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1、高分子化学第八章 开环聚合2022/10/20高分子化学高分子化学本讲稿第一页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学8.1 概述概述 环状单体开环相互连接形成线型聚合物的过程，称为环状单体开环相互连接形成线型聚合物的过程，称为开环聚合开环聚合。开环。开环聚合为链式聚合反应，包括链引发、链增长和链终止等基元反应。但开环聚合聚合为链式聚合反应，包括链引发、链增长和链终止等基元反应。但开环聚合反应与乙烯基单体的链式聚合反应又有所区别，其链增长反应速率常数与许多反应与乙烯基单体的链式聚合反应又有所区别，其链增长反应速率常数与许多逐步聚合反应的速率常数相似，而比通常乙烯基单体的链式聚合反应
2、低数个数逐步聚合反应的速率常数相似，而比通常乙烯基单体的链式聚合反应低数个数量级。量级。环状单体开环聚合的难易取决于热力学和动力学两方面因素。从热环状单体开环聚合的难易取决于热力学和动力学两方面因素。从热力学因素考虑，环的张力越大，则环的稳定性越低，容易开环聚合。力学因素考虑，环的张力越大，则环的稳定性越低，容易开环聚合。单体单体 环丙烷环丙烷 环丁烷环丁烷环戊烷环戊烷环己烷环己烷 环庚烷环庚烷 环辛烷环辛烷G kcal/mol)-22.1-21.2-2.21.4-3.9-8.2一些环烷烃转变为线形高分子时的一些环烷烃转变为线形高分子时的G本讲稿第二页，共二十三页2022/10/20高分子化学
3、高分子化学 可见除环己烷外，其余环烷烃的开环聚合的可见除环己烷外，其余环烷烃的开环聚合的G 均小于均小于0，反应在热，反应在热力学上都是可行的，其热力学可行性顺序为力学上都是可行的，其热力学可行性顺序为:三元环三元环,四元环四元环 八元环八元环 五元环五元环,七元环七元环 如只从热力学因素考虑，除环己烷外，其余环烷烃的开环聚合都是可行的。如只从热力学因素考虑，除环己烷外，其余环烷烃的开环聚合都是可行的。可事实上只有环张力很大的环丙烷和环丁烷可以开环聚合，但通常也只能得到可事实上只有环张力很大的环丙烷和环丁烷可以开环聚合，但通常也只能得到低聚物，这主要是低聚物，这主要是动力学上的原因动力学上的原
4、因。环烷烃的键极性小，不易受引发活性种进攻而开环。而杂环化合物中的环烷烃的键极性小，不易受引发活性种进攻而开环。而杂环化合物中的杂原子易受引发活性种进攻并引发开环，在动力学上比环烷烃更有利于开环杂原子易受引发活性种进攻并引发开环，在动力学上比环烷烃更有利于开环聚合。聚合。因此，绝大多数的开环聚合单体都是因此，绝大多数的开环聚合单体都是杂环化合物杂环化合物，包括，包括环醚、环缩醛、内环醚、环缩醛、内酯、内酰胺、环胺、环硫醚、环酸酐酯、内酰胺、环胺、环硫醚、环酸酐等。等。本讲稿第三页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学8.2 阳离子开环聚合反应阳离子开环聚合反应8.2.1 环环 醚
5、醚 环醚分子中的环醚分子中的 C-O 键是其活性基，其中的键是其活性基，其中的O具有具有Lewis碱性，因此除张碱性，因此除张力大的三元环环氧化物外，力大的三元环环氧化物外，环醚只能进行阳离子开环聚合环醚只能进行阳离子开环聚合。常见的只含一个醚键的环醚单体包括三元环（环氧化物）、四元环（如环常见的只含一个醚键的环醚单体包括三元环（环氧化物）、四元环（如环丙醚）和五元环（如四氢呋喃）；常见的含两个以上醚键的环醚单体主要为环丙醚）和五元环（如四氢呋喃）；常见的含两个以上醚键的环醚单体主要为环缩醛，如三聚甲醛：缩醛，如三聚甲醛：环氧化物环氧化物 环丙醚环丙醚 四氢呋喃四氢呋喃 三聚甲醛三聚甲醛本讲稿
6、第四页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 (1)链引发链引发 许多用于乙烯基单体阳离子聚合反应的引发剂也可用于环醚的阳离许多用于乙烯基单体阳离子聚合反应的引发剂也可用于环醚的阳离子开环聚合，包括强质子酸、子开环聚合，包括强质子酸、Lewis酸、碳阳离子源酸、碳阳离子源/Lewis酸复合体系等。酸复合体系等。以质子酸引发四氢呋喃聚合为例：以质子酸引发四氢呋喃聚合为例：二级环氧鎓离子二级环氧鎓离子三级氧鎓离子链增长活性中心三级氧鎓离子链增长活性中心本讲稿第五页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 首先质子与环醚单体形成二级环氧鎓离子，其首先质子与环醚单体形成二级环
7、氧鎓离子，其-C具有缺电子性，具有缺电子性，当它与另一单体反应时，单体的当它与另一单体反应时，单体的O 对对-C亲核进攻使环氧鎓离子开环，生成亲核进攻使环氧鎓离子开环，生成三级氧三级氧鎓鎓离子链增长活性中心离子链增长活性中心。在四氢呋喃等活性较低环醚单体的聚合反应中，常加入少量活泼在四氢呋喃等活性较低环醚单体的聚合反应中，常加入少量活泼三元环醚单体如环氧乙烷提高引发速率。此时引发反应首先通过活泼三元环醚单体如环氧乙烷提高引发速率。此时引发反应首先通过活泼单体形成二级或三级氧鎓离子活性种，再引发低活性的单体聚合，此单体形成二级或三级氧鎓离子活性种，再引发低活性的单体聚合，此时活泼单体可看作是时活
8、泼单体可看作是引发促进剂引发促进剂。（2 2）链增长反应）链增长反应 链增长反应为单体的链增长反应为单体的 O 对增长链的三级环氧鎓离子活性中心的对增长链的三级环氧鎓离子活性中心的-C的亲核进攻反应。以四氢呋喃的聚合为例：的亲核进攻反应。以四氢呋喃的聚合为例：本讲稿第六页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 （3）链转移反应）链转移反应 向高分子的链转移反应是环醚阳离子开环聚合中常见的链转移反应。与链向高分子的链转移反应是环醚阳离子开环聚合中常见的链转移反应。与链增长反应相似，聚合物分子中的增长反应相似，聚合物分子中的O 也可亲核进攻氧鎓离子链增长活性中心生成也可亲核进攻氧鎓离
9、子链增长活性中心生成三级氧鎓离子，然后单体进攻该氧鎓离子使增长链再生：三级氧鎓离子，然后单体进攻该氧鎓离子使增长链再生：本讲稿第七页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 向高分子的链转移反应也可发生在分子内向高分子的链转移反应也可发生在分子内,常称为常称为“回咬回咬“反应，结果反应，结果得到环状低聚物：得到环状低聚物：链增长与向高分子链转移是一对竞争反应，它取决于单体与高分子中所含链增长与向高分子链转移是一对竞争反应，它取决于单体与高分子中所含醚基亲核性的相对强弱，单体含醚基的相对亲核性越强越有利于链增长，相反醚基亲核性的相对强弱，单体含醚基的相对亲核性越强越有利于链增长，相反
10、则有利于向高分子链转移。则有利于向高分子链转移。三元环醚单体如环氧乙烷聚合链增长时三元环醚单体如环氧乙烷聚合链增长时:环状低聚物环状低聚物本讲稿第八页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 单体中单体中sp3杂化的杂化的O转变为聚合物中转变为聚合物中sp2杂化的氧鎓离子，使键角张力增大，杂化的氧鎓离子，使键角张力增大，环氧乙烷醚基的亲核性远远小于高分子链中醚基的亲核性，这有利于向高分子环氧乙烷醚基的亲核性远远小于高分子链中醚基的亲核性，这有利于向高分子链转移而不利于链增长，易生成环状低聚物。事实上通常的环氧乙烷阳离子聚链转移而不利于链增长，易生成环状低聚物。事实上通常的环氧乙烷阳
11、离子聚合的主要产物为合的主要产物为1,4-二氧六环（二氧六环（80%90%）,因此环氧乙烷的阳离子开因此环氧乙烷的阳离子开环聚合对于合成线形聚合物并无实用价值。环聚合对于合成线形聚合物并无实用价值。随着单体环的增大，单体与聚合物中醚基的亲核性之比也增大，因此与随着单体环的增大，单体与聚合物中醚基的亲核性之比也增大，因此与环氧乙烷相比，四氢呋喃聚合的环状低聚物少得多，环状低聚物的总含量少环氧乙烷相比，四氢呋喃聚合的环状低聚物少得多，环状低聚物的总含量少于几个百分点。于几个百分点。本讲稿第九页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 （4）链终止反应）链终止反应 阳离子开环聚合的链终止
12、反应主要为增长链氧鎓离子与抗衡阴离子阳离子开环聚合的链终止反应主要为增长链氧鎓离子与抗衡阴离子结合，如：结合，如：环缩醛阳离子开环聚合产物带有末端半缩醛结构，如三聚甲醛环缩醛阳离子开环聚合产物带有末端半缩醛结构，如三聚甲醛（三氧六环）的阳离子开环聚合：（三氧六环）的阳离子开环聚合：本讲稿第十页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 所得聚合物分子链的末端半缩醛结构很不稳定，加热时易发生解所得聚合物分子链的末端半缩醛结构很不稳定，加热时易发生解聚反应分解成甲醛，不具有实用价值。解决方法之一是把产物和乙酐聚反应分解成甲醛，不具有实用价值。解决方法之一是把产物和乙酐一起加热进行封端反应
13、，使末端的羟基酯化，生成热稳定性的酯基。一起加热进行封端反应，使末端的羟基酯化，生成热稳定性的酯基。工业上已用这种方法生产性能优良的工程塑料聚甲醛。工业上已用这种方法生产性能优良的工程塑料聚甲醛。8.2.2 8.2.2 环硅氧烷环硅氧烷 最常见的环硅氧烷单体八甲基环四硅氧烷最常见的环硅氧烷单体八甲基环四硅氧烷(D4)：产物聚硅氧烷是一类以产物聚硅氧烷是一类以Si-O为主链结构的有机硅聚合物，分子量较低为主链结构的有机硅聚合物，分子量较低时呈液态，称硅油，而高分子量时呈橡胶类的高弹性，称硅橡胶。时呈液态，称硅油，而高分子量时呈橡胶类的高弹性，称硅橡胶。本讲稿第十一页，共二十三页2022/10/2
14、0高分子化学高分子化学8.2.3 活化单体机理（活化单体机理（AMM）阳离子开环聚合反应）阳离子开环聚合反应 阳离子开环聚合中，增长链离子活性中心易发生末端阳离子开环聚合中，增长链离子活性中心易发生末端“回咬回咬”反应生成环化反应生成环化低聚物。研究发现，在质子酸引发的环氧乙烷阳离子开环聚合体系中外加醇可低聚物。研究发现，在质子酸引发的环氧乙烷阳离子开环聚合体系中外加醇可减少环化低聚物生成。减少环化低聚物生成。外加醇改变了环氧乙烷阳离子开环聚合机理：外加醇改变了环氧乙烷阳离子开环聚合机理：活活化单体机理化单体机理(AMM)链增长链增长 其离子活性中心在活化单体分子上，而不在增长链末端，因此不会
15、发生回其离子活性中心在活化单体分子上，而不在增长链末端，因此不会发生回咬反应。咬反应。本讲稿第十二页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学8.3 阴离子开环聚合反应阴离子开环聚合反应8.3.1 环氧化物环氧化物 环环醚醚是是Lewis碱碱，一一般般只只能能进进行行阳阳离离子子开开环环聚聚合合。但但三三元元环环环环氧氧化化物物由由于环张力大，是个例外，也能进行阴离子开环聚合。于环张力大，是个例外，也能进行阴离子开环聚合。能能引引发发环环氧氧乙乙烷烷和和环环氧氧丙丙烷烷阴阴离离子子开开环环聚聚合合的的引引发发剂剂包包括括金金属属氢氢氧氧化化物物、金金属属烷烷氧氧化化合合物物、金金属属
16、氧氧化化物物、烷烷基基金金属属化化合合物物以以及及电电子子转转移移阴阴离离子子引引发发剂剂等等。以以环环氧氧乙乙烷烷为为例例，其其阴阴离离子子开开环环聚聚合合过过程程可可示示意意如下：如下：链引发反应链引发反应 本讲稿第十三页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 链增长反应链增长反应 可见链增长活性中心为可见链增长活性中心为烷氧阴离子烷氧阴离子。环氧乙烷的阴离子聚合表现出活性聚合的特征，聚合产物的数均聚合度环氧乙烷的阴离子聚合表现出活性聚合的特征，聚合产物的数均聚合度为：为：本讲稿第十四页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 醇的影响醇的影响 一些金属烷氧化物和
17、氢氧化物引发的聚合反应体系中，为了使引发剂溶于一些金属烷氧化物和氢氧化物引发的聚合反应体系中，为了使引发剂溶于反应溶剂形成均相聚合体系，常需加入适量的醇，所加的醇除了溶解引发剂作反应溶剂形成均相聚合体系，常需加入适量的醇，所加的醇除了溶解引发剂作用外，还可促进增长链阴离子与抗衡阳离子的离解，增加自由离子浓度，加快用外，还可促进增长链阴离子与抗衡阳离子的离解，增加自由离子浓度，加快聚合反应速度。聚合反应速度。在醇的存在下，增长链可和醇之间发生如下交换反应：在醇的存在下，增长链可和醇之间发生如下交换反应：交换反应生成的醇盐可继续引发聚合反应。从形式上看，交换反交换反应生成的醇盐可继续引发聚合反应。
18、从形式上看，交换反应与链转移反应相似，但与链转移反应不同，交换反应生成的端羟基应与链转移反应相似，但与链转移反应不同，交换反应生成的端羟基聚合物并不是聚合物并不是“死死”的聚合物，而只是休眠种，可和增长链之间发生的聚合物，而只是休眠种，可和增长链之间发生类似的交换反应再引发聚合反应：类似的交换反应再引发聚合反应：本讲稿第十五页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 通过交换反应，使醇也可引发单体聚合，因此若无其他链转移反应时，通过交换反应，使醇也可引发单体聚合，因此若无其他链转移反应时，聚合产物的数均聚合度为：聚合产物的数均聚合度为：环氧丙烷的阴离子开环聚合通常只能得到分子量较低
19、的聚合物环氧丙烷的阴离子开环聚合通常只能得到分子量较低的聚合物（60006000），主要原因是聚合反应过程中向单体的链转移反应：），主要原因是聚合反应过程中向单体的链转移反应：本讲稿第十六页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学8.3.2 内酰胺内酰胺 强碱如碱金属、金属氢化物、金属氨基化合物等可与内酰胺反应形成酰强碱如碱金属、金属氢化物、金属氨基化合物等可与内酰胺反应形成酰胺阴离子，但内酰胺的阴离子开环聚合并不是由强碱直接引发，内酰胺的阴胺阴离子，但内酰胺的阴离子开环聚合并不是由强碱直接引发，内酰胺的阴离子开环聚合为离子开环聚合为活化单体机理活化单体机理。以碱金属引发己内酰胺阴
20、离子开环聚合为例，其链引发反应可分为以下三步：以碱金属引发己内酰胺阴离子开环聚合为例，其链引发反应可分为以下三步：本讲稿第十七页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 首先己内酰胺与碱金属反应生成内酰胺阴离子：首先己内酰胺与碱金属反应生成内酰胺阴离子：然后内酰胺阴离子与内酰胺单体的羰基发生亲核加成反应，使单体开环然后内酰胺阴离子与内酰胺单体的羰基发生亲核加成反应，使单体开环生成二聚体伯胺阴离子：生成二聚体伯胺阴离子：本讲稿第十八页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 二聚体伯胺阴离子不与羰基共轭，不稳定，很快从单体的酰胺基上夺取二聚体伯胺阴离子不与羰基共轭，不稳定
21、，很快从单体的酰胺基上夺取H形成含环酰胺结构的二聚物，同时生成己内酰胺阴离子：形成含环酰胺结构的二聚物，同时生成己内酰胺阴离子：本讲稿第十九页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学链增长链增长本讲稿第二十页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学6.3.4 开环易位聚合反应（开环易位聚合反应（ROMP）烯烯烃烃在在某某些些复复合合配配位位催催化化剂剂作作用用下下可可使使双双键键断断裂裂发发生生双双键键再再分分配配反反应，称为烯烃应，称为烯烃易位反应易位反应，如：，如：当环烯烃在同类催化剂作用下发生烯烃易位反应时，开环得到主链当环烯烃在同类催化剂作用下发生烯烃易位反应时
22、，开环得到主链含双键的聚合物，这类环烯烃聚合反应称为开环易位聚合反应，如环含双键的聚合物，这类环烯烃聚合反应称为开环易位聚合反应，如环戊烯的开环易位聚合反应：戊烯的开环易位聚合反应：本讲稿第二十一页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 链引发和链增长反应活性中心为金属碳烯，聚合反应机理可示意如下：链引发和链增长反应活性中心为金属碳烯，聚合反应机理可示意如下：早期使用的早期使用的 ROMP 引发剂为双组分体系，由稀土金属（如引发剂为双组分体系，由稀土金属（如W、Mo、Rh、Ru等）的卤化物等和烷基化试剂（如等）的卤化物等和烷基化试剂（如R4Sn或或RAlCl2等烷基金属）等烷基金
23、属）组成，两组分原位生成金属碳烯。组成，两组分原位生成金属碳烯。这类引发剂具有许多不足，如使产物分子量控制很难，实际生成的这类引发剂具有许多不足，如使产物分子量控制很难，实际生成的金属碳烯浓度低，需要较高的反应温度（金属碳烯浓度低，需要较高的反应温度（100）等，但由于成本低，在）等，但由于成本低，在工业应用中仍有使用。工业应用中仍有使用。本讲稿第二十二页，共二十三页2022/10/20高分子化学高分子化学 新一代引发剂为可分离的稳定金属卡宾复合物，如新一代引发剂为可分离的稳定金属卡宾复合物，如Grubbs引发剂引发剂,活性活性高，使聚合反应可控性更好，甚至可实现活性聚合。高，使聚合反应可控性更好，甚至可实现活性聚合。许多环烯烃和双环烯烃都可通过许多环烯烃和双环烯烃都可通过 ROMP获得高分子量的聚合物，其获得高分子量的聚合物，其中环辛烯、降冰片烯等的中环辛烯、降冰片烯等的ROMP已工业化已工业化:本讲稿第二十三页，共二十三页