高分子化学专题
芳香环状齐聚物的合成及开环聚合
陈天禄
第一章 前言
?本领域的位置
?本领域发展的推动力
?研究内容
?环状中间体的合成
?开环聚合
?芳香环状低聚物研究领域的发展过程
?1989年以前的工作
?GE公司的工作成为里程碑
?近十年来的工作进展
?领域的位置
?发展的推动力
?航天,航空以及先进武器装备上对先进热塑性树脂复合
材料的依赖和需求
?新的高分子加工工艺如增强反应注射成型 (RRIM)及树
脂传递模塑 (RTM)的发展需求
?高分子合成化学的发展,模糊缩聚和加聚界限的开环聚
合反应的发展
?研究内容
?芳香环状中间体 (齐聚物 )的合成
?大环芳香齐聚物的开环聚合
A A
B B n
n A B +
X
C D P
R e c y c l i n g
C y c l i n g
X
n
R O P
n A B++
?本领域的发展沿革,
?1989年以前的研究
?发现,分离和确认某些芳香环状化合物存在于线性高聚物中
?GE公司 R&D中心的工作成为里程碑
?开创了芳香环状齐聚物及开环聚合的研究领域及环状碳酸
酯等的研究工作
?近十年的工作进展
?开拓了一系列芳香大环化合物,环化率 >90%已成为可能
?结构表征,HPLC GPC MALDI-MS的发展
?开环聚合,机理及方法
Brunelle (美国 ) G.E公司
Colquhoun (英国 ) I.C.I公司
Mullins (美国 ) Dow chem公司
Gibson (美国 ) Virginia Tech,Colleg.
Hay (加 ) McGill Univ.
Hodge (英国 ) Manchester Univ.
长春应化所 浙江大学
吉林大学 广州化学所
北京大学 四川联大
第二章 芳香环状低聚物
? 定义
?芳香环状低聚物的特点
?结构上的特点
?性能上的特点
?功能上的特点
(1) 与环状小分子单体的区别 (结构 )
(2) 与非芳香环状低聚物的区别 (性能 )
(3)作高性能树脂的预聚体 (功能 )
?芳香环状低聚物的分类和研究工作
?芳香环状聚碳酸酯
?芳香环状聚酯
?芳香环状聚醚
?芳香环状聚硫醚
?其它
?定义
芳香环状低聚物( aromatic macrocyclic oligomers)是指那
些在主链上含有很少的脂肪链或不含脂肪链的全芳香的聚碳
酸酯、聚酯、聚醚、聚硫醚、聚酰亚胺及聚酰胺等环状结构
的同系物。
A r X YA r
n
?特点
?芳香环状低聚物通常具有较大的分子尺寸,缺乏环张力。
?芳香环状低聚具有刚性和较为开放的敞开结构,并且具有
一定的空穴。
?芳香环状低聚物多由一系列聚合度不同的环状同系物组成,
具有一定的组分分布。
?芳香环状低聚物在引发剂的引发下,能够进行快速的开环
聚合,在聚合过程中没有小分子量挥发性副产物生成。
?芳香环状低聚物的熔融粘度低。如芳香环状聚碳酸酯在 200℃
熔融状态下的粘度仅为 1.0 Pa.s,蜂蜜在 25℃ 时的粘度 为 50 Pa.s,
而线性高分子量聚碳酸酯的熔融粘度为 1000 Pa.s。
?芳香环状低聚物具有很高的热稳定性,由于芳香环状低 聚
物不含酚端基等活性基团,其抗热氧化能力大大提高。
?芳香环状低聚物的溶解性好,绝大多数芳香环状低聚物易溶
于四氢呋喃、卤代烃和 N,N-二甲基甲酰胺,N,N-二甲基乙酰
胺等普通有机溶剂。
?分类及研究进展
?芳香环状聚碳酸酯
C O C l 2
N a O H C l C O O C C l
OO
H O O H
C O O
O
( C 2 H 5 ) 3 N,N a O H
C H 2 C l 2
n
?G.E 公司 产率 >85% n=2-20
m.p:190~ 210℃
?合成,机理的研究
?开环聚合 Mn≈700,000
?环状聚芳酯
?长春应化所
?环状邻苯二甲酸酯系列 (双酚 A系列)成环率 >90%
单分散二聚体
?300 ~ 340℃ 熔融聚合 Mn ~ 30,000,Mw/Mn ~ 2.0
?芳香环状聚醚
X
F F
C
HO OH
CF
3
F
3
C
X C
O O
CF
3F 3 C
X O CO
CF
3
F
3
C
n
p s e u d o - h i g h - d i l u t i o n
S
O
O
C
n
O
+
C H F K,C H F S
D M F/ T o l u e n e / K
2
CO
3
,N
2
i n i t i a t o r
X = C H FK,; C H FS,
?长春应化所
?含氟聚芳醚系列:成环率 80% 假高稀技术下的溶液聚合
?开环聚合,380 ~ 430℃ Mw=62,000 Mw/Mn=2.6
?PEEK环状中间体
BA
C E E K
C E E K - N
N 2
H + / T H F
O
n
O
C O
CF F
N
+ H O O H
D M F / T o l u e n e / K 2 CO 3
1 46 - 1 50 ℃,
N
OC
O
n
a
bc
C FF
O
N H 2 C FF
N
+ 1 2 0 ℃
C
O
1
2
3
4
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
5
F F
1 2 2, 9 o
10, 1 A
o o
A9.8
o1 2 0, 1
FF
5
16
15
14
13
12
11
10
9
7
6
4
3
2
1
C
N
8
17
18
19
20
21
22
?芳香环状聚硫醚
C
OO
CCl Cl
XF F
S
OHHO
p s e ud o - h i gh di l ut i on
Ar
O
S
O
n
A r = C S A,; C S K,; C S S,
O
CC
O O
C
X = - C O - ; - S O 2 -
S
O
O
+
?假高稀条件下,界面 /溶液缩聚 成环率 75-85%
?开环聚合:自由基开环聚合 机理(本质)
Mw=48500,Mn=18500,Mw/Mn=2.3
?其他芳香环状齐聚物
?环状 PI
?SBI结构的特殊性
O HH O S B I
?假高稀条件下的溶液聚合 成环率,25%-75%
?环状聚芳酰胺
第三章 成环反应
?成环反应的影响因素
?反应单体的浓度及假高稀(拟高稀) (pseudo high dillution)技术
?溶剂和催化剂的影响 反应活性
?反应单体的分子结构 单体分子的键角 分子柔性
?芳香环状低聚物的合成方法
?按合成步骤可分为,?一步法:分子结构适合下的制备方法
?多步法:对对位取代的单体结构
?高聚物成环解聚法:新合成方法
?界面缩聚 优点及局限性
?溶液缩聚 优缺点评价
?其他成环方法:偶联反应,付氏反应,氧化聚合反应等
?成环反应的影响因素
?反应单体的浓度
?环化物的反应速率 (一级反应)
?线性链的增长速度 (二级反应)
所以环化物的产率:
v k ccn cn? ? [ ]
v k cln ln? ? [ ] 2
A cn
cn
cn
cn ln
cn
cn ln
? ? ? ?
? ? ?
? ? ?vv v k c
k c k c
k
k k cln
[ ]
[ ] [ ] [ ]2
?临界浓度的概念
?假高稀技术
?“假高稀”条件( pseudo high dilution)非真正的高稀条件,
它仅是一种模拟高稀环境的反应技术。
?操作:将反应液配制成等浓的溶液,然后均匀缓慢地滴
加到反应体系中
?假设生成物是不再参加反应的“惰性物”,使反应始终保
持未反应单体的极低浓度
?诺贝尔奖获得者 Ziegler教授于 1933年首次提出。 GE公司
引入本研究领域。
?实现“假高稀”条件的关键取决于反应物的反应 速度,这
也是成环反应的关键
?溶剂 /催化剂体系的影响
?以双酚 A环状聚芳酯的成环反应为例(界面缩聚)
溶剂 催化剂及用量 水 / 溶剂 滴加速度 ml/min 成环率 %
二氯甲烷 3%十六烷基三甲基溴化铵 0.1 1 75.3
三氯甲烷 3%十六烷基三甲基溴化铵 0.1 1 71.2
1,2-二氯乙烷 3%十六烷基三甲基溴化铵 0.1 1 52.3
催 化 剂 催化剂浓度 反应体系
水 / 二氯甲烷
滴加速度
ml / min
成环率 %
十六烷基三甲基溴化铵 10% 0.1 1 40.1
十六烷基三甲基溴化铵 1% 0.1 1 65.0
十六烷基三甲基溴化铵 3% 0.1 1 71.2
十六烷基三甲基溴化铵 5% 0.1 1 42.1
四丁基溴化铵 5% 0.1 1 26.8
甲基三辛基氯化铵 5% 0.1 1 36.7
?溶剂 /催化剂影响成环反应的速度,改变反应物的环境
?反应单体的分子结构
?真正对成环反应起决定作用的内在影响因素
?柔性 O S C
O
>>共轭结构,亚胺结构,,
?单体的键角对环化物的分布亦有影响
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
-1 0
-9
-8
-7
-6
-5
-4
CBA
CPA
CT A
ln
c
n
ln n
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
- 9.5
- 9.0
- 8.5
- 8.0
- 7.5
- 7.0
- 6.5
- 6.0
- 5.5
- 5.0
- 4.5
C PK
C PBA
C PT
C PS
ln
c
n
ln n
Cyclic (aryl ester) oligomers Cyclic (aryl phosphonate) oligomers
CTA CPA CBA CPK CPT CPBA CPS
双酚单体中心键
角 ( ° )
114.8 110.8 109 119.1 114.8 109 102.3
γ 3.40 3.68 4.44 2.61 3.16 3.71 3.76
?根据缩聚高分子环化理论( Jacoson-Stockmayer Theory),环状
低聚物的分布遵循公式 Cn=Bn-γχn 。对 MALDI-TOF质谱图
分析,以 lnCn对 lnn作图,得到线性关系,可求得 γ值。
?γ值随着双酚单体的中心键角的减小而增大,这说明在产物中
小环化合物的含量增加,中心键角小的单体易于成环
?合成方法
?按合成步骤
?一步法:当单体分子结构倾向于成环时,“假高稀”条件下,
用一步法操作简单,成环率高。
CH O O H
O
C
O
XF F+
D M F / T o l u e n e / K
2
C O
3
a t 1 4 5 ℃ 8 h r
O
C
O
CO O X
n
K O O K
2 8 0 ℃ P E K - C c y c l i c s
2 9 0 ℃ P E S - C c y c l i c s
CO O X
O
C
O
X = P E K - C
P E S - CX =
C
O
S
O
O
:
:;
m
?多步法:由 Gibson在合成 PEEK环状预聚体时,为克服对对位
单体的成环困难首次采用的一种成环方法。
?局限性:反应路线长,反应复杂,成环率低
?优点:解决对对位单体的成环。(对高性能树脂有用)
?高聚物成环解聚法( cyclo-depolymerization)
合成环状齐聚物的新方法
?定义:指线性高聚物分子通过降解而形成环状低聚物的方法。
?CDP是开环聚合( ROP)的逆反应
?优点:大幅度提高反应起始物的浓度,为大量制备环化物
提供一个新方法,它将反应物的浓度提高了 2000—10000倍。
?减少对环境不友好的原材料的使用
?简化工艺
?回收废旧高聚物,减少环境污染,提高高性能树脂的再利用率。
?研究工作现状:它是近几年刚刚开拓的新方法
?环状聚酯( GE公司)
O
O
O
O
3 m o l e % 1
o - d i c h l o r o b e n z e n e
O
O
O
O
O
O
O
O
n
1 = S n
O
O
O O
S n B u
B u
B u
B u
浓度 成环率 % 浓度 成环率 %
0.05 96 0.075 90
0.10 82 0.15 75
0.20 66 0.30 42
?环状聚醚:
?Hodge(英,曼城,1997)
s
O
O
O
C s F,D M A c
1 5 0 - 1 5 5 ℃,4 8 h
s
O
O
O
n m
L i n e a r ( x = c a, 5 0 - 1 0 0 )
0, 0 3 M i n p o l y m e r
O
S
O O
O
S
O O
F
F
?线 -环平衡互动机理,表明聚醚砜和聚醚酮在以强亲核
试剂 F― 作用下进行醚交换反应。
?界面缩聚
?使用于环状聚碳酸酯及环状聚酯的合成
?影响因素,H2O/有机溶剂体系(种类,比例)
?相转移催化剂的选择
?溶液缩聚
?低温溶液缩聚
?高温溶液缩聚
?水对反应的影响(降低反应速率达几个数量级)
?K2CO3固相催化机理
?其他成环反应
?偶联反应( Coupling Reaction)
O
O
O C lC l
O O
Z n
N i ( P P h 3 ) 4
O
O
O
O O
?付氏酰基化反应( Friedel-Crafts Acylation Reaction)
C O S O C C lC l
O O
O
O
O O
+
S
O O
C C
O O
O O
O O
C H 2 C l 2 / A l C l 3
r, t,
?氧化聚合反应( Oxidative Polymerization)
S S
C F 3 C O O H
C H 2 C l 2
S
n
成环率高达 89%
OO
C N
C NN C
N C
为氧化剂
?本章小结:
?成环反应是一个动力学控制的非平衡反应
?单体结构,柔性是对成环反应起决定性作用的因素
?快的成环速率是成环的先决条件
?单体的高稀释条件(或通过假高稀技术)是必要条件