Что определяет способность мономеров к полимеризации
Статья по теме: Способность мономеров
Предметная область: полимеры, синтетические волокна, каучук, резина
Способность мономеров к полимеризации обусловлена термодинамическими и кинетическими факторами. Термодинамические факторы определяются количеством свободной энергии, выделяющейся при полимеризации (вследствие перехода напряженных 5р2-гкбридизованных орбнтален атомов углерода в насыщенные ненапряженные 5рг-гибридизованные орбитали) и энтропиен, кинетические — природой активных центров и условиями процесса. Термодинамические и кинетические факторы не взаимосвязаны: например, этилен имеет наибольшую теплоту полимеризации, однако до открытия катализаторов Цнглера — Натта он считался инертным мономером; наоборот, изобутилен. теплота полимеризации которого значительно ниже, чем у этилена, быстро полнмеризуется даже при очень низкой температуре (93 К).[8, С.109]
Способность мономеров участвовать в радикальной или ионной полимеризации зависит от различных факторов [1], в частности от поляризации двойной или других связей (например, в случае циклических мономеров), числа заместителей, природы инициатора и температуры. Если способность мономера к радикальной полимеризации можно установить сравнительно легко, то в случае ионной полимеризации, когда нужно получить полимеры с высокой[10, С.16]
Реакционная способность мономеров при раздельной полимеризации обычно отличается от их реакционной способности при сополимеризации. Так, скорость раздельной полимеризации винилацетата значительно превышает скорость полимеризации стирола. При сополимеризации винилацетата со стиролом реакционная способность стирола во> много раз превышает реакционную способность винилацетата, так как в этих условиях образование стирольного свободного радикала, малоактивного вследствие сопряжения с бензольным кольцом, оказывается энергетически более выгодным, чем образование радикала винилацетата. Аналогично винилхлорид раздельно полимеризуется с большей скоростью, чем стирол. При сополимеризации же стирола с винилхлори-дом реакционная способность стирола настолько больше, чем винил-хлорида, что сополимер практически не образуется.[5, С.114]
Реакционная способность мономеров при раздельной полимеризации обычно отличается от их реакционной способности при сополимеризации. Так, скорость раздельной полимеризации винилацетата значительно превышает скорость полимеризации стирола. При сополимеризации винилацетата со стиролом реакционная способность стирола во много раз превышает реакционную способность винилацетата, так как в этих условиях образование стирольного свободного радикала, малоактивного вследствие сопряжения с бензольным кольцом, оказывается энергетически более выгодным, чем образование радикала винилацетата. Аналогично винилхлорид раздельно полимеризуется с большей скоростью, чем стирол. При сополимеризации же стирола с винилхлори-дом реакционная способность стирола настолько больше, чем винил-хлорида, что сополимер практически не образуется.[5, С.187]
Влияние сопряжения на реакционную способность мономеров можно косвенно характеризовать величиной термохимического эффекта сопряжения*. Эту величину определяют как разность энергий гидрирования или теплот сгорания замещенного и незамещенного мономера. Ниже приведены данные, характеризующие эффект сопряжения двойных связей некоторых мономеров:[2, С.107]
Величины rl и г.2 характеризуют реакционную способность мономеров по отношению к обоим радикалам и дают представление о составе полученного сополимера. Если/-! или г2 больше единицы,[2, С.120]
Используя эту схему, можно оценить относительную реакционную способность мономеров и роль полярных факторов для большого числа пар сополимеризующихся мономеров. За стандартный[3, С.17]
Как и при радикальной сополимеризации, в процессе ионной сополимеризации на реакционную способность мономеров оказывают заметное влияние стерические препятствия. В отдельных случаях они могут приводить к чередованию ii сополимерной цепи[2, С.152]
Активные в процессе анионной полимеризации мономеры содержат электроотрицательные (электроноакцепторные/ заместители. На реакционную способность мономеров в этом процессе оказывает влияние их строение и главным образом степень поляризации двойной связи. По убыванию реакционной способности мономеры располагаются в следующем порядке:[2, С.139]
Полимеризация лактамов [61, 62], протекающая с раскрытием цикла, осуществляется под действием ионных инициаторов. В результате полимеризации образуются линейные полиамиды. Как и в случае лактонов, способность мономеров к полимеризации существенно зависит от числа членов в цикле, от числа и расположения заместителей [63]. Пятичленный лактам (у-бутиролактам) полимеризуется по анионному механизму при низких температурах; однако образующийся полиамид вновь деполимеризуется в присутствии инициаторов при 60—80°С с образованием мономера [64]. Соответствующий шестичленный лактам (б-валеролактам) также способен полимеризоваться [63]. Семичленыый лактам (е-капролактам) может полимеризоваться по катионному, а также по анионному механизмам с образованием высокомолекулярных полиамидов.[10, С.167]
4.2.4. Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки.
Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называют соединения с молекулярной массой более 10000.
Практически все высокомолекулярные вещества являются полимерами.
Полимеры — это вещества, молекулы которых состоят из огромного числа повторяющихся структурных звеньев, соединенных между собой химическими связями.
Полимеры могут быть получены с помощью реакций, которые можно разделить на два основных типа: это реакции полимеризации и реакции поликонденсации.
Реакции полимеризации
Реакции полимеризации — это реакции образования полимера путем объединения огромного числа молекул низкомолекулярного вещества (мономера).
Количество молекул мономера ( n ), объединяющихся в одну молекулу полимера, называют степенью полимеризации.
В реакцию полимеризации могут вступать соединения с кратными связями в молекулах. Если молекулы мономера одинаковы, то процесс называют гомополимеризацией, а если различны — сополимеризацией.
Примерами реакций гомополимеризации, в частности, является реакция образования полиэтилена из этилена:
Примером реакции сополимеризации является синтез бутадиен-стирольного каучука из бутадиена-1,3 и стирола:
Полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и исходные мономеры
Мономер
Получаемый из него полимер
Структурная формула
Варианты названия
Структурная формула
Варианты названия
Реакции поликонденсации
Реакции поликонденсации — это реакции образования полимеров из мономеров, в ходе которых, помимо полимера, побочно образуется также низкомолекулярное вещество (чаще всего вода).
В реакции поликонденсации вступают соединения, в состав молекул которых входят какие-либо функциональные группы. При этом реакции поликонденсации по тому, один используется мономер или больше, аналогично реакциям полимеризации делятся на реакции гомополиконденсации и сополиконденсации.
К реакциям гомополиконденсации относятся:
* образование (в природе) молекул полисахарида (крахмала, целлюлозы) из молекул глюкозы:
* реакция образования капрона из ε-аминокапроновой кислоты:
К реакциям сополиконденсации относятся:
* реакция образования фенолформальдегидной смолы:
* реакция образования лавсана (полиэфирного волокна):
Материалы на основе полимеров
Пластмассы
Пластмассы — материалы на основе полимеров, которые способны под действием нагревания и давления формоваться и сохранять заданную форму после охлаждения.
Помимо высокомолекулярного вещества в состав пластмасс входят также и другие вещества, однако основным компонентом все же является полимер. Благодаря своим свойствам он связывает все компоненты в единую целую массу, в связи с чем его называют связующим.
Пластмассы в зависимости от их отношения к нагреванию делят на термопластичные полимеры (термопласты) и реактопласты.
Термопласты — вид пластмасс, способных многократно плавиться при нагревании и застывать при охлаждении, благодаря чему возможно многоразовое изменение их изначальной формы.
Реактопласты — пластмассы, молекулы которых при нагревании «сшиваются» в единую трехмерную сетчатую структуру, после чего изменить их форму уже нельзя.
Так, например, термопластами являются пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида (ПВХ) и т.д.
Реактопластами, в частности, являются пластмассы на основе фенолформальдегидных смол.
Каучуки
Каучуки — высокоэлластичные полимеры, углеродный скелет которых можно представить следующим образом:
Как мы видим, в молекулах каучуков имеются двойные C=C связи, т.е. каучуки являются непредельными соединениями.
Каучуки получают полимеризацией сопряженных диенов, т.е. соединений, у которых две двойные C=C связи, разделены друг от друга одной одинарной С-С связью.
Так например, особо зарекомендовавшими себя мономерами для получения каучуков являются:
В общем виде (с демонстрацией только углеродного скелета) полимеризация таких соединений с образованием каучуков может быть выражена схемой:
Таким образом, исходя из представленной схемы, уравнение полимеризации изопрена будет выглядеть следующим образом:
Весьма интересным является тот факт, что впервые с каучуком познакомились не самые продвинутые в плане прогресса страны, а племена индейцев, у которых промышленность и научно-технический прогресс отсутствовали как таковые. Естественно, индейцы не получали каучук искусственным путем, а пользовались тем, что давала им природа: в местности, где они проживали (Южная Америка), произрастало дерево гевея, сок которого содержит до 40-50% изопренового каучука. По этой причине изопреновый каучук называют также натуральным, однако он может быть получен и синтетическим путем.
Все остальные виды каучука (хлоропреновый, бутадиеновый) в природе не встречаются, поэтому всех их можно охарактеризовать как синтетические.
Однако каучук, не смотря на свои преимущества, имеет и ряд недостатков. Так, например, из-за того что каучук состоит из длинных, химически не связанных между собой молекул, его свойства делают его пригодным для использования только в узком интервале температур. На жаре каучук становится липким, даже немного текучим и неприятно пахнет, а при низких температурах подвержен затвердеванию и растрескиванию.
Технические характеристики каучука могут быть существенно улучшены его вулканизацией. Вулканизацией каучука называют процесс его нагревания с серой, в результате которого отдельные, изначально не связанные друг с другом, молекулы каучука «сшиваются» друг с другом цепочками из атомов серы (полисульфидными «мостиками»). Схему превращения каучуков в резину на примере синтетического бутадиенового каучука можно продемонстрировать следующим образом:
Волокна
Волокнами называют материалы на основе полимеров линейного строения, пригодные для изготовления нитей, жгутов, текстильных материалов.
Классификация волокон по их происхождению
Искусственные волокна (вискозу, ацетатное волокно) получают химической обработкой уже существующих природных волокон (хлопка и льна).
Синтетические волокна получаются преимущественно реакциями поликонденсации (лавсан, капрон, нейлон).
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Способность мономеров участвовать в радикальной или ионной полимеризации зависит от различных факторов [1], в частности от поляризации двойной или других связей ( например, в случае циклических мономеров), числа заместителей, природы инициатора и температуры. [2]
Способность мономера к полимеризации определяется электронной структурой, распределением электронной плотности в различных участках его молекулы. [3]
Способность мономера к полимеризации зависит от термодинамического и кинетического факторов. Если полимеризация термодинамически не разрешена, то ее невозможно осуществить ни в каких условиях. Полимеризация возможна, если только разность свободных энергий AG мономера и полимера величина отрицательная ( разд. Отрицательная AG не означает, однако, что полимеризация пойдет в любых условиях. Поэтому, хотя термодинамически возможна полимеризация широкого ряда ненасыщенных мономеров, для ее успешного осуществления часто требуются очень специфические условия, обеспечивающие кинетическую разрешимость реакции. [4]
Способность мономеров к полимеризации зависит от расположения двойных связей, характера и числа заместителей. С развитием полимерной науки эти закономерности непрерывно уточняются. [5]
Зависимость способности мономера к полимеризации х), а также температуры плавления образующегося полимера от характера и положения введенного заместителя была исследована в работе Цигенбейна, Шеффлера и Кауфхольда [67] на примере различных поликапроамидов, алкилированных по углеродному атому. [6]
При оценке способности мономера к полимеризации нужно учитывать и пространственные ( стерические) трудности, зависящие от числа и размеров заместителей при непредельной связи. [7]
Как известно, способность мономера полимеризо-ваться по тому или иному механизму ( или нескольким) определяется в первую очередь его природой. [8]
При термодинамической оценке способности мономера полимери-зоваться большое значение имеет так называемая предельная температура полимеризации Тпр ( см. с. Изобутилен, например, не дает высокомолекулярного соединения в условиях, обычных для радикальной полимеризации, так как 7 пр существенно ниже нуля. Термодинамическая возможность осуществления радикальной полимеризации этилена, стирола, винилхлорида и метилметакрилата при более высоких температурах, характерных для таких процессов, обусловлена тем, что Гпр. [9]
При термодинамической оценке способности мономера полимери-зоваться большое значение имеет так называемая предельная температура полимеризации Тпр ( см. с. Изобутилен, например, не дает высокомолекулярного соединения в условиях, обычных для радикальной полимеризации, так как Гпр существенно ниже нуля. Термодинамическая возможность осуществления радикальной полимеризации этилена, стирола, винилхлорида и метилметакрилата при более высоких температурах, характерных для таких процессов, обусловлена тем, что Гпр. [10]
Этим термином обычно определяют способность мономеров вступать в реакции, приводящие к образованию макромолекул. [11]
Необходимо отметить, что способность мономера к полимеризации и сополимеризации в очень большой степени зависит от природы растущего конца цепи. При радикальной сополимеризации инициатор не влияет на образующийся сополимер. В общем случае, однако, существует различие в составе сополимеров, полученных под действием катионных и анионных инициаторов. Даже при использовании различных катионных либо различных анионных инициаторов состав получаемого сополимера может зависеть от природы инициатора и в особенности от типа противоиона. [13]
СТРОЕНИЕ МОНОМЕРОВ И ИХ СПОСОБНОСТЬ К ОБРАЗОВАНИЮ ПОЛИМЕРОВ
Мономеры должны отвечать нескольким требованиям. Главное из них – содержать не менее двух функциональных групп, способных взаимодействовать по крайней мере с двумя другими мономерами. В качестве таких групп могут выступать –ОН, −СООН, −СНО, −NН2 и др. Число этих групп определяет функциональность мономера.
При реакции дикарбоновых кислот с двухатомными спиртами (гликолями) – соединениями бифункциональными – образуются эфиры, содержащие в молекуле по-прежнему две функциональные группы, которые могут снова вступать в реакции конденсации с мономерами:
НООС−R−COOH + HO−R ’ −OH HOOC−R−CОO−R ’ −OH
HOOC−R−COO−R ’ −OH + HOOC−R−COOH
® HOOC−R−COO−R ’ −OOC−R−COOH
® НООС−R−СОО−R¢−ООС−R−COO−R¢−OH и т. д.
Макромолекулы, полученные из бифункциональных мономеров, имеют линейное строение. Если же функциональность исходных мономеров больше двух, то образуются разветвленные или пространственные полимеры:
глицерин фталевая кислота
ООС−С6 Н4 −СОО
…−СН2 −СН−СН2 СН2 −СН−СН2 –О–…
ООС ОН
С6 Н4
ООС
…−СН2 −СН−СН2 СН2 −СН−СН2 −О−…
Таким образом, геометрическая форма макромолекул полимера зависит от функциональности исходных мономеров.
Двойная или тройная связь, содержащаяся в молекуле мономера, также может определять его функциональность. Молекула этилена, присоединяя по двойной связи два атома водорода или галогена, бифункциональна. Функциональность для многих мономеров – величина непостоянная.
Переменной функциональностью обладает, например, глицерин. В зависимости от условий реакции и количества кислоты, реагирующей с ним, глицерин может быть би- или трифункциональным соединением:
СН2 −ОН ROОC−CH2 −CHOH−CH2 −CОOR
CH−OH
CH2 −OH ROCО−CH2 −CH(OCOR)−CH2 −ОCОR
Иногда для синтеза ВМС используют и олигомеры. На их основе можно получить блок-сополимеры, сочетающие в себе свойства многих полимеров.
Необходимым условием для образования полимера является также отсутствие объемных заместителей рядом с двойной связью (возникают пространственные затруднения, препятствующие образованию полимера). Например, 1,1-дифенилэтилен CH2 =C(C6 H5 )2 не полимеризуется, в то время как стирол C6 H5 −CH=CH2 легко полимеризуется. Вместе с тем трехзамещенные производные этилена, например трифторэтилен, способны полимеризоваться. Это связано с тем, что объем атома фтора близок к объему атома водорода.
На реакционную способность мономера оказывают влияние индуктивный эффект и эффект сопряжения, которые вызываются действием заместителей. Действительно, способность непредельных мономеров к полимеризации в значительной мере зависит также от природы заместителей, их числа, расположения в молекуле полимера двойных связей. Заместители, вызывая поляризацию двойной связи, увеличивают реакционную способность мономера. При радикальной полимеризации со свободным радикалом, обладающим электрофильными свойствами, легче будет реагировать именно поляризованная, а значит, реакционноспособная молекула мономера. Присоединение радикала происходит в первую очередь по месту повышенной электронной плотности. Но скорость реакции полимеризации зависит также и от активности самого радикала. Однако свободные радикалы, образовавшиеся из активных мономеров, всегда малоактивны. Это связано с тем, что эффект сопряжения позволяет неспаренному электрону распределиться по всей молекуле радикала:
R · + CH2 =CH− R−CH2 −Ċ H−
активный мономер неактивный радикал стирола
Мономеры, не активированные сопряжением, образуют наиболее активные свободные радикалы:
R × + CH2 =CH−OCOCH3 ® R−CH2 −Ċ H−OCOCH3
малоактивный мономер активный радикал
Таким образом, чем меньше влияние М-эффекта в молекуле мономера, т. е. чем меньше связи в его молекуле поляризованы, тем больше активность образующегося из него радикала. Поскольку эффект сопряжения больше сказывается на активности радикала, чем на реакционной способности мономера, то скорость радикальной полимеризации в основном зависит от активности радикала.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет