5.3 阴离子聚合

 
阴离子聚合单体 引发体系及引发作用 阴离子聚合机理-无终止聚合 活性聚合物的应用

1.阴离子聚合单体

具有吸电子取代基的烯类单体原则上可以进行阴离子聚合
能否聚合取决于两种因素
  > 是否具有共轭体系
吸电子基团并具有共轭体系,能够进行阴离子聚合,如AN、MMA、硝基乙烯
吸电子基团并不具有共轭体系,则不能进行阴离子聚合,如VC、VAc
> 与吸电子能力有关
+e 值越大,吸电子能力越强,易进行阴离子聚合

2. 引发体系及引发作用
 

阴离子聚合的活性中心是阴离子,对于
由亲核试剂(碱类)提供,为金属反离子,活性中心可以是自由离子、离子对以及它们的缔合状态

碱金属引发
 

Li、Na、K外层只有一个价电子,容易转移给单体或中间体,生成阴离子引发聚合

> 电子直接转移引发


碱金属不溶于溶剂,属非均相体系,利用率低

> 电子间接转移引发
碱金属将电子转移给中间体,形成自由基-阴离子,再将活性转移给单体,如萘钠在THF中引发St


萘钠在极性溶剂中是均相体系,碱金属的利用率高

有机金属化合物引发
  > 金属氨基化合物
是研究得最早的一类引发剂,主要有-液氨、-液氨体系

>金属烷基化合物
引发活性与金属的电负性有关
  金属的电负性如下
 
    如丁基锂以离子对方式引发
制成格氏试剂,引发活泼单体  
其它亲核试剂
  中性亲核试剂,如R3P、R3N、ROH、H2O等,都有未共用的电子对,在引发和增长过程中生成电荷分离的两性离子

不同引发剂对单体的引发情况见表5-6

3. 阴离子聚合机理-无终止聚合
活性聚合物
 

> 阴离子聚合在适当条件下(体系非常纯净单体为非极性共轭双烯),可以不发生链终止或链转移反应,活性链直到单体完全耗尽仍可保持聚合活性。
这种单体完全耗尽仍可保持聚合活性的聚合物链阴离子称为“ 活高分子”(Living Polymer)

> 实验证据
萘钠在THF中引发苯乙烯聚合,碳阴离子增长链为红色,直到单体100%转化,红色仍不消失
重新加入单体,仍可继续链增长(放热),红色消退非常缓慢,几天~几周

> 形成活性聚合物的原因

  * 离子聚合无双基终止
* 反离子为金属离子,不能加成终止
* 从活性链上脱除氢负离子H-进行链转移困难,所需能量较高(主要原因)

最终仍可脱H-终止,可能发生下述反应:


1, 3-二苯基烯丙基阴离子 由于共轭效应,很稳定,无反应活性

>在聚合末期,加入链转移剂(水、醇、酸、胺)可使活性聚合物终止
有目的的加入CO2、环氧乙烷、二异氰酸酯可获得指定端基聚合物
端羧基化反应

端羟基化反应


端胺基化反应

阴离子聚合的特点:快引发、慢增长、无终止

无终止阴离子聚合动力学
  > 聚合反应速率
可简单地用增长速率来表示:式中-表观速率常数-阴离子活性增长中心的总浓度
  * 该式的条件:
无杂质的活性聚合,且引发快于增长反应,即在开始聚合前,引发剂已定量地离解成活性中心,则阴离子活性中心的浓度等于引发剂的浓度,=
* 阴离子的聚合速率比自由基聚合大104~107倍,从kp值比较,两者相近,从活性中心浓度比较

> 聚合度
在下列条件下< 引发剂全部很快地转变成活性中心
搅拌良好,单体分布均匀,所有链增长同时开始
无链转移和链终止反应
解聚可忽略
转化率达100%时,活性聚合物的平均聚合度等于单体浓度与大分子活性链数之比:

式中 -引发剂浓度
n-每个引发剂分子上的活性中心数 双阴离子 n = 2 单阴离子 n = 1
这样合成产物的聚合度可以定量计算
这种通过定量计算加入引发剂和单体,从而得到预期聚合度和窄分子量分布的聚合反应称为化学计量聚合
阴离子活性聚合得到的产物的分子量分布很窄,接近单分散,如St在THF中聚合,分子量分布指数= 1. 06 ~ 1. 12,可用作分子量及其分布测定的标准样品,
仍存在一定分散性,原因:
* 反应过程中很难使引发剂分子与单体完全混合均匀,即每个活性中心与单体混合的机会总是有些差别;
* 不可能将体系中的杂质完全清除干净
溶剂和反离子对聚合速率常数的影响
  > 溶剂的性质可用两个物理量表示:
介电常数,表示溶剂极性的大小,溶剂极性越大,活性链离子与反离子的离解程度越大,自由离子多
  * 电子给予指数,反映了溶剂的给电子能力:溶剂的给电子能力强,对阳离子的溶剂化作用越强,离子对也越分开。
溶剂能导致活性中心的形态结构及活性发生变化。
在极性溶剂中 可以是 < 离子对 <
紧密离子对
疏松离子对
自由离子  
活性次序:自由离子 > 疏松离子对 > 紧密离子对
如:苯乙烯以萘钠引发,
在THF中
在二氧六环中
在非极性溶剂中,活性种主要以缔合形式存在
单量体活性 >> 缔合体活性
丁基锂浓度低时,或在极性溶剂THF中,基本不缔合
浓度高时,在芳香烃中引发苯乙烯,发现:认为活性链PsLi在这些非极性溶剂中缔合成二聚体,它先要解缔,然后与单体加成

* 反离子与溶剂化程度有关
反离子(由锂到铯)半径增大,溶剂化能力下降(对极性溶剂),离子对离解程度降低,反应速率减小

4. 活性聚合物的应用
合成均一分子量的聚合物
  这是目前合成均一特定分子量的唯一方法,为GPC提供标准样品
制备带有特殊官能团的遥爪聚合物
  > 遥爪聚合物:
指分子链两端都带有活性官能团的聚合物,两个官能团遥遥位居于分子链的两端,就象两个爪子,故称为遥爪聚合物。
前述制备端基官能团的方法,如果是双阴离子聚合,则可得到遥爪聚合物。
制备嵌段共聚物
  利用活性聚合,先制得一种单体的活性链,然后加入另一种单体,可得到希望链段长度的嵌段共聚物

工业上已经用这种方法合成了St-BSt-B-St两嵌段和三嵌段共聚物
这种聚合物在室温具有橡胶的弹性,在高温又具有塑料的热塑性,可用热塑性塑料的加工方法加工,故称热塑弹性体
并非所有的活性链都可引发另一单体,能否进行上述反应,取决于M1-和M2的相对碱性
对于单体,存在下列共轭酸碱平衡:
Kd是电离平衡常数,用pKd = -log Kd表示单体相对碱性的大小
pKd值越大,单体的碱性越大
实验发现:
  * pKd值大的单体形成链阴离子后,能引发pKd值小的单体,反之不能
如pKd值:St 40 ~ 42 ; MMA 24


* pKd值同一级别的单体也有方向性
St-能引发B,反之相对困难,因B-比St-更稳定
制备星型聚合物
  通过偶联剂将聚合物链阴离子连接起来,可获得星型聚合物