高分子化学课件第七章配位聚合

1第七章配位聚合7.1引言乙烯和丙烯都是热力学聚合倾向很大的单体，但很长一段时期未能聚合得到高分子量聚合物，主要是未找到合适引发剂和聚合条件。1938～1939年间，英国ICI公司用氧为引发剂，在高温（180～200℃）和高压（150～300MPa）条件下聚合得到聚乙烯，其聚合为自由基机理。产物分子链中带有较多支链，密度较低，因此称为高压聚乙烯或低密度聚乙烯。21953年，德国人K.Ziegler采用TiCl4-Al(C2H5)3为引发剂，在低温（60～90℃）和低压（0.2～1.5MPa）条件下实现了乙烯的聚合。分子链中支链较少，结晶度较高，密度达0.94～0.96。因此称为低压聚乙烯或高密度聚乙烯。1954年，意大利人G.Natta采用TiCl3-Al(C2H5)3为引发剂，实现了丙烯的聚合，产物具有高度的等规度，熔点达175℃。TiCl4-Al(C2H5)3称为Ziegler引发剂，TiCl3-Al(C2H5)3称为Natta引发剂，合称为Ziegler—Natta引发剂。3Goodrich-Gulf公司采用TiCl4-AlEt3引发体系使异戊二烯聚合，得到高顺式1,4-聚异戊二烯（顺式率达95%～97%）。Firestone轮胎和橡胶公司采用Li或烷基锂引发丁二烯聚合，得到高顺式1,4-聚丁二烯（顺式率90%～94%）。重要意义：可使乙烯、丙烯等低级烯烃聚合，产物具有高度规整性47.2聚合物的立体规整性立体异构由于分子中的原子或基团的空间构型和构象不同而产生的异构光学异构几何异构7.2.1聚合物的立体异构体结构异构（同分异构）：化学组成相同，原子和原子团的排列不同头－尾和头－头、尾－尾连接的结构异构两种单体在共聚物分子链上不同排列的序列异构构型异构构象异构5光学异构体光学异构体（也称对映异构体）,是由于分子中含有手征性碳原子引起，分为R（右）型和S（左）型两种异构体。对于-烯烃聚合物，分子链中与R基连接的碳原子有下述结构：由于连接C*两端的分子链不等长，或端基不同，C*应当是手征性碳原子。但这种手征性碳原子并不显示旋光性，原因是紧邻C*的原子差别极小，故称为假手性原子。C*RH6根据手性C*的构型不同，聚合物分为三种结构：全同和间同立构聚合物统称为有规立构聚合物。如果每个结构单元上含有两个立体异构中心，则异构现象就更加复杂。HHHHRRRRRRRRHHHHRRRRHHHH全同立构Isotactic间同立构Syndiotactic无规立构Atactic7几何异构体几何异构体是由聚合物分子链中双键或环形结构上取代基的构型不同引起的，如异戊二烯的1,4-聚合产物有两种几何异构体。CH2CH2CHCCH3nCH2CH2CH2HCH3HCH3CCCH2CC顺式构型反式构型聚异戊二烯87.2.2光学活性聚合物是指聚合物不仅含有手性碳原子，而且能使偏振光的偏振面旋转，真正具有旋光性，这种聚合物称为光学活性聚合物。有两种方法可制备光学活性聚合物：改变手性碳原子C*的近邻环境一种等量R和S的外消旋单体，聚合后得到也是等量外消旋聚合物的混合物，无旋光活性。而采用一种光学活性引发剂，聚合后可改变R和S的比例。9将这种光学引发剂优先选择一种对映体进入聚合物链的聚合反应称为立构选择性聚合。CH2CHSCH2CHS**CH3CH3R/S=75/25光学活性聚合物CH2CHCH3S*tBuCHCH2OHOH*(R)ZnEt2光学活性引发剂R/S=50/5010将侧基中含有手性C*的烯烃聚合CHCH3CH2CHCH3CH2*CH3CHCH2Et*(S)2ZnTiCl4CHCH3CH2CHCH2CHCH3CH2*CHCH3CH3CH2***（S＝100）R/S=50/50113.立构规整性聚合物的性能-烯烃聚合物聚合物的立构规整性影响聚合物的结晶能力。聚合物的立构规整性好，分子排列有序，有利于结晶高结晶度导致高熔点、高强度、高耐溶剂性如：无规PP，非结晶聚合物，蜡状粘性体，密度0.85,无用途。全同PP和间同PP，高度结晶材料，具有高强度、高耐溶剂性，用作塑料和合成纤维。全同PP的Tm为175℃，可耐蒸汽消毒，密度0.90。12二烯烃聚合物如丁二烯聚合物：1,2聚合物都具有较高的熔点对于合成橡胶，希望得到高顺式结构。全同Tm＝128℃间同Tm＝156℃1,4聚合物反式1,4聚合物Tg=－80℃,Tm=148℃较硬的低弹性材料顺式1,4聚合物Tg=－108℃,Tm=2℃是弹性优异的橡胶13立构规整度的测定聚合物的立构规整性用立构规整度表征。立构规整度：是立构规整聚合物占总聚合物的分数，是评价聚合物性能、引发剂定向聚合能力的重要指标。结晶比重熔点溶解行为化学键的特征吸收根据聚合物的物理性质进行测定14也可用红外光谱的特征吸收谱带测定聚丙烯的全同指数(IIP)＝沸腾正庚烷萃取剩余物重未萃取时的聚合物总重IIP＝KA975A1460全同螺旋链段特征吸收，峰面积甲基的特征吸收，峰面积K为仪器常数全同聚丙烯的立构规整度（全同指数、等规度）常用沸腾正庚烷的萃取剩余物所占百分数表示15二烯烃聚合物的立构规整度用某种立构体的百分含量表示，可用IR、NMR测定。聚丁二烯IR吸收谱带立构规整度与结晶度有关，但不一定一致。高顺式1,4聚丁二烯的分子链非常规整，但常温无负荷时不结晶。全同1,2：991、694cm－1间同1,2：990、664cm－1顺式1,4：741cm－1反式1,4：964cm－1167.3.1配位聚合的定义配位聚合是指烯类单体的碳－碳双键首先在过渡金属引发剂活性中心上进行配位、活化，随后单体分子相继插入过渡金属－碳键中进行链增长的过程。链增长反应可表示如下：7.3配位聚合的基本概念17MtCHCH2CHCH2R-+δδ¦Ä¦Ä¦ÄMtCHCH2-+CHCH2RδδCHCH2CHCH2δMt+δ-RR过渡金属空位环状过渡状态链增长过程的本质是单体对增长链端络合物的插入反应18单体首先在过渡金属上配位形成络合物反应是阴离子性质间接证据：-烯烃的聚合速率随双键上烷基的增大而降低CH2=CH2CH2=CH－CH3CH2=CH－CH2－CH3直接证据：用标记元素的终止剂终止增长链14CH3OH14CH3O－＋H＋7.3.2配位聚合的特点19增长反应是经过四元环的插入过程δδRCHCH2+-CHCH2Mt¦Ä¦Ä¦Äδδ--+过渡金属阳离子Mt+对烯烃双键碳原子的亲电进攻增长链端阴离子对烯烃双键碳原子的亲核进攻得到的聚合物无14C放射性，表明加上的是H＋，由此可表明链端是阴离子。因此，配位聚合属于配位阴离子聚合插入反应包括两个同时进行的化学过程。20一级插入单体的插入反应有两种可能的途径δδ+-RCHCH2CHCH2Mt+Rδδ+-CHCH2CHCH2MtRR不带取代基的一端带负电荷，与过渡金属相连接，称为一级插入。21带有取代基一端带负电荷并与反离子相连，称为二级插入。CH2CHδMt+δ-RRCH2CH+δδ+-CH2CHCH2CHMtRR二级插入22两种插入所形成的聚合物的结构完全相同，但研究发现：丙烯的全同聚合是一级插入，丙烯的间同聚合却为二级插入23配位聚合、络合聚合在含义上是一样的，可互用。一般认为，配位比络合表达的意义更明确配位聚合的结果：可以形成有规立构聚合物也可以是无规聚合物定向聚合、有规立构聚合这两者是同义语，是以产物的结构定义的，都是指以形成有规立构聚合物为主的聚合过程。乙丙橡胶的制备采用Z－N催化剂，属于配位聚合，但结构是无规的，不是定向聚合。几种聚合名称含义的区别247.3.3配位聚合引发剂与单体引发剂和单体类型Ziegler-Natta引发剂-烯烃有规立构聚合二烯烃环烯烃有规立构聚合-烯丙基镍型引发剂：专供丁二烯的顺、反1,4聚合烷基锂引发剂（均相）极性单体二烯烃有规立构聚合引发剂的相态和单体的极性非均相引发剂，立构规整化能力强均相引发剂，立构规整化能力弱极性单体:失活-烯烃：全同极性单体:全同-烯烃：无规25配位引发剂的作用一般说来，配位阴离子聚合的立构规整化能力取决于提供引发聚合的活性种提供独特的配位能力主要是引发剂中过渡金属反离子，与单体和增长链配位，促使单体分子按照一定的构型进入增长链。即单体通过配位而“定位”，引发剂起着连续定向的模型作用引发剂的类型特定的组合与配比单体种类聚合条件267.4Ziegler-Natta(Z-N)引发剂主引发剂Ⅷ族：Co、Ni、Ru、Rh的卤化物或羧酸盐主要用于二烯烃的聚合7.4.1Z-N引发剂的组分是周期表中Ⅳ～Ⅷ过渡金属化合物TiZrVMoWCr的卤化物氧卤化物乙酰丙酮基环戊二烯基Ⅳ～Ⅵ副族：TiCl3(、、)的活性较高MoCl5、WCl6专用于环烯烃的开环聚合主要用于-烯烃的聚合27Ⅰ～Ⅲ主族的金属有机化合物主要有：RLi、R2Mg、R2Zn、AlR3R为1～11碳的烷基或环烷基有机铝化合物应用最多：AlHnR3－nAlRnX3－nn=0～1X=F、Cl、Br、I当主引发剂选同TiCl3，从制备方便、价格和聚合物质量考虑，多选用AlEt2Cl。Al/Ti的mol比是决定引发剂性能的重要因素适宜的Al/Ti比为1.5~2.5共引发剂28第三组分评价Z-N引发剂的依据产物的立构规整度质量聚合速率产量:g产物/gTi两组分的Z-N引发剂称为第一代引发剂500～1000g/gTi为了提高引发剂的定向能力和聚合速率，常加入第三组分（给电子试剂）含N、P、O、S的化合物：(CH3)2N3P=O(C4H9)2ON(C4H9)3六甲基磷酰胺丁醚叔胺29加入第三组分的引发剂称为第二代引发剂引发剂活性提高到5×104gPP/gTi第三代引发剂，除添加第三组分外，还使用了载体，如：MgCl2、Mg(OH)Cl引发剂活性达到6×105g/gTi或更高就两组分反应后形成的络合物是否溶于烃类溶剂7.4.2Z-N引发剂的类型将主引发剂、共引发剂、第三组分进行组配，获得的引发剂数量可达数千种，现在泛指一大类引发剂。可溶性均相引发剂不溶性非均相引发剂，引发活性和定向能力高分为30形成均相或非均相引发剂，主要取决于过渡金属的组成和反应条件如：TiCl4或VCl4AlR3或AlR2Cl在－78℃反应可形成溶于烃类溶剂的均相引发剂温度升高，发生不可逆变化，转化为非均相低温下只能引发乙烯聚合活性提高，可引发丙烯聚合与组合TiCl4TiCl2VCl3AlR3或AlR2Cl与组合反应后仍为非均相，-烯烃的高活性定向引发剂又如：317.4.3使用Z-N引发剂注意的问题主引剂是卤化钛，性质非常活泼，在空气中吸湿后发烟、自燃，并可发生水解、醇解反应共引发剂烷基铝，性质也极活泼，易水解，接触空气中氧和潮气迅速氧化、甚至燃烧、爆炸在保持和转移操作中必须在无氧干燥的N2中进行在生产过程中，原料和设备要求除尽杂质，尤其是氧和水分聚合完毕，工业上常用醇解法除去残留引发剂327.5-烯烃的配位阴离子聚合1.Natta的双金属机理1959年由Natta首先提出，以后得到一些人的支持,要点如下：引发剂的两组分首先起反应，形成含有两种金属的桥形络合物聚合活性中心配位聚合机理，特别是形成立构规整化的机理，一直是该领域最活跃、最引人注目的课题至今没有能解释所有实验的统一理论有两种理论获得大多数人的赞同33-烯烃的富电子双键在亲电子的过渡金属Ti上配位，生成-络合物TiCl3+AlEt3AlTiClClClCH3CH2EtEt活性中心CH2CHRAlTiClClClCH3CH2EtEtCH2CHCH3-络合物缺电子的桥形络合物部分极化后，由配位的单体和桥形络合物形成六元环过渡状态βα34极化的单体插入Al－C键后，六元环瓦解，重新生成四元环的桥形络合物TiClClClAlCH2CHCH3CH2CH3六元环过渡状态AlTiClClClCHCH2EtEtTiClClC2H5CH3AlTiClClClCHCH2EtEtTiCl