Механизм полимеризации

Полимеризация — это химический процесс, который связывает небольшие молекулы, называемые мономерами, в ковалентно связанные цепи или сети. Эти более крупные молекулы называются полимерами. Превращение мономера в полимер включает в себя серию химических реакций, и этот процесс может происходить через различные механизмы. Полимеризацию можно грубо классифицировать на два типа: полимеризацию присоединения и конденсационную полимеризацию.

Полимеризация присоединения

Полимеризация присоединения, также известная как цепно-растущая полимеризация, включает в себя присоединение мономеров с ненасыщенными связями (например, двойными связями) без потери каких-либо побочных продуктов в виде малых молекул. Это характерно для мономеров, таких как алкены, содержащие двойные связи углерод-углерод.

1. Радикальная полимеризация

Радикальная полимеризация является одним из наиболее распространенных типов полимеризации присоединения. Она включает в себя три основных этапа: инициацию, рост и завершение.

Инициация

Этот этап включает образование свободных радикалов, которые являются высокореакционноспособными частицами с неспаренными электронами. Это можно достичь, используя инициатор, соединение, которое разлагается при нагревании или освещении. Обычный инициатор — бензоилпероксид, разлагающийся с образованием двух бензоильных радикалов:

(C_6H_5CO)_2 → 2 C_6H_5CO•

Рост

После того как свободные радикалы образуются, они реагируют с мономером, образуя новый свободный радикал. Этот шаг повторяется многократно, увеличивая цепь полимера:

R• + CH_2=CHX → R-CH_2-CHX•

Здесь X может быть заместителем, таким как -Cl или -CH_3.

Завершение

Завершение может происходить несколькими способами: либо комбинацией, либо непропорциональностью. В комбинации два активных конца цепи объединяются, образуя неактивный конец:

R-CH_2-CHX• + R'-CH_2-CHX• → R-CH_2-CHX-CH_2-R'

В непропорциональности атом водорода передается от одного радикала к другому:

R-CH_2-CHX• + R'-CHX-CH_2• → R-CH_2-CHX + R'-CH=CH_2

2. Катионная полимеризация

Катионная полимеризация инициируется катионом и обычно включает в себя мономеры с богатым электронами двойными связями. Этот механизм используется для полимеризации изобутилена и других алкенов.

Инициация

Реакция обычно инициируется сильной кислотой, такой как HClO_4:

HClO_4 + CH_2=CH-R → HClO_4^− + CH_2^+-CH-R

Рост

Положительно заряженный мономер может реагировать с другим мономером, чтобы удлинить цепь:

CH_2^+-CH-R + CH_2=CH-R → CH_2-CH(R)-CH_2^+-CH-R

Завершение

Завершение может происходить через передачу протона или другие реакции, которые стабилизируют или инактивируют полимерные виды.

3. Анионная полимеризация

В анионной полимеризации отрицательно заряженный ион (анион) инициирует полимеризацию. Она используется для полимеров, таких как полиизопрен и акрилаты.

Инициация

Анионная полимеризация может стимулироваться щелочными металлами, такими как натрий или литий. Например:

Na + CH_2=CHCN → Na^+ + CH_2=CHCN^−

Рост

Так же как и в других механизмах, реакция продолжается добавлением мономеров к концу активной цепи:

CH_2=CHCN^− + CH_2=CHCN → CH_2-CH(CN)-CH_2=CHCN^−

Завершение

Анионная полимеризация может завершаться различными способами, включая реакцию с водой или растворителями.

Конденсационная полимеризация

В конденсационной полимеризации молекулы соединяются и теряют более мелкие молекулы в виде побочных продуктов, таких как вода или метанол. Этот тип полимеризации широко используется в производстве полиэфиров и полиамидов.

Ступенчато-растущая полимеризация

Конденсационную полимеризацию также можно охарактеризовать как ступенчато-растущую полимеризацию, поскольку она включает в себя реакции между функциональными группами мономеров. Она отличается от цепной полимеризации тем, что любой мономер может реагировать с любой другой молекулой, приводя к росту полимера.

Конструкция полиэфира

Полиэфир образуется путем реакции между диацидом и диолом.

n HOOC-R-COOH + n HO-R'-OH → [—OR'-OOC-R-COO—]_n + 2n H_2O

Побочным продуктом в этом случае является вода.

Конструкция полиамида

Полиамиды, такие как нейлон, изготавливаются из диацидов и диаминов.

n H_2N-R-NH_2 + n HOOC-R'-COOH → [—NH-R-NHCO-R'-CO—]_n + 2n H_2O

Сравнение механизмов

Кратко говоря, механизм полимеризации присоединения характеризуется цепью, которая растет в процессе полимеризации из-за наличия активных мест, в то время как конденсационная полимеризация включает образование полимеров в несколько этапов из многофункциональных мономеров, реагирующих с образованием относительно малых олигомеров, которые в конечном итоге формируют длинные цепи при взаимосвязывании.

Примеры структур полимеров

Вот некоторые упрощенные примеры структур полимеров:

Эти примеры представляют собой распространенные основы полимеров, такие как полиэтилен и нейлон, которые получены из соответствующих процессов полимеризации.

Заключение

Полимеризация является основным аспектом материаловедения и химии, позволяя создавать универсальные и необходимые полимерные материалы, которые находят повсеместное применение. Понимание механизмов, лежащих в основе полимеризации, помогает в разработке новых материалов с желаемыми свойствами для конкретных применений.

Комментарии