Transcript А в
Химические реакции полимеров. Классификация. реакции, не сопровождающиеся изменением степени полимеризации Полимераналогичные превращения (без изменения структуры основной цепи) – реакции боковых функциональных групп Внутримолекулярные реакции (меняется химическая структура основной цепи) реакции, приводящие к увеличению степени полимеризации реакции, приводящие к уменьшению степени полимеризации Сшивание (Вулканизация) Деполимеризация и Деструкция Полимераналогичные превращения. Примеры. А А А B B B 1. Изменение свойств уже существующих полимеров. Пример: модификация целлюлозы Динитроцеллюлоза 6 6 CH2OH HNO3(конц.) 5 H O 4 OH H 3 2 H O 1 H -H2O H P HNO3(конц.) 2 H H 2 O-NO2 2 H O-NO2 Тринитроцеллюлоза P P + Камфора O 1 H O 1 H O 4 O-NO H 3 3 O CH2O-NO2 5 H 4 OH H H OH 6 5 H H2SO4(конц.) CH2O-NO2 Целлюлоид Полимераналогичные превращения. Примеры. 2. Получение полимеров, которые нельзя получить непосредственно из мономеров. Пример: получение поливинилового спирта гидролизом поливинилацетата -[CH2-CH]pO + H2O -[CH2-CH]p- + CH3COOH OH O=C-CH3 Поливинил ацетат Поливиниловый спирт CH2=CH OH CH3-C=O H Виниловый спирт - неустойчив А А А B А А B А B Нет «соседей» Сосед – новая группа В Один сосед Два соседа B B B Эффект соседа – изменение реакционной способности исходных групп А под влиянием появившихся «по соседству» новых групп В. Полимераналогичные превращения. Эффект соседа. -А -В Полимераналогичную реакцию можно считать псевдомономолекулярной, так как концентрация второго компонента (например, воды при гидролизе) много больше концентрации полимерных групп, поэтому её можно считать постоянной и включить в кинетическую константу. d [ A] k AAA [ A]AAA k BAA [ A]BAA k BAB [ A]BAB dt 1. Нет эффекта соседа. Реакционная способность групп –А не зависит от их окружения. kAAA = kBAA = kBAB = k и [A]AAA = [A]BAA = [A]BAB = [A]; d [ A] kdt [ A] d [ A] k[ A] dt [ A] [ A]o e kt [ A] t d [ A] kdt [ A] o [ A ]o ln[A] ln[A]o kt Прямая в координатах ln[A] - t. Полимераналогичные превращения. Эффект соседа. ln[A] Замедляющий «эффект соседа» «Эффект соседа» отсутствует Ускоряющий «эффект соседа» t 2. Ускоряющий эффект соседа. Появление соседних групп –В увеличивает скорость реакции превращения групп –А в –В. kAAA < kBAA < kBAB 3. Замедляющий эффект соседа. Появление соседних групп –В замедляет скорость реакции превращения групп –А в –В. kAAA > kBAA > kBAB Полимераналогичные превращения. Нет эффект соседа. Пример. «Эффект соседа» отсутствует, kAAA = kBAA = kBAB Пример: щелочной гидролиз полидифенилметилметакрилата CH3 -[CH2-C]pO=C-O C + OHH2O OH CH3 -[CH2-C]pO=C-O - + C H H Наличие двух объёмных фенильных колец стерически исключает влияние соседней группы эффект соседа отсутствует. Распределение прореагировавших и непрореагировавших звеньев Статистическое: АВВАВААВААВВ Полимераналогичные превращения. Ускоряющий эффект соседа. Пример. «Ускоряющий эффект соседа» , kAAA < kBAA < kBAB Пример: щелочной гидролиз поли-пара-нитрофенилметакрилата CH3 ~H2C CH3 CH3 ~H2C CH2 C C C O ~ C CH2 C~ C O OH- -O Нуклеофильная атака карбонильного углерода отрицательно заряженным кислородом соседнего звена ускоряет реакцию в 104 паз ускоряющий эффект соседа. CH3 C C OHO O -O O O NO2 NO2 - - CH3 OH- ~H2C CH3 CH3 ~H2C CH2 C~ C O O C O C + O NO2 O CH3 CH2 H2O C -2H+ C - O C~ O C O- + O NO2 Распределение прореагировавших и непрореагировавших звеньев Блочное: ААААААААВВВВВВВ Полимераналогичные превращения. Замедляющий эффект соседа. Пример. «Замедляющий эффект соседа» , kAAA > kBAA > kBAB Пример: щелочной гидролиз полиакриламида Образование водородных связей между -NH2 и –Oрезко замедляет реакцию гидролиза замедляющий эффект соседа. Распределение прореагировавших и непрореагировавших звеньев Чередующееся: АВАВАВАВАВАВАВАВ Полимераналогичные превращения. Другие полимерные эффекты На скорость полимераналогичных превращений могут оказывать другие полимерные эффекты: •Конформационный эффект фепментативный катализ); (гидролиз поливиниацетата, •Конфигурационный эффект (различие в реакционной способности изои синдио- изомеров); •Надмолекулярный эффект (гидратированная и негидратированная целлюлоза), аморфные и кристаллические области полимеров и др. •Другие (концентрационный, электростатический) Конформационный эффект. Щелочной гидролиз поливинилацетата ln[OCOCH3 ] OH- OH OH OH OCOCH3 OCOCH3 H3OCO OCOCH3 OCOCH3 OCOCH3 OCOCH3 OH OH OCOCH3 t q ~ 20% Растворитель – вода - ацетон -[CH2-CH]pO + H2O -[CH2-CH]p- + CH3COOH OH O=C-CH3 Поливинил ацетат Поливиниловый спирт Изменяется качество растворителя конформация макромолекул изменяется Конфигурационный эффект Пиролиз полиметакриловой кислоты CH2 CH2 CH2 CH CH CH C C C HO O O n O OH HO 0 T, C - H2O CH2 CH2 HO CH2 CH CH CH C C C O O O n O изо-тактическая синдио-тактическая ? атактическая 11 Электростатический эффект Щелочной гидролиз полиакрилатов /NaOH, H2O+ацетон CH2 OH CH n COOCH3 - CH2 CH COO- CH2 CH2 CH CH COO- COOCH3 OH - изо-тактический синдио-тактический атактический концентрация ОН- ? ? конфигурацонный эффект + электростатический эффект 12 Надмолекулярный эффект Хлорирование полиэтилена в твердой фазе Скорость реакции в аморфных участках выше, чем в кристаллических Окисление полипропилена Скорость уменьшается ориентации полимера при предварительной Результатом надмолекулярного эффекта является композиционная неоднородность продуктов полимераналогичных превращений 13 Концентрационный эффект кислотный гидролиз в присутствии полистиролсульфокислоты сложный эфир п-толуолсульфокслота H3C SO3H сложный эфир полистиролсульфокслота ~ CH CH2 ~ SO3H молекулы катализатора и молекулы субстрата равномерно распределены по реакционному объему за счет концентрирования кислотных групп в клубках полистиролсульфокислоты достигается более эффективный катализ 14 Внутримолекулярные реакции. Примеры. Внутримолекулярные реакции – реакции, приводящие к изменению структуры (скелета) основной цепи без изменения степени полимеризации. Пример 1: пиролиз поливинилового спирта Нагревание Поливиниловый спирт 2. Синтез полиацетилена (поливинилена) CH2 CH CH2 CH n OH CH2 CH OH CH2 CH n CH - HCl CH2 CH n Cl - CH3COOH OAc OAc CH2 - H2O Cl CH2 CH CH2 CH n Пример 2: пиролиз полиакрилонитрила -[CH2-CH]pC N Полиакрилонитрил Т = 300-400оС Пиролиз полиакрилонитрила.. Т = 600-700оС + H2 Т = 600-1300оС + H2 + N 2 Углеродное (графитовое) волокно. По прочности превосходит сталь, и гораздо легче по весу (последняя стадия уже не является внутримолекулярной реакцией). Реакции сшивания (вулканизации). Примеры Пример 1: вулканизация полибутадиенового каучука серой (нагревание каучука с серой при температуре 130 – 160оС. Реакция протекает через образование свободных радикалов). S S S T = 130 - 160oC S S S S S S S S S S S S S Атака по двойной связи. Атака аллильного углерода. Реакции сшивания (вулканизации). Примеры Пример 2: Вулканизация полиэтилена – получение сшитого полиэтиленового каучука. 1. Получение частично хлорированного полиэтилена (полимераналогичная реакция). CH2-CH2-CH-CH2-CH2-CH2 CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2 + Cl Cl2 + HCl 2. Вулканизация частично хлорированного полиэтилена. ~CH2 CH Cl ~CH2 CH CH2 CH2~ CH CH2 CH2~ CH2 CH2~ ZnO O + CH2 ~CH2 -ZnCl2 CH2~ ~CH2 CH Cl В результате вулканизации все линейные макромолекулы соединяются в одну гигантскую трёхмерную макромолекул – полимерную сетку. Реакции отверждения смол . Пример 1: отверждение фенолформальдегидных смол OH OH CH2O OH CH2OH CH2OH CH2O CH2OH OH CH2OH CH2 OH OH OH OH CH2OH CH2 CH2OH 2 CH2 CH2 CH2 OH OH Реакции отверждения смол . Пример 2: отверждение эпоксидных смол Стадия первая: синтез форполимера – поликонденсация бисфенола А в избытке эпихлоргидрина (получение низкомолекулярного диэпоксиджа со степенью полимеризации 1 – 25). Реакции отверждения смол . Пример 2: отверждение эпоксидных смол Стадия вторая: сшивание молекул форполимера диаминами. Реакции отверждения смол . Пример 2: отверждение эпоксидных смол ДЕСТРУКЦИЯ (случайная) ХИМИЧЕСКАЯ (гетероцепных полимеров) + NH *CH C NH H èëè Î Í *CH C NH2 n O R H H O H H H COOH R CH2OH O H OH O R CH2OH *CH O H OH H + _ (OH ) O H H OH OH H ãë þ ê î çà CH2OH CH2OH H O H OH OH H ~ O (CH2)4 ~O H H H C O O (CH2)4 OH + ~ OH H H OH OH C O H OH O H OH OH O O H OH + H H H CH2OH H OH HOCH2CH2OH HOCH2CH2O C O C O ~ 24 Реакции деполимеризации. На примере полиметилметакрилата. CH3 CH3 Т 220оС -[CH2-C]p- CH2=C O=C-O-CH3 O=C-O-CH3 Полиметилметакрилат Метилметакрилат Механизм реакции деполимеризации (цепной, свободнорадикальный) I. Инициирование (образование свободных радикалов): CH3 CH3 I CH2 C CH2 COOCH3 C Такие связи разрываются в первую очередь с образованием устойчивых аллильных радикалов CH2 CH2 C COOCH3 COOCH3 p I CH2 C CH2 CH3 CH3 CH2 COOCH3 p C + COOCH3 ИЛИ CH2 C COOCH3 Деполимеризация полиметилметакрилата: механизм. I. Инициирование (образование свободных радикалов): I CH2 CH2 C CH2 C CH2 C CH2 C COOCH3 COOCH3 COOCH3 CH2 CH3 CH3 CH3 CH3 y CH2 C C + CH2 CH2 C COOCH3 COOCH3 COOCH3 CH2 CH3 CH3 CH3 CH3 CH2 COOCH3 COOCH3 x I C C CH2 C COOCH3 COOCH3 y x II. Развитие цепи (собственно деполимеризация): CH3 CH3 I CH2 C CH2 COOCH3 p C CHOOCH3 I CH2 C CH3 CH3 CH3 CH2 COOCH3 p-1 C + CH2 CHOOCH3 C COOCH3 Деполимеризация полиметилметакрилата: механизм. II. Обрвыв цепи (гибель свободных радикалов): H H H CH3 X CH2 + C H C CH2 Y Т 250оС O=C-O-CH3 X CH2 C H + COOH COOH COOH -[CH2-CH]p- CH3 C C H C CH2 Y COOH Олигомеры разной структуры и длины. НЕТ МОНОМЕРОВ! Полиметилакрилат Почему не идет деполимеризация? Ответ: из-за наличия атома водорода в -положении при атоме углерода с заместителем. При отрыве этого водорода образуется устойчивый третичный радикал. H -[CH2-C]pO=C-O-CH3 -водород. Из-за него деполимеризация не идет. Термическая деструкция полиметилакрилата: механизм. Реакция деполимеризации протекает H H I CH2 I C CH2 C CH2 COOCH3 Но конкурирующая реакция передачи цепи на полимер протекает МНОГО БЫСТРЕЕ CH2 CH2 C CH2 C C COOCH3 COOCH3 H H CH2 CH2 C COOCH3 COOCH3 COOCH3 CH2 H H H H I C CH2 p-1 + C + CHOOCH3 COOCH3 p CH2 C CH2 C CHOOCH3 COOCH3 H H H CH2 C COOCH3 CH + CHOOCH3 p CH2 C CH2 COOCH3 C CH2 H H H CH2 COOCH3 C COOCH3 CH2 C COOCH3 CH2 C COOCH3 Термическая деструкция полиметилакрилата: механизм. CH2 CH2 C C CH2 C COOCH3 COOCH3 C COOCH3 H H CH2 CH2 C CH2 C COOCH3 COOCH3 CH2 H H H CH2 COOCH3 C CH2 COOCH3 C COOCH3 CH2 H CH2 + C COOCH3 CH2 C COOCH3 Произошла реакция деструкции: цепь расщепилась на два более коротких фрагмента, но не образовалось мономера. Конечным продуктом реакции является смесь олигомеров разной длины и структуры. Условия успешной деполимеризации: •Температура реакции выше верхней предельной температуры полимеризации (термодинамическое условие); •Наличие четвертичного углеродного атома в цепи (кинетическое условие). Термолиз различных полимеров и выход мономера Название полимера Выход продуктов термического разложения CH3 Полиметилметакрилат -[CH2-C]p- Мономер > 90% O=C-O-CH3 Полиметилакрилат O=C-O-CH3 CH3 -[CH2-C]p- Мономер ~ 1%, олигомеры -[CH2-CH]p- Поли--метилстирол Мономер > 90 % -[CH2-CH]p- Полистирол Мономер ~ 45% CH3 -[CH2-C]pC Полиметакрилонитрил Мономер ~ 85% N Полиакрилонитрил -[CH2-CH]pC Политетрафторэтилен Полиэтилен Мономер ~ 1%, олигомеры N -[CF2-CF2]p- -[CH2-CH2]p- Мономер ~ 90% Мономер < 1%, олигомеры Термоокислительная деструкция полимеров I. Зарождение кинетической цепи: + CH2 + CH O2 HOO Самозарождение цепи – при обычных температурах протекает крайне медленно R CH2 + O2 + ROO ROO + CH ROOH R - радикалы, образовавшиеся из примесей (остатки инициатора, металлы переменной валентности, легко окисляющиеся вещества и др.) II. Развитие цепи: O-O + CH O2 O-OH O-O CH CH + CH2 CH + CH Термоокислительная деструкция полимеров III. Разветвление цепи: O-OH O CH CH + HO O O-OH + CH CH2 CH + CH + H2O IV. Стадия деструкции: CH2 CH2 C C CH2 C COOCH3 COOCH3 C COOCH3 H H CH2 CH2 C CH2 C COOCH3 COOCH3 CH2 H H H CH2 COOCH3 C CH2 COOCH3 C COOCH3 CH2 H CH2 + C COOCH3 CH2 C COOCH3 Термоокислительная деструкция полимеров CH2 CH2 C C CH2 CH4 COOCH3 CH2 COOCH3 C CH2 C O CH2 COOCH3 C COOCH3 CH2 + C COOCH3 C COOCH3 COOCH3 H H CH2 CH2 C COOCH3 COOCH3 CH2 O H H CH2 CH2 C COOCH3 Образование свободных радикалов в полимере может происходить не только под действием теплоты, но и под действием света (УФ- и видимая область). Такие процессы называются соответственно фотодеструкцией и фотоокислением. Старение полимеров – ухудшением эксплуатационных свойств полимеров с течением времени в результате воздействия света, кислорода, тепла и др. факторов внешней среды. В основе процессов старения лежит деструкция. Стабилизаторы полимеров СТАБИЛИЗА́ТОРЫ ПОЛИМЕ́РОВ, вещества, которые вводят в состав полимеров для предотвращения их старения (деструкции). Наиболее важные стабилизаторы полимеров: •Антиоксиданты, или антиокислители (ароматические амины, фенолы); •Антиозонанты (производные фенилендиамина, воски); •Светостабилизаторы (сажа, производные бензофенона), замедляющие старение полимеров при действии на них ультрафиолетового света; •Антирады (ароматические углеводороды или амины), защищающие полимеры от разрушения под влиянием высокоэнергетических излучений. Пример антиоксиданта – нитроксильные радикалы: Регенерация нитроксильных радикалов Тетраметитлпиперидины