бутилметакрилат - диметилбутадиен, 2 - бутилметакрилат - (с2н5)3АlСl - диме-тилбутадиен; f1 мольная доля бутилметакрилата в исходной мономерной смеси
- •3.2.5. Влияние реакционной среды
- •3.2.6. Связь строения мономера и радикала с реакционной способностью.
- •Сополимеризация винилацетата (1) с хлорзамещенными этилена (2)
- •Влияние резонансного фактора на величину константы скорости роста, 20-30°с
- •Эмпирические и расчетные квантово-химические резонансные параметры строения мономеров и радикалов
- •Значения константы скорости реакции роста и параметра е некоторых мономеров, 25-30°с
- •Значения константы скорости реакции роста и параметра е пара-замещенных стирола, 60°с
- •Значения параметров реакционной способности мономеров схемы q-e
- •Относительные активности при сополимеризации некоторых мономеров
- •3.3. Ионная сополимеризация
- •3.3.1. Катионная сополимеризация
- •Катионная сополимеризация некоторых мономеров
- •3.3.2. Анионная сополимеризация
- •Анионная сополимеризация стирола (1) с бутадиеном-1,3 (2), инициатор н-с4н9Li
- •Влияние растворителя и противоиона на состав сополимера при сополимеризации стирола с изопреном
- •3.3.3. Сополимеризация на катализаторах Циглера-Натта
- •Реакционная способность различных мономеров в сополимеризации Циглера-Натта
- •Раздел 4. Химические превращения полимеров
- •4.1. Характерные особенности макромолекул как реагентов
- •4.1.1. Влияние соседних звеньев
- •4.1.2. Макромолекулярные и надмолекулярные эффекты
- •4.1.3. Кооперативные взаимодействия7
- •4.2. Сшивание полимеров
- •4.2.1. Высыхание красок
- •4.2.2. Вулканизация каучуков
- •4.2.3. Отверждение эпоксидных смол
- •4.3. Деструкция полимеров
- •4.3.1. Термическая деструкция. Циклизация
- •Температуры начала разложения и энергии активации термического распада некоторых полимеров
- •Продукты термического распада некоторых полимеров
- •Выход мономера при термическом распаде различных полимеров
- •4.3.2. Термоокислительная деструкция. Горение
- •Ограниченный кислородный показатель для некоторых полимеров
- •4.3.3. Фотодеструкция. Фотоокисление
- •4.4 Полимераналогичные превращения
- •4.4.1. Поливиниловый спирт
- •4.4.2. Химические превращения целлюлозы
- •4.4.3. Структурная модификация целлюлозы
- •Вопросы и упражнения к лекциям 11-15
Влияние давления на сополимеризацию некоторых мономеров
M1 |
M2 |
p10-5, Па |
r1 |
r2 |
r1 r2 |
Стирол |
Метилакрилат |
1,0 1013,2 2026,5 3039,8 |
0,704 0,710 0,714 0,718 |
0,159 0,163 0,167 0,171 |
0,112 0,116 0,119 0,123 |
Стирол |
Акрилонитрил |
1,0 1013,2 |
0,07 0,14 |
0,37 0,55 |
0,03 0,08 |
Акрилонитрил |
Метилметакрилат |
1,0 1013,2 |
1,34 2,01 |
0,12 0,45 |
0,16 0,91 |
Стирол |
Диэтилфумарат |
1,0 101,3 1013,2 |
0,26 0,29 0,32 |
0,06 0,09 0,15 |
0,02 0,03 0,05 |
Стирол |
Цис-1,2-дихлорэтилен |
1,0 101,3 1013,2 |
195 200 220 |
0,00 0,00 0,01 |
0,00 0,00 2,20 |
3.2.4. Чередующаяся сополимеризация
При сополимеризации электроноакцепторных (А) и электронодонорных (D) мономеров довольно часто образуются сополимеры с регулярным или близким к регулярному чередованием мономерных звеньев.
К электронодонорным относятся мономеры с развитой системой --сопряжения, мономеры с заместителями, нагнетающими электронную плотность на двойную связь, а также олефины. Они подразделяются на следующие группы:
1. Этилен и мономеры с --сопряжением -олефины, циклоалкены, винилциклоалканы, аллиловые мономеры.
2. Мономеры с -р-сопряжением виниловые эфиры, винилсульфиды, N-виниламины, N-виниламиды, винилгалоиды.
3. Мономеры с --сопряжением винилароматические мономеры, транс-стильбен, фенантрен, аценафтилен, инден, винилпиридины, фенилацетилен и др.
4. Мономеры с -р--сопряжением виниловые эфиры, N-винилкарбазол, N-винилпирролидон, N-винилсукцинимид, N-винилфталимид.
Электроноакцепторные мономеры имеют заместители, вытягивающие электронную плотность с двойной связи:
1. Ангидриды и имиды ненасыщенных дикарбоновых кислот (малеиновой, итаконовой и др.) и их производные.
2. Моно- и дикарбоновые ненасыщенные кислоты, их эфиры, амиды, нитрилы.
3. Тетрагалоидные замещенные этилена.
4. К наиболее сильным акцепторам электронов радикальной сополимеризации относится SO2.
Чередующаяся сополимеризация мономеров, принадлежащих к разным классам, является следствием образования комплексов с переносом заряда (КПЗ), называемых также донорно-акцепторными (ДА) комплексами, между ними или между мономером одного класса и радикалом роста другого. Согласно теории Малликена, волновая функция КПЗ может быть представлена суперпозицией волновых функций двух предельных структур - без переноса и с полным переносом электрона, причем последний несущественен. Из этого следует, что кулоновское взаимодействие не играет значительной роли в образовании связи между компонентами комплекса. Характерным признаком образования КПЗ является возникновение новой полосы поглощения в видимой или УФ части спектра. Обычно КПЗ является более реакционноспособным по сравнению с мономерами. Причина этого связана с более легкой по сравнению с мономерами поляризуемости КПЗ вследствие более обширной -электронной структуры и способности к переходу в возбужденное ионизированное состояние. Кроме двойных, известны тройные ДА-комплексы мономеров. Первые образуются между относительно сильными донорами и акцепторами электронов, например между малеиновым ангидридом и стиролом. Вторые образуются между слабыми акцепторами электронов, например акрилатами, и сильными донорами электронов в присутствии кислот Льюиса. Роль последних заключается в смещении электронной плотности на себя в координационных двойных комплексах:
что приводит к увеличению электроноакцепторных свойств акрилового мономера. В целом процесс образования тройных ДА-комплексов описывается следующими равновесиями:
где М - акриловый мономер, D - донорный мономер, X - кислота Льюиса. Константы равновесия образования тройных и двойных ДА-комплексов мономеров близки. Так, для комплексов акрилонитрил – ZnCl2 - стирол, (метилметакрилат)2 – SnCl4 - стирол константы равновесия при комнатной температуре составляют 0,062 и 0,21 л/моль соответственно. Для двойных ДА-комплексов характерны значения в интервале 0,1-0,2 л/моль.
Впервые гипотезу об образовании КПЗ мономеров и их способности к полимеризации как единой кинетической частицы высказали Бартлетт и Нозаки более 50 лет назад. Особенно активно чередующаяся сополимеризация изучалась в 70-80-х гг. XX в. Было установлено, что способность к чередующейся сополимеризации часто связана с термодинамической константой равновесия образования КПЗ мономерами, которая в случае двойных комплексов имеет следующий вид:
,
(3.93)
где [MD], [MA], [MD·MA] равновесные концентрации мономеров и комплекса; К константа равновесия. С увеличением константы равновесия комплексообразования способность к чередующейся сополимеризации изменяется следующим образом:
К < 0,01 чередующаяся сополимеризация отсутствует,
0,01 < К < 0,1 имеет место инициируемая чередующаяся сополимеризация,
0,1 < К < 0,15 спонтанная чередующаяся сополимеризация,
(0,1-0,15) < К < 5 ионная спонтанная чередующаяся сополимеризация,
К > 5 образование стабильного комплекса, не способного к полимеризации, который может быть выделен как индивидуальное вещество.
Существуют две модели сополимеризации с участием комплексов мономеров. Первая из них - модель Сейнера и Лита - предусматривает вхождение обеих молекул мономерного комплекса в цепь, вторая - модель диссоциации - предусматривает вхождение в цепь лишь одного из мономеров комплекса. Согласно первой модели, необходимо учитывать в элементарной реакции четыре рассмотренных ранее реакции роста (3.1) модели концевого звена с участием свободных мономеров и четыре реакции с участием комплекса:
(3.94)
а также равновесную реакцию комплексообразования мономеров (3.93).
Согласно «модели диссоциации» комплекса, необходимо также рассматривать восемь реакций роста: четыре с участием свободных мономеров и четыре с участием комплекса, а также реакцию комплексообразования мономеров (3.93). Данная модель может быть применима к сополимеризации в растворителе, образующем комплексы с мономером. В этом случае рассматриваются две реакции комплексообразования, т.е. каждого из мономеров с растворителем. Ниже приведены реакции роста с участием комплексов мономеров:
(3.95)
Сравнение (3.94) и (3.95) показывает, что они отличаются природой концевых звеньев образующихся радикалов роста. Это происходит потому, что, согласно модели «диссоциации комплекса», в реакции роста цепи присоединяется лишь один из мономеров комплекса, второй же выполняет роль активатора.
Механизм чередующейся сополимеризации определяется тем, какая из элементарных реакций рассмотренных моделей является преобладающей. Механизм был изучен тремя методами: исходя из состава сополимера, скорости сополимеризации (кинетический метод) и методом ЭПР. В последнем случае применялось «прямое» наблюдение радикалов роста при низких температурах, а также использование спиновой ловушки.
«Прямым» методом ЭПР, а также кинетическим методом было доказано, что при сополимеризации SO2 с диметилбутадиеном реализуется «комплексный» механизм, предусматривающий вхождение обоих мономеров комплекса в цепь. В реакционной смеси существуют два вида независимо растущих цепей, отличающихся природой концевого звена:
Методом спиновой ловушки было показано, что «комплексный» механизм реализуется также при чередующейся сополимеризации цис-бутена-2 с SO2. В этом случае доминирует одна реакция роста - присоединение мономерного комплекса к радикалу роста, оканчивающемуся звеном SО2:
Кинетические методы анализа связаны с явлением разрушения комплексов мономеров при разбавлении реакционных смесей растворителем. Когда на графике зависимости скорости сополимеризации от состава мономерной смеси четко выражен максимум, регистрируется его смещение при разбавлении реакционных смесей растворителем. Для расчета параметров, характеризующих процесс, требуются, как минимум, три серии экспериментов с мономерными смесями трех разных составов и знание константы диссоциации комплекса (К-1). Методом смещения максимума (рис. 3.7) обнаружено, что при сополимеризации малеинового ангидрида (M2) с винилфениловым эфиром (M1).
; ;
Первое означает, что реакционная способность радикала винилфенилового эфира существенно более высока в реакциях перекрестного роста по сравнению с радикалом малеинового ангидрида. Этот факт соответствует сложившимся представлениям об «идеальной» реакционной способности мономеров и радикалов, согласно которым, --сопряжение в последних снижает их реакционную способность. Из второго отношения следует, что к радикалу роста малеинового ангидрида преимущественно присоединяются комплексы мономеров, а к радикалу роста винилфенилового эфира - свободный малеиновый ангидрид.
Рис.
3.7. Зависимость скорости чередующейся
сополимеризации винилфенилового
эфира с малеиновым ангидридом от
состава мономерной смеси и суммарной
концентрации мономеров: 1
- 6,1; 2
- 3,4;
3 -
2,03; 4
-
1,0 моль/л; f2
- мольная доля малеинового ангидрида
в исходной смеси
Рис.3.8.
Кривые состава сополимера бутилметакрилата
с диметилбутадие-
ном;
[БМА]/[КО] = 2; 1
-
бутилметак-рилат - диметилбутадиен, 2
- бутил-метакрилат
- (C2H5)2AlCl
диметилбутадиен; f1,
F1
- мольные доли бутилметакрилата в
исходной мономерной смеси и в сополимере,
соответственно
Таким образом, в данном случае представлены все виды перекрестных реакций роста (т.е. приводящих к образованию чередующегося сополимера) с участием свободных радикалов и комплексов мономеров. Такой механизм чередующейся сополимеризации называется смешанным. Он также характерен для чередующейся сополимеризации малеинового ангидрида с аллиловыми мономерами. При чередующейся сополимеризации некоторых мономеров эффект «сдвига максимума» отсутствует. Это свидетельствует о том, что вклад реакций роста с участием комплексов мономеров в формирование цепи чередующегося сополимера крайне незначителен. Однако этот результат не означает отсутствия донорно-акцепторного взаимодействия в реакции перекрестного роста. Практически одновременно с гипотезой о роли донорно-акцепторных сомономерных комплексов в чередующейся сополимеризации была высказана гипотеза о донорно-акцепторном взаимодействии в реакции электронодонорных радикалов роста с электроноакцепторными мономерами (и наоборот). Согласно гипотезе Уоллинга, реакция перекрестного роста с участием радикала стирола и мономера малеинового ангидрида происходит через стадию переноса электрона, что снижает энергию ее активации:
Чередующаяся сополимеризация имеет ярко выраженные особенности по сравнению со статистической. К ним относятся:
- спонтанное инициирование,
- нечувствительность к действию большинства ингибиторов и передатчиков цепи,
- большая скорость роста цепи.
Эти особенности ярко проявляются при сополимеризации с участием тройных донорно-акцепторных комплексов мономеров, так как в этом случае можно сравнивать чередующуюся и статистическую сополимеризацию одних и тех же мономеров. Рассмотрим в качестве примера сополимеризацию бутилметакрилата с диметилбутадиеном. В отсутствие комплексообразователя кривая состава сополимера имеет слабо выраженную S-образность, что свидетельствует о незначительном эффекте чередования (рис. 3.8). В присутствии (С2Н5)3АlСl резко возрастают скорость и степень сополимеризации (рис. 3.9), а кривая состава сополимера приобретает вид, характерный для образования регулярно чередующегося сополимера (эквимольный состав сополимера независимо от состава мономерной смеси). Роль (С2Н5)3АlСl заключается в усилении электроноакцепторных свойств бутилметакрилата:
Методом ЭПР установлено, что в данном случае имеет место «последовательный» механизм чередующейся сополимеризации, когда природа радикала на конце растущих цепей последовательно изменяется. При этом донорно-акцепторное взаимодействие реализуется между радикалом роста и мономером.
Рис. 3.9. Зависимость скорости сополимеризации (а) и характеристической вязкости (б) сополимеров бутилметакрилата с диметилбутадиеном; [БМА]/[КО] = 2;