重合のメカニズム
重合は、モノマーと呼ばれる小さな分子を共有結合した鎖やネットワークに結び付ける化学プロセスです。これらの大きな分子はポリマーと呼ばれます。モノマーをポリマーに変換するには、一連の化学反応が関与し、このプロセスは異なるメカニズムで発生する可能性があります。重合は大きく分けて付加重合と縮合重合の2つのタイプに分類されます。
付加重合
付加重合は、連鎖成長重合とも呼ばれ、任意の小さな分子の副生成物を失うことなく、不飽和結合（例えば二重結合）のあるモノマーの付加を伴います。これは、炭素-炭素二重結合を含むモノマー（例えばアルケン）に典型的です。
1. フリーラジカル重合
フリーラジカル重合は、最も一般的なタイプの付加重合の1つです。これは、開始、成長、終止の3つの主要なステップを含みます。
開始
このステップでは、非対になった電子を持つ非常に反応性の高い種であるフリーラジカルが形成されます。これは、熱や光によって分解する化合物である開始剤を使用することによって達成できます。一般的な開始剤はベンゾイル過酸化物であり、これは2つのベンゾイルラジカルに分解します：
(C_6H_5CO)_2 → 2 C_6H_5CO•成長
フリーラジカルが生成されると、モノマーと反応して新しいフリーラジカルを形成します。このステップは多数回繰り返され、ポリマー鎖を成長させます：
R• + CH_2=CHX → R-CH_2-CHX•ここで、Xは -Cl や -CH_3 のような置換基が考えられます。
終止
終止は、組み合わせまたは不均化のいずれかの方法で起こる可能性があります。組み合わせでは、二つの活性鎖端が結合して不活性な端を形成します：
R-CH_2-CHX• + R'-CH_2-CHX• → R-CH_2-CHX-CH_2-R'不均化では、水素原子があるラジカルから別のラジカルに転移します：
R-CH_2-CHX• + R'-CHX-CH_2• → R-CH_2-CHX + R'-CH=CH_22. カチオン重合
カチオン重合はカチオンによって開始され、通常、電子に富んだ二重結合を持つモノマーを伴います。このメカニズムは、イソブチレンやその他のアルケンの重合に使用されます。
開始
反応は通常、HClO_4などの強酸によって開始されます：
HClO_4 + CH_2=CH-R → HClO_4^− + CH_2^+-CH-R成長
正の電荷を持つモノマーは別のモノマーと反応して鎖を延長できます：
CH_2^+-CH-R + CH_2=CH-R → CH_2-CH(R)-CH_2^+-CH-R終止
終止は、プロトン転移やその他の反応によりポリマー種を安定化または不活性化することによって生じる可能性があります。
3. アニオン重合
アニオン重合では、負に荷電したイオン（アニオン）が重合を開始します。これはポリイソプレンやアクリレートなどのポリマーに使用されます。
開始
アニオン重合は、ナトリウムやリチウムなどのアルカリ金属を使用して開始できます。例えば：
Na + CH_2=CHCN → Na^+ + CH_2=CHCN^−成長
他のメカニズムと同様に、反応は活性鎖の末端にモノマーを追加することで続きます：
CH_2=CHCN^− + CH_2=CHCN → CH_2-CH(CN)-CH_2=CHCN^−終止
アニオン重合は、水や溶剤との反応などさまざまな方法で終止することがあります。
縮合重合
縮合重合では、分子が結合し、水やメタノールのような小さな分子を副産物として失います。このタイプの重合は、ポリエステルやポリアミドの製造によく見られます。
段階成長重合
縮合重合は段階成長重合とも呼ばれます。なぜなら、それはモノマーの官能基間の反応を伴うからです。これは、連鎖重合とは異なり、任意のモノマーが他の分子と反応してポリマーを成長させることができる点が異なります。
ポリエステルの構築
ポリエステルはジ酸とジオールの反応によって形成されます。
n HOOC-R-COOH + n HO-R'-OH → [—OR'-OOC-R-COO—]_n + 2n H_2Oこの場合の小さな分子生成物は水です。
ポリアミドの構築
ポリアミド、例えばナイロンはジ酸とジアミンから作られます。
n H_2N-R-NH_2 + n HOOC-R'-COOH → [—NH-R-NHCO-R'-CO—]_n + 2n H_2Oメカニズムの比較
簡単に言うと、付加重合メカニズムは活性部位の存在によってポリマー化プロセス中に成長する鎖が特徴であるのに対し、縮合重合は、多官能性モノマーの複数のステップからなるポリマーの形成を特徴とし、最終的に相互連結によって長鎖を形成する小さなオリゴマーを形成します。
ポリマー構造の例
ここにいくつかの簡略化されたポリマー構造の例を示します：
これらの例は、各々の重合プロセスから得られるポリエチレンやナイロンのような一般的なポリマー基を表しています。
結論
重合は、材料科学と化学の基本的な側面であり、日常生活のほぼすべての側面で見られる多用途で重要なポリマー材料の作成を可能にします。重合のメカニズムを理解することで、特定の用途に応じて所望の特性を持つ新しい材料の開発に役立ちます。
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