Механизм полимеризации

Полимеризация — это химический процесс, который связывает малые молекулы, известные как мономеры, в ковалентно-связанную цепь или сеть. Полученная макромолекула называется полимером. Понимание полимеризации важно в органической химии, так как полимеры играют важную роль в различных отраслях, от пластмасс до фармацевтики.

Добавочная полимеризация

Добавочная полимеризация, также известная как полимеризация роста цепи, включает последовательное добавление мономерных единиц к растущей цепи. Этот тип полимеризации протекает через различные механизмы, такие как радикальная, катионная или анионная полимеризация, в зависимости от природы используемого инициатора.

Радикальная полимеризация

Радикальная полимеризация — один из самых распространенных типов добавочной полимеризации. Она использует свободные радикалы для инициирования цепной реакции. Этот механизм включает три основных шага: инициирование, распространение и завершение.

Инициирование

начинается с образования свободных радикалов из инициаторных видов. Например, бензоилпероксид может разлагаться с образованием двух бензоильных радикалов:

(C6H5CO)2O2 → 2C6H5CO•

После генерации эти свободные радикалы реагируют с мономерными единицами с образованием реактивных углеродных радикалов. Например, если мономером является стирол:

C6H5CO• + CH2=CHC6H5 → C6H5CO-CH2-CH•C6H5

Распространение

В фазе распространения образовавшийся радикал реагирует с другим мономером, соединяясь с цепью и в конечном итоге образуя новый радикал:

C6H5CO-CH2-CH•C6H5 + CH2=CHC6H5 → C6H5CO-CH2-CH(CH2-CH•C6H5)C6H5

Завершение

Завершение происходит, когда два конца родительской цепи соединяются, фактически прекращая рост цепи. Могут происходить различные комбинации, включая диспропорционирование и диспропорционирование:

Комбинация: C6H5CO-CH2-CH•C6H5 + C6H5CO-CH2-CH•C6H5 → C6H5CO-CH2-CH(CH2-CHC6H5)-CH2-CHC6H5

Вот простой визуальный пример:

Катионная полимеризация

Катионная полимеризация включает электрофильные инициаторы для образования полимеров из мономеров. Обычно используемые мономеры включают изобутилен и стирол. Этот тип также имеет три основных шага: инициирование, распространение и завершение.

Инициирование

В катионной полимеризации сильная кислота отдаёт протон мономеру, образуя карбокатион:

H+ + CH2=CHC6H5 → CH3-CH+CH2-C6H5

Распространение

Карбокатион соединяет двойную связь последующих мономеров:

CH3-CH+CH2-C6H5 + CH2=CHC6H5 → CH3-CH(CH2-CH+CH2-C6H5)-CH2-C6H5

Завершение

Завершение может произойти в результате комбинации с анионами или через внутреннюю перегруппировку:

CH3-CH+CH2-C6H5 + X- → CH3-CHXCH2-C6H5

Анионная полимеризация

Анионная полимеризация характеризуется использованием нуклеофила в качестве инициатора. Она особенно эффективна с электроноакцепторными мономерами, такими как стирол. Этот метод также следует этапам инициирования, распространения и завершения.

Инициирование

В анионной полимеризации нуклеофил, такой как организлитиевое соединение, инициирует процесс:

C4H9Li + CH2=CHC6H5 → C4H9-CH2-CH-LiC6H5

Распространение

Анион присоединяется к двойной связи следующего мономера, продолжая рост цепи:

C4H9-CH2-CH-LiC6H5 + CH2=CHC6H5 → C4H9-CH2-CH(CH2-CH-LiC6H5)-CH2-C6H5

Завершение

Анионная полимеризация может контролироваться для минимизации событий завершения, часто приводя к "живым" полимерам, которые продолжают расти до тех пор, пока не произойдет шаг завершения, например, протонирование.

C4H9-CH2-CH-LiC6H5 + CH3OH → C4H9-CH2-CH(OH)-CH2-C6H5

Конденсационная полимеризация

Конденсационная полимеризация, также называемая полимеризацией ступенчатого роста, включает связывание мономерных единиц через реакцию, которая обычно высвобождает небольшую молекулу, такую как вода или метанол. Эти реакции часто включают бифункциональные или трифункциональные мономеры.

Строительство полиэстера

Классический пример конденсационной полимеризации — производство полиэстера. Реакция диола с диацидом обычно образует полиэстер и воду:

HO-R-OH + HOOC-R'-COOH → H[ORO-OC-R'-COO]nH + (n-1)H2O

Полиамидное строительство

Полиамиды, такие как нейлон, являются еще одним примером. Они образуются путем реакции между диамином и диацидом:

H2N-R-NH2 + HOOC-R'-COOH → [NH-R-NHC(O)R'-C(O)]n + (n-1)H2O

Этот процесс можно резюмировать в визуальной последовательности:

Полимеризация с раскрытием колец

Полимеризация с раскрытием колец включает в себя раскрытие циклических мономеров для формирования линейных полимеров. Она может считаться формой полимеризации роста цепи, особенно когда инициируется радикальными или ионными видами.

Примеры полимеризации с раскрытием колец

Типичный пример включает в себя полимеризацию оксида этилена с образованием полиэтиленгликоля:

CH2CH2O (циклический) → (-CH2CH2O-)n (линейный)

Механизм

Этот механизм инициируется разрушением колец при определенных условиях, позволяя цепи расти по мере того, как каждое кольцо раскрывается и соединяется с концом цепи.

Кополимеры

Кополимеры — это полимеры, полученные из двух или более различных видов мономеров. Примеры включают бутадиен-стирольный каучук, который извлекает выгоду из свойств обоих соединений.

Типы кополимеров

• Случайный кополимер: Мономеры располагаются в случайном порядке.
• Блок-сополимер: Крупные блоки каждого типа мономеров соединяются вместе.
• Альтернативные сополимеры: Мономеры чередуются в последовательности.
• Графт-кополимер: Основная цепь одного типа мономера прививается на основную цепь другого типа.

Например, блок-сополимер:

(AAABBB)n

Простое представление блок-сополимера:

Резюме

Полимеризация — ключевой процесс в органической химии, необходимый для производства многих материалов. Понимание различных механизмов помогает разрабатывать полимеры, которые удовлетворяют конкретным приложениям. Разные типы полимеров, такие как гомополимеры и кополимеры, позволяют настраивать свойства материалов, что имеет значительные последствия в различных отраслях.

Комментарии