マインドマップギャラリー 高分子化学のフリーラジカル重合
重合反応速度論 (顕微鏡) を含む、高分子化学 - フリーラジカル重合に関するマインド マップ、 重合熱力学、フリーラジカル重合機構など
2023-11-27 17:26:24 に編集されましたラジカル重合
フリーラジカル重合のメカニズム
オレフィン系モノマーによる重合機構の選択性
誘導効果
電子吸引基は二重結合 π 電子雲の密度を減少させるため、アニオン攻撃やアニオン重合が起こりやすくなります。
電子供与基は二重結合 π 電子雲の密度を増加させ、カチオン攻撃やカチオン重合に有益です。
活用効果
電子はより移動しやすく、分極を容易に引き起こすことができます
立体効果
構造が非対称になり、分極度が増し、凝集しやすくなります。
1,2 二置換オレフィンモノマーは、立体障害効果のため一般に単独重合が難しく、構造対称性を持つものや二量体しか形成できないものもあります。
トリテトラ置換エチレンは、フッ素原子の半径が小さく立体障害効果が無視できるため、フルオロエチレンを除いて一般に重合できません。
チェーントリガー
概念: モノマー フリー ラジカル (活性種) を形成する反応。
プロセス: 最初のステップでは、開始剤 I が分解して一次フリーラジカル R• を形成します (高い活性化エネルギーを伴う吸熱反応、低い反応速度、速度制御されたステップ) 私—>2R• 第 2 ステップでは、フリーラジカルがモノマーに付加してモノマー フリー ラジカルを形成します (発熱反応は活性化エネルギーが低く、反応速度が高く、連鎖成長反応に匹敵します。このステップは連鎖の開始に必要です)。 R•+モノマー—>Rモノマー•
イニシエーターの種類
アゾ化合物
アゾビスイソブチロニトリル AIBN (分子量 164) は窒素と 2 つのシアノプロピル ラジカルを形成し、分解活性が誘導されず、活性が低く、ケージ効果が発生しやすいです。
アゾビスシヘプタニトリル (ABVN) は、より高い活性と中程度の活性を持っています。
過酸化物(無機および有機)
無機: 過硫酸塩は乳化重合および水溶液重合で第一鉄イオンと酸化還元系を形成するために使用され、室温で開始できます。
有機: アルキルヒドロペルオキシド、ジアルキルペルオキシド、ジアシルペルオキシド (低活性) 過酸化ジベンゾイル BPO 分子量 242 特徴: 2 段階で分解し、活性の低い 2 つのフリーラジカルを生成します。 分解を起こしやすく開始剤効率は低いが、ケージ効果は生じにくい。
酸化還元系
低い活性化エネルギー、速い開始速度、低い開始剤効率 BPO+NNジメチルアニリン
光開始剤
最初の 2 つのタイプは、光分解によってフリーラジカルを生成する可能性があります。さらに、ジスルフィド、ベンゾイン、およびジフェニルエチレンジオンも光開始剤です。
強い選択性、光制御性、穏やかな反応性
開始剤の熱分解速度論
開始剤の分解速度
開始剤残存率
半減期 t1/2
開始剤が分解して初期濃度の半分になるまでの時間
開始剤効率 f: 開始剤の分解によって生成され、連鎖開始反応に実際に関与する一次フリーラジカルの割合 これは、分解された(開始-最後-分解開始剤)を分解の総量(開始-最後)で割ったものに等しく、通常は0.5〜0.8です。
誘発分解
フリーラジカルの開始剤への転移反応により新しいフリーラジカルが生成され、その数は変化しませんが、開始剤が消費されて効率が低下します。
イニシエーターの選択
反応速度、時間、分子量に影響を与える
重合方法、塊状重合(油相)懸濁液に注目すると、溶液はアゾパーオキサイドなどの油溶性開始剤を選択する必要があります 水相中のエマルション水溶液、過硫酸塩または酸化還元系を選択
次に、重合温度を確認します。温度が高い場合は、低い活性を選択します。均一な重合が必要な場合は、高い活性または低い活性が必要です。
第三に、他の要因に注目してください
連鎖成長
概念: モノマー フリー ラジカルがモノマーに追加されて新しいフリー ラジカルが生成され、このプロセスが繰り返されて連鎖成長フリー ラジカルが生成されます。
特徴: 強い発熱反応、重合熱55-95KJ/mol 低い活性化エネルギー、約 20 ~ 34、大きな速度定数、急速な成長
単体ユニットの追加方法
単体接続方法
最初と最後のボーナス: セットの 98 ~ 99% を占めます。 共役効果と側基の立体障害によって決定される 鎖フリーラジカルに対する置換基の共鳴効果、共鳴は安定しており、共鳴はありません。 head-to-tail結合の立体抵抗は小さいですが、head-to-head結合の抵抗は大きいです。
頭部構造:立体障害の少ないモノマーが置換基の共鳴効果により重合すると、頭部の含有量が増加します。 重合温度が上昇すると、活性化エネルギーが増加し、ヘッド構造の含有量が増加します。
定位性
フリーラジカル重合の連鎖ラジカルは平面的な sp2 ハイブリダイゼーションであり、配向因子はありません。
連鎖ラジカルにモノマーを付加すると、連鎖ラジカル反応後にsp2ハイブリダイゼーションからsp3ハイブリダイゼーションに変化し、置換基は空間配置の選択性がなくランダムになります。アタクチックポリマーが得られる。したがって、フリーラジカル重合によって方向性重合を達成することは困難です。
自動加速現象(ゲル効果)
二重塩基終結は拡散制御によって妨げられ、終結率が低下します。
相対分子量と分散の両方が増加します
チェーンの終端
コンセプト: フリーラジカルは活性が高く、相互反応によって不活性化する傾向があります。鎖ラジカルが失活して安定なポリマーが形成される反応は、鎖停止反応と呼ばれます。
特徴:主に二分子(二重塩基終端)、低い活性化エネルギー、高い速度定数、拡散によって制御される二重塩基終端
ダブルベース終端
偶然が終わる - 2 つが 1 つになる
2つの鎖状ラジカルの単一電子が互いに結合して共有結合を形成する停止反応
開始剤によって連鎖移動を行わずに開始される場合、高分子の両端は開始剤残基になります。
共役効果が強いほど発生する可能性が高くなります
不均衡は終了します - 2 つが 2 つになります
鎖内のフリーラジカルが別のフリーラジカルから水素原子または他の原子を奪う停止反応
立体障害効果が大きいほど発生しやすくなります。
温度の上昇により不均化終結が増加します
選ぶ
一置換ビニルモノマー、アクリロニトリル、およびスチレンはすべてカップリング末端化されています。 特殊なケースは、酢酸ビニルの完全な不均化停止です。
11 二置換ビニル、MMA 不均化停止
単一ベース終端
鎖フリーラジカルとモノマーは連鎖移動を起こして停止します
チェーントランスファー
成長する鎖状フリーラジカルは系内の他の分子から原子を捕らえ、その活性を失ってポリマーを形成し、原子を捕らえた分子は新たなフリーラジカル反応を生成します。
単一塩基終端に属します
重合阻害:転写後に新たに発生するフリーラジカルが不活性な場合、モノマーの重合を開始できなかったり、重合反応が停止したりします。
フリーラジカル重合機構の特徴
反応速度論は、遅い開始、速い成長、速い停止、および転移によって特徴付けられます。
重合度はほとんど変化せず、重合時間を延長する目的はモノマー転化率を上げることです。
ある転化率に達すると粘度が大きくなり、重合速度と分子量が同時に増加し(自動加速)、拡散制御により巨視的な運動現象が起こります。
重合熱力学
基本的な考え方
重合自由エネルギー差ΔGの正負の値が、モノマーが重合できるかどうかの目安となります。 △G=△H-T△Sが0未満であれば重合可能であり、それ以外の場合は解重合します。 エントロピー減少反応のため、重合熱は0未満でなければなりません - ΔHが大きいほど、重合傾向が大きくなります
重合熱
直接熱量測定、燃焼熱法、熱力学的平衡法による実測、または標準生成熱からの計算が可能です。
影響を与える要因
立体効果
重合熱を低減します (メチル置換基は重合熱を 9kJ/mol 低減します)
活用効果
重合熱の低減 オレフィンモノマーには π-π、p-π、σ-π 共役があり、電子雲が平均化され、熱力学エネルギーが減少します。 共役は電子雲を平均化し、 モノマーの熱力学的エネルギーは減少します。
置換基の電気陰性度
重合熱が増加し、電気陰性度の高い原子団によって置換される結合エネルギーが大幅に増加します。
水素結合
重合熱が低下し、水素結合により内部エネルギーが低下します。アクリル酸はポリアクリル酸よりも分子間相互作用が強いため、メタクリル酸の方が立体障害と水素結合により内部エネルギーが低下します。
溶媒和
重合熱を下げる
重合上限温度
重合と解重合は動的平衡状態にあり、このときの温度を(重合)上限温度といいます。 Tc=△H基準/△S基準となります。
平衡モノマー濃度
重合-解重合平衡に対する圧力の影響
系の体積が収縮し、加圧すると分子間の距離が縮まるため、重合に有利となり、重合の上限温度を上昇させることができます。
重合反応速度論 (顕微鏡)
反応速度
コンバージョン率C 出発モノマー含有量に対する反応に参加したモノマーの割合 M = M0 (1-C) M はモノマーです
C-t 図 1. 誘導期間: 重合阻害不純物によって一次フリーラジカルが停止され、ポリマーは生成されません。 2. 等速初期 3中段加速ステージ(自動加速) 4. 減速後期
3つの仮定
長鎖の仮定 重合度が大きく、総重合速度が鎖の成長速度に等しいと仮定します。
等価性は、連鎖成長の各段階での速度定数が等しいことを前提としています。
定常状態の仮定: フリーラジカルの生成と破壊は平衡状態にあり、フリーラジカルの濃度は変化せず、定常状態の状態 Rt = Ri 連鎖開始速度は連鎖停止速度に等しい
前提
重合の初期段階では、解重合や二重ラジカル停止は起こらず、連鎖移動への影響もありません。
重合速度に影響を与える要因
モノリシック構造
共役効果: 置換基の共役効果が弱ければ、モノマーの活性も弱くなり、フリーラジカルの活性が高まり、反応速度が速くなります。
極性が強いほど反応速度が速くなります
立体障害効果: 置換基の体積が大きくなるほど、kp は小さくなります。
平均運動鎖長
定義 - 連鎖重合において、開始から終了までの各活性種(連鎖移動を含む) 反応の継続中に消費されるモノマー分子の平均数。
不均化が終了 Xn=v 結合が終了 Xn=2v
温度は数平均重合度にとって不利です