第三章 活性阳离子聚合.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章 活性阳离子聚合,1.,概述,继,Szwarc,开发出活性阴离子聚合后，人们开始试图,开发活性阳离子聚合。,其依据是：,它们在聚合机理上有相似之处。,事实并非如此，原因有：,副反应多,聚合反应难控制,反应活性相对低,1,从,机理上分析,一般这类聚合的活性中心（碳阳离子）的稳定性差。,存在如下副反应：,CH-CH,+,B,-,CH=CH +H,+,B,-,X,X,H,-,位质子氢,酸性较强,结果：使聚合易产生链转移,其,-,位质子,氢,的,酸性还与反离子有关,2,思考的问题,阳离子聚合是否能实现活性化？,活性化的基本原理是什麽？,3,阳离子聚合的三种平衡态,A,+,B,-,A,+,B,-,A,+,+B,-,自由离子对聚合速率贡献最大,松动离子对,紧密离子对,讨论：,按照阳离子聚合特征，其活性化是否从提高活性入手？,4,日本京都大学东村敏延的研究工作,苯乙烯单体 聚苯乙烯,双峰性分子量分布现象,分子量,高,低,溶剂极性,高,低,虚线：高转化率,实线,:,低转化率,溶剂：,CH,2,Cl,2,HClO,4,CH,2,Cl,2,5,实验现象,1.,分子量分布曲线出现双峰。,2.,峰值随溶剂极性的变化而变化。,3.,高极性溶剂时，其峰出现高分子量一侧的单峰。,4.,低极性溶剂时，也只出现低分子量一侧的单峰。,5.,低分子量,产物的,M,n,与,转化率有关；而,高分子量,产物的,M,n,与转化率几乎无关。,6,讨论,这种实验现象揭示出了什么结果？,聚合体系中存在两种活性种,活性种形态与溶剂极性有关,阳离子活性聚合与反离子,(,引发剂）,有关,7,CH,2,-CH,+,B,-,CH,2,-CH,+,+B,-,X,X,非,离解状态的离子对,裸阳,离子,双峰实验结果的本质,虽然其反应活性较弱，,-,氢酸性较弱，不易发生链转移，活性种寿命长。,M,n,与转化率有关,裸阳,离子活性高，寿命短，易形成高分子量聚合物。,M,n,与转化率无关,低分子量一侧,高分子量一侧,8,活性阳离子聚合机理,在,阳离子聚合中，利用特定的反离子与碳阳离子,之间的相互作用，使不安定的碳阳离子安定化。,安定化含义,有利于阳离子活性聚合的适宜松散程度的且不易,发生链转移的离子对,R,i,Rp,实现活性阳离子聚合的基本原理,9,活性阳离子聚合的开发,国际上主要两大,Research Group:,日本高分子学会前会长、京都大学,东村敏延,为代表的研究组对乙烯基醚类单体进行了广泛,研究,美国,Arkron,大学,J.P.Kennedy,为代表的研究组,对异丁烯单体进行了广泛研究,10,乙烯基醚类单体（,CH,2,=CHOR,）,的,活性阳离子聚合方法,用反离子使碳阳离子安定化,（,1,）,HI/I,2,引发体系（原始工作）,nCH,2,=CH (CH,2,-CH),n,O-i-Bu O-i-Bu,HI/I,2,问题,在上述体系中如何确定引发剂和催化剂？,11,乙烯基醚类单体（,CH,2,=CHOR,）,的,活性阳离子聚合方法,上述工作获得成功前人们也进行过如下尝试：,nCH,2,=CH (CH,2,-CH),n,O-i-Bu O-i-Bu,I,2,活性化？,nCH,2,=CH (CH,2,-CH),n,O-i-Bu O-i-Bu,HI,活性化？,得到加成物,PIBVE,分子量分布很宽,IBVE,单体,12,乙烯基醚类单体（,CH,2,=CHOR,）,的,活性阳离子聚合方法,而使用,HI/I,2,引发体系,活性阳离子聚合获得成功,nCH,2,=CH (CH,2,-CH),n,O-i-Bu O-i-Bu,HI/I,2,CH,3,CH,I,CH,3,-CH,I,O-i-Bu,O-i-Bu,I,2,I,2,CH,3,CH,CH,2,-CH,I,O-i-Bu,O-i-Bu,I,2,IBVE,+,-,+,-,13,乙烯基醚类单体（,CH,2,=CHOR,）,的,活性阳离子聚合方法,确定,HI/I,2,引发剂？活化剂？,高分子数目及其分子量只与,HI,有关,DP=IBVE,0,/HI,0,HI,0,Rp,HI,为引发剂；,I,2,为活化剂,14,从,研究结果得出的两个推论,1,阳离子活性聚合反应中，活化剂的路易士酸酸性,要适中。,太弱起不到活化作用；太强起不到安定作用,2,除,HI/I,2,引发体系外，肯定存在其它引发剂,/,活化剂,组合的阳离子活性聚合引发体系。,例如,HI/ZnI,2,引发体系 （改变活化剂）,磷酸酯,/ZnI,2,引发体系（改变引发剂）,15,乙烯基醚类单体（,CH,2,=CHOR,）,的,活性阳离子聚合方法,2,添加弱碱使碳阳离子安定化,（,1,）,添加醚类,（,2,）添加酯类,（,3,）添加胺类,16,乙烯基醚类单体（,CH,2,=CHOR,）,的,活性阳离子聚合方法,CH,3,CH OOCCH,3,O-R,EtAlCl,2,CH,3,CH,OC-CH,3,O-R,O AlEtCl,2,CH,2,=CH,O-R,CH,3,COOH,远离碳阳离子非安定化,+,添加,强,路易士酸不能对碳阳离子起保护作用，如：,17,乙烯基醚类单体（,CH,2,=CHOR,）,的,活性阳离子聚合方法,添加醚类可使碳阳离子转变为安定的氧阳离子结构,CH MXnY,OR,CH O MXnY,OR,O,+,-,+,-,添加醚的结构应考虑立体位阻作用,18,活性阳离子聚合的影响因素,碳阳离子,安定化,阳离子活性聚合,碳阳离子亲电性,反离子亲核性,活化剂的酸性,反离子自身亲核性,单体,结构,19,反,离子的亲核性及其影响,CH,2,=CH CH,3,-CH-B,OR OR,HB,CH,3,-CH,B,MXn,活性聚合,OR,MXn,20,讨论,如何设计实验研究其酸根的影响？,1,）不同酸根离子的影响,21,同类酸根的影响,R M,w,/M,n,-CH,3,1.31,-CH,2,Cl 1.21,-CHCl,2,1.12,-CCl,3,1.07,-CF,3,1.06,不同酸根的影响,方案：,设计不同,R,基团的,RCOOH,作引发剂,方案：,改用,RSO,3,H,作引发剂代替,RCOOH,22,酸性适中，有利于阳离子的安定化，实现活性聚合,体系中以强路易士酸作活化剂时，可添加,季铵盐,或,季鏻盐,实现活性化。,目的：提高反离子的亲核性,思考：从安定化角度出发，应注意什麽？,2,）不同活化剂的影响,3,）添加盐的影响,23,单体结构对活性聚合的影响,单体结构,单体的,亲电性,离子对的,紧密程度,（安定化）,对,乙烯基单体，其取代基的供电性越大，由此而产生的,碳阳离子的亲电性越小，越稳定。,24,单体结构对活性聚合的影响,例如：,CH,2,=CH,OR,HI/I,2,活性聚合,CH,2,=CH,CH,3,HI/I,2,不能进行活性聚合,25,活性阳离子聚合在合成中的应用,1.,不同侧基的单分散聚合物合成,序列结构可控性在聚合物的合成中应注意考虑的,两项措施：,（,1,）第二单体的反应性要小于第一单体,（,2,）加入第二单体的摩尔量要与引发剂量相同,26,不同侧基的单分散聚合物合成实例,nCH,2,=CH H (CH,2,-CH),n,OCH,3,O O,C(COOEt),3,C(COOEt),3,HI/I,2,甲笨,HOCH,3,H (CH,2,-CH),n,OCH,3,O,C(COONa),3,H (CH,2,-CH),n,OCH,3,O,CH,2,COOH,NaOH,H,+,作用？,亲水性聚合物如何控制其水溶性大小,27,方法,1,调节其单体侧基碳链长度,方法,2,通过序列可控性预聚物合成及其聚合实现,序列结构可控性预聚物,(,大单体,DP,5,）合成,CH,3,-,CH,I,CH,3,-CH,I,O-i-Bu,O-i-Bu,ZnI,2,ZnI,2,+,-,CH,2,=CH,O-i-Bu,HI,甲苯,-40,第一单体,IBVE,CH,3,-,CH-,CH,2,-CH,I,O-i-Bu,O-CH,2,-CH,2,-OCO,+,-,ZnI,2,CH,2,=CHOCH,2,CH,2,OCO,第二单体,BOVE,CH,3,-,CH-,CH,2,-CH-C-CH,2,CH,2,OCH=CH,2,O-i-Bu,O-CH,2,-CH,2,-OCO,COOEt,COOEt,NaC(COOEt),2,CH,2,CH,2,OCH=CH,2,过量,+,-,作用？,采取何种措施保证每个预聚物分子中只进入一个,BOVE,？,28,活性阳离子聚合在合成中的应用,2.,带有特定端基的聚合物合成,引发剂法合成中需考虑两点,（,1,）引发剂的种类、用量,（,2,）加料顺序对结构的影响（活化剂与单体同时加入）,终止剂法中,注意,终止剂（亲核试剂）的选择：,（,1,）亲核性不能太强,（,2,）较温和反应条件,偶联剂法中偶联剂是作阳离子聚合终止剂的亲核试剂,CH,2,=C-OCH,2,CH,2,CH,2,O-C=CH,2,OSi(CH,3,),3,OSi(CH,3,),3,-45,硅基烯醇醚,（否则将导致脱氢生成端基双键）,29,引发剂法（注意两点）,CH,2,=CH CH,3,-CH-I,O O,X X,HI,CH,2,=CH,OR,I,2,CH,3,-CH,O,X,CH,2,CH,OR,I,I,2,+,-,选择带所需侧基（,X,）的乙烯基醚类,单体与,HI,加成。单体：引发剂,=1,：,1,活化剂和单体同时加人,以保证每一大分子端基,带有一个,X,基团,30,终止剂法与引发剂和终止剂法两者联用,偶联剂法,CH,2,-CH,I,ZnI,2,+,Nu-X,CH,2,-CH-,Nu-X,OR,OR,+,-,(,选用亲核试剂作终止剂）,X,O-CH,=,CH,2,HCl,X,O-,CHCl,_,CH,3,nIBVE/ZnCl,2,CH,2,Cl,2,-15,+,-,(),n,X,O-CH,_,CH,3,CH,2,CH,CH,2,-CH,Cl,O-i-Bu,O-i-Bu,ZnCl,2,1/2-45,X,O-CH,_,CH,3,CH,2,CH,O-i-Bu,(),n,CH,2,-C-O(CH,2,),3,O-C-CH,2,(CHCH,2,),n,CH-O X,CH,3,O-i-Bu,=,=,O,O,31,活性阳离子聚合在合成中的应用,3.,大单体的合成,一般应用终止剂法，所用官能性终止剂的官能团应是,可聚合的双键或环氧基团,等。,4,.,嵌段共聚物的合成,通过分子设计及各种单体的有机组合可合成不同组成与性能的嵌段共聚物。,乙烯基醚类的,AB,型两,嵌段共聚物合成,乙烯基醚类的,ABA,型三,嵌段共聚物合成,可用分步投料法和双向引发剂法,5.,接枝共聚物的合成,在活性阳离子聚合中，可考虑应用大单体法。,CH,2,=CH CH=CH,2,O-(CH,2,),4,-O,(,双向引发剂）,32,活性阳离子聚合在合成中的应用,6.,星状共聚物的合成,引发剂法,该法的关键在于多官能性引发剂的合成。,偶联剂法,利用多元硅基烯基醚作终止剂或使用双官能性单体聚合偶联,C,CH,2,=C-OCH,2,CH,2,=C-OCH,2,CH,2,O-C=CH,2,OSi(CH,3,),3,OSi(CH,3,),3,OSi(CH,3,),3,OSi(CH,3,),3,CH,2,O-C=CH,2,-80,33,引发剂法,COCl,COCl,lCOC,=,O-CH,NaO,CH,2,COO O-CH,3,CH,2,=,COO O-CH,OC-CF,3,3,CH,3,-,=,O,CF,3,COOH,多功能性引发剂的合成,COO,COO,OOC,CH,2,=CH-O-i-Bu,EtAlCl,2,-72,星状共聚物,CH,3,OH,NaOH,HO,O-CH,_,CH,3,(CH,2,CH),n,O-i-Bu,OCH,3,如何设计该三臂星状聚合物的表征实验？,-73,反离子部分,34,偶联剂法,CH,2,=CH,O-i-Bu,ZnCl,2,CH,3,-CHCl,O-i-Bu,CH,2,-,CH-,CH,2,-CH,Cl,O-i-Bu,O-,iBu,+,-,(),n,H-,HCl,1/4,80,C,CH,2,O,C-CH,2,CH,CH,2,-,CH-CH,3,O-i-Bu,O-iBu,(),n,=,O,4,+Si(CH,3,),3,Cl+ZnCl,2,四臂星状聚合物,利用多元硅基烯基醚作终止剂,35,使用双官能性单体聚合偶联,CH,3,-CH,OR,CH,2,CH,OR,-,I,ZnI,2,CH,2,=CH-O O-C-O O-CH=CH,2,CH,3,CH,3,R,O,O,R,O,O,R,O,O,R,O,O,R,O,O,R,O,O,+,+,双官能性单体,-84,（过量）,R,加入终止剂,CH,3,OH,核,+,36,活性阳离子聚合在合成中的应用,合成中后进一步思考的问题：,对这类特殊结构的聚合物如何表征？,核连接不同,A,、,B,链如何合成？,如何控制核的尺寸大小？,37,活性阳离子聚合在合成中的应用,双聚合性基团法,在活性阳离子聚合体系中加入双官能性单体聚合，,合成中间具有核心,(Core),结构的星状聚合物。,只有,A,链,思考：,如何合成这种既有,A,链又含,B,链的复杂结构,的聚合物？,又有,B,链,或同一链上,既有,A,又有,B,38,活性阳离子聚合在合成中的应用,7.,环状共聚物的合成,对异丁烯类单体，在环状叔丁酯和,BCl,3,的条件下，通过环扩张聚合来合成这种环状结构的聚异丁烯。聚合中，应用醋酸根反离子使碳阳离子安定化。,39,异丁烯类单体活性聚合,CH,3,-C-O,-C-CH,3,=,O,CH,3,CH,3,BCl,3,CH,2,=C(CH,3,),2,CH,3,-C,CH,3,CH,3,CH,2,-C,CH,3,CH,3,O-C-CH,3,O BCl,3,+,-,CH,3,-C,CH,3,CH,3,CH,2,-C,CH,3,CH,3,CH,2,-C,CH,3,CH,3,(),n,O-C-CH,3,O BCl,3,+,-,nCH,2,=C(CH,3,),2,醋酸根反离子使碳阳离子安定化,40,环状结构的聚异丁烯合成,（从得到启发）,CH,2,=C,CH,3,CH,3,BCl,3,=,O,O,Ar,R,-,丁内酯,=,O,O,Ar,R,CH,2,-C,CH,3,CH,3,BCl,3,nCH,2,=C(CH,3,),2,O,O,CH,2,-C,CH,3,CH,3,BCl,3,R,Ar,CH,2,-C,CH,3,CH,3,n,吡啶,O,O,Ar,R,CH,2,-C,CH,3,CH,3,=,n,环扩张聚合,问题：环状结构表征？,41,环状,聚异丁烯聚合物的表征,据此特性，如何设计表征实验？确定是环状结构,而不是线型结构。,特性：,环状,聚异丁烯,表观分子量,(,链末端距为零，其均方旋转半径小）,线型聚异丁烯,分子量,42,环状,聚异丁烯聚合物的表征实验,应用,GPC,测定环状聚异丁烯的,表观,分子量,以,GPC,测定环状聚异丁烯水解产物的分子量,比较其分子量大小，如结果有：,未水解聚合物分子量水解聚合物分子量,环状聚合物,43,