Полимеризация с раскрытием кольца
Полимеризация , при которой циклический мономер дает мономерное звено, которое является ациклическим или содержит меньше циклов, чем мономер. Примечание: Если мономер является полициклическим , раскрытия одного кольца достаточно, чтобы классифицировать реакцию как полимеризацию с раскрытием кольца.
Пенчек С.; Моад, G. Pure Appl. хим. , 2008 , 80(10), 2163-2193

В химии полимеров полимеризация с раскрытием кольца ( ROP ) представляет собой форму полимеризации с ростом цепи , при которой конец цепи полимерной атакует циклические мономеры с образованием более длинного полимера (см. Рисунок). Реактивный центр может быть радикальным , анионным или катионным . Некоторые циклические мономеры, такие как норборнен или циклооктадиен, можно полимеризовать до высокомолекулярных полимеров с использованием металлических катализаторов . ROP — универсальный метод синтеза биополимеров .
Раскрытие кольца циклических мономеров часто обусловлено ослаблением деформации валентного угла . Таким образом, как и в случае других типов полимеризации, изменение энтальпии при раскрытии цикла отрицательно. [3]
Мономеры
[ редактировать ]К циклическим мономерам , поддающимся ROP, относятся эпоксиды , [4] [5] циклические трисилоксаны, [ нужна ссылка ] некоторые лактоны [4] [6] и лактиды , [6] циклические ангидриды , [5] циклические карбонаты , [7] и аминокислот N -карбоксиангидриды . [8] [9] Многие напряженные циклоалкены , например норборнен , являются подходящими мономерами посредством метатезисной полимеризации с раскрытием цикла . Даже сильно напряженные циклоалкановые кольца, такие как циклопропан [10] и циклобутан [11] производные, могут подвергаться ROP.
История
[ редактировать ]Полимеризация с раскрытием кольца используется с начала 1900-х годов для производства полимеров . Синтез полипептидов , имеющий древнейшую историю РН, восходит к работам Лейхса в 1906 году. [12] Впоследствии ОВП ангидросахаров обеспечила полисахариды , в том числе синтетический декстран , ксантановую камедь , велановую камедь , геллановую камедь , диутановую камедь и пуллулан . Механизмы и термодинамика полимеризации с раскрытием цикла были установлены в 1950-х годах. [13] [14] Первые высокомолекулярные полимеры (М н до 10 5 ) с повторяющимся блоком были подготовлены РОП еще в 1976 году. [15] [16]
Промышленное применение — производство нейлона-6 из капролактама .
Механизмы
[ редактировать ]Полимеризация с раскрытием цикла может протекать посредством радикальной , анионной или катионной полимеризации, как описано ниже. [17] Кроме того, радикальная ROP полезна при производстве полимеров с функциональными группами основную цепь, которые иначе невозможно синтезировать с помощью традиционной мономеров с ростом цепи полимеризации виниловых , включенными в . Например, радикальное ROP может производить полимеры с простыми , сложными эфирами , амидами и карбонатами в качестве функциональных групп вдоль основной цепи. [17] [18]
Анионная полимеризация с раскрытием цикла (AROP)
[ редактировать ]
Анионная полимеризация с раскрытием цикла (AROP) использует нуклеофильные реагенты в качестве инициаторов. Мономеры с трехчленной кольцевой структурой, такие как эпоксиды , азиридины и эписульфиды , подвергаются анионному ОВП. [18]
Типичным примером анионной ROP является ε-капролактон , инициируемый алкоксидом . [18]
Катионная полимеризация с раскрытием цикла
[ редактировать ]Катионные инициаторы и промежуточные продукты характеризуют катионную полимеризацию с раскрытием цикла (CROP). Примеры циклических мономеров , которые полимеризуются по этому механизму, включают лактоны , лактамы , амины и простые эфиры . [19] CROP протекает через распространение S N 1 или S N 2 , процесс цепного роста. [17] На механизм влияет стабильность образующихся катионных частиц. Например, если атом, несущий положительный заряд, стабилизирован электронодонорными группами , то полимеризация будет протекать по механизму S N 1 . [18] Катионная разновидность представляет собой гетероатом , и цепь растет за счет присоединения циклических мономеров, тем самым открывая кольцевую систему.

Мономеры могут быть активированы кислотами Бренстеда , ионами карбения , ионами ония и катионами металлов. [17]
CROP может представлять собой живую полимеризацию и может быть прекращена нуклеофильными реагентами, такими как феноксианионы , фосфины или полианионы . [17] Когда количество мономеров истощается, терминация может происходить внутри или межмолекулярно. Активный конец может «перекусить» цепь, образуя макроцикл . алкильной Также возможен перенос цепи, когда активный конец гасится за счет переноса алкильной цепи на другой полимер.
Метатезисная полимеризация с раскрытием цикла
[ редактировать ]Метатезисная полимеризация с раскрытием цикла (ROMP) дает ненасыщенные полимеры из циклоалкенов или бициклоалкенов. Для этого необходимы металлоорганические катализаторы . [17]
Механизм ROMP аналогичен механизму метатезиса олефинов . Процесс инициирования включает координацию мономера циклоалкена с комплексом алкилидена металла с последующим циклоприсоединением типа [2+2] с образованием промежуточного металлоциклобутанового соединения, которое циклически превращается в новую разновидность алкилидена. [21] [22]

Коммерчески значимые ненасыщенные полимеры, синтезированные с помощью ROMP, включают полинорборнен , полициклооктен и полициклопентадиен . [23]
Термодинамика
[ редактировать ]Формальный термодинамический критерий полимеризуемости данного мономера связан со знаком свободной энтальпии ( свободной энергии Гиббса ) полимеризации: где:
- x и y обозначают состояния мономера и полимера соответственно ( x и/или y = l (жидкость), g ( газообразное ), c ( аморфное твердое вещество ), c' ( кристаллическое твердое вещество ), s ( раствор ));
- ΔH ; p ( xy ) – энтальпия полимеризации (единица СИ: джоуль на кельвин)
- ΔS xy p ( ; ) – энтропия полимеризации (единица СИ: джоуль)
- T — абсолютная температура (единица СИ: кельвин).
Свободная энтальпия полимеризации ( Δ G p ) может быть выражена как сумма стандартной энтальпии полимеризации ( Δ G p ° ) и члена, относящегося к мгновенным молекулам мономера и растущим макромолекул концентрациям : где:
- R — газовая постоянная ;
- М представляет собой мономер;
- (m) i — мономер в исходном состоянии;
- м * является активным мономером.
Следуя теории решения Флори–Хаггинса , согласно которой реакционная способность активного центра, расположенного в макромолекуле достаточно длинной макромолекулярной цепи, не зависит от степени ее полимеризации ( DP i ), и принимая во внимание, что Δ G p ° = Δ H p ° − T Δ S p ° (где Δ H p ° и Δ S p ° обозначают стандартные энтальпию и энтропию полимеризации соответственно), получим:
При равновесии ( Δ G p = 0 ), когда полимеризация завершена, концентрация мономера ( [M] экв ) принимает значение, определяемое стандартными параметрами полимеризации ( Δ H p ° и Δ S p ° ) и температурой полимеризации: Полимеризация возможна только при [М] 0 > [М] экв . В конце концов, при так называемой предельной температуре ( T c ), при которой [M] eq = [M] 0 , или выше нее образование высокополимера не происходит. Например, тетрагидрофуран (ТГФ) не может полимеризоваться при температуре выше T c = 84 °C, а циклооктасера (S 8 ) - ниже T f = 159 °C. [24] [25] [26] [27] Однако для многих мономеров T c и T f для полимеризации в объеме значительно выше или ниже рабочих температур полимеризации соответственно. Полимеризация большинства мономеров сопровождается уменьшением энтропии , главным образом за счет потери поступательных степеней свободы. В этой ситуации полимеризация термодинамически разрешена только тогда, когда преобладает энтальпийный вклад в Δ G p (так, при Δ H p ° < 0 и Δ S p ° < 0 неравенство | Δ H p | > − T Δ S p имеет вид необходимый). Следовательно, чем выше напряжение кольца, тем ниже результирующая концентрация мономера в равновесии .
Дополнительное чтение
[ редактировать ]- Удача, Рассел М.; Садхир, Раджендер К., ред. (1992). Расширение мономеров: синтез, характеристика и применение . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0-8493-5156-3 .
- Нахрайн Э. Камбер; Вонхи Чон; Роберт М. Уэймут; Рассел К. Пратт; Бас Г.Г. Ломейер; Джеймс Л. Хедрик (2007). «Органокаталитическая полимеризация с раскрытием цикла». Химические обзоры . 107 (12): 5813–5840. дои : 10.1021/cr068415b . ПМИД 17988157 .
- Дюбуа, Филипп; Кулембье, Оливье; Ракес, Жан-Мари, ред. (2009). Справочник по полимеризации с раскрытием кольца . Уайли. дои : 10.1002/9783527628407 . ISBN 9783527628407 .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Полимеризация с раскрытием кольца ». дои : 10.1351/goldbook.R05396
- ^ Дженкинс, AD; Краточвил, П.; Степто, РФТ; Сутер, Вашингтон (1996). «Глоссарий основных терминов в науке о полимерах (Рекомендации ИЮПАК, 1996 г.)» . Чистая и прикладная химия . 68 (12): 2287–2311. дои : 10.1351/pac199668122287 .
- ^ Янг, Роберт Дж. (2011). Введение в полимеры . Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 978-0-8493-3929-5 .
- ^ Jump up to: а б Янн Саразин; Жан-Франсуа Карпантье (2015). «Дискретные катионные комплексы для катализа полимеризации с раскрытием цикла циклических эфиров и эпоксидов». Химические обзоры . 115 (9): 3564–3614. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00033 . ПМИД 25897976 .
- ^ Jump up to: а б Лонго, Джули М.; Сэнфорд, Мария Дж.; Коутс, Джеффри В. (2016). «Сополимеризация с раскрытием цикла эпоксидов и циклических ангидридов с дискретными металлокомплексами: взаимосвязь структура-свойство». Химические обзоры . 116 (24): 15167–15197. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00553 . ПМИД 27936619 .
- ^ Jump up to: а б ДЖЕРОМ, К; ЛЕКОМТ, П (10 июня 2008 г.). «Последние достижения в синтезе алифатических полиэфиров путем полимеризации с раскрытием цикла ☆» . Обзоры расширенной доставки лекарств . 60 (9): 1056–1076. дои : 10.1016/j.addr.2008.02.008 . hdl : 2268/3723 . ISSN 0169-409X . ПМИД 18403043 .
- ^ Мацумура, Шуичи; Цукада, Кейсуке; Тосима, Кадзунобу (май 1997 г.). «Ферментативно-каталитическая полимеризация 1,3-диоксан-2-она с раскрытием кольца в поли(триметиленкарбонат)». Макромолекулы . 30 (10): 3122–3124. Бибкод : 1997МаМол..30.3122М . дои : 10.1021/ma961862g .
- ^ Крихельдорф, HR (2006). -карбоксиангидридов α-аминокислот «Полипептиды и 100 лет химии N ». Angewandte Chemie, международное издание . 45 (35): 5752–5784. дои : 10.1002/anie.200600693 . ПМИД 16948174 .
- ^ Никос Хаджихристидис; Гермис Ятру; Маринос Пицикалис; Георгиос Сакеллариу (2009). «Синтез четко определенных материалов на основе полипептидов посредством полимеризации с раскрытием кольца N-карбоксиангидридов α-аминокислот». Химические обзоры . 109 (11): 5528–5578. дои : 10.1021/cr900049t . ПМИД 19691359 .
- ^ Скотт, Р.Дж.; Ганнинг, HE (1952). «Полимеризация циклопропана». Дж. Физ. Хим . 56 (1): 156–160. дои : 10.1021/j150493a031 .
- ^ Ёкодзава, Цутому; Цурута, Эй-ичи (1996). «Полимеризация с раскрытием цикла циклобутанового аддукта метилтрицианоэтиленкарбоксилата и этилвинилового эфира». Макромолекулы . 29 (25): 8053–8056. дои : 10.1021/ma9608535 .
- ^ Лейхс, Х. (1906). «Глицин-карбоновая кислота» . Отчеты Немецкого химического общества . 39 : 857. doi : 10.1002/cber.190603901133 .
- ^ Дейнтон, ФС; Девлин, TRE; Смолл, Пенсильвания (1955). «Термодинамика полимеризации циклических соединений с раскрытием цикла». Труды Фарадеевского общества . 51 : 1710. дои : 10.1039/TF9555101710 .
- ^ Коникс, Андре; Сметс, Г. (январь 1955 г.). «Раскрытие кольца в лактамных полимерах». Журнал полимерной науки . 15 (79): 221–229. Бибкод : 1955JPoSc..15..221C . дои : 10.1002/pol.1955.120157918 .
- ^ Калузинский, Кшиштоф; Либишовский, Ян; Пенчек, Станислав (1977). «Поли(2-гидро-2-оксо-1,3,2-диоксафосфоринан). Получение и спектры ЯМР». Die Makromoleculare Chemie . 178 (10): 2943–2947. дои : 10.1002/macp.1977.021781017 . ISSN 0025-116X .
- ^ Либишовский, Ян; Калужинский, Кшиштоф; Пенчек, Станислав (июнь 1978 г.). «Полимеризация циклических эфиров фосфорной кислоты. VI. Поли(алкилэтиленфосфаты). Полимеризация 2-алкокси-2-оксо-1,3,2-диоксафосфоланов и строение полимеров». Журнал науки о полимерах: издание по химии полимеров . 16 (6): 1275–1283. Бибкод : 1978JPoSA..16.1275L . дои : 10.1002/pol.1978.170160610 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Нуйкен, Оскар; Стивен Д. Паск (25 апреля 2013 г.). «Полимеризация с раскрытием кольца — вводный обзор» . Полимеры . 5 (2): 361–403. дои : 10.3390/polym5020361 .
- ^ Jump up to: а б с д и Дюбуа, Филипп (2008). Справочник по полимеризации с раскрытием цикла (1-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31953-4 .
- ^ Коуи, Джон Маккензи Грант (2008). Полимеры: химия и физика современных материалов . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. стр. 105–107. ISBN 978-0-8493-9813-1 .
- ^ Прюкмайр, Герфрид; Дрейфус, П.; Дрейфус, член парламента (1996). «Полиэфиры, тетрагидрофуран и оксетановые полимеры». Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . Джон Уайли и сыновья.
- ^ Суттасупа, Суттира; Сиоцуки, Масаси; Санда, Фумио (13 октября 2010 г.). «Последние достижения в метатезисной полимеризации с раскрытием цикла и их применение для синтеза функциональных материалов» . Полимерный журнал . 42 (12): 905–915. дои : 10.1038/pj.2010.94 .
- ^ Хартвиг, Джон Ф. (2010). Химия органопереходных металлов: от связывания к катализу . Саусалито, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN 978-1-891389-53-5 .
- ^ Уолш, Дилан Дж.; Лау, Сии Хонг; Хаятт, Майкл Г.; Гиронне, Дэмиен (25 сентября 2017 г.). «Кинетическое исследование метатезисной полимеризации с раскрытием живого кольца с помощью катализаторов Граббса третьего поколения». Журнал Американского химического общества . 139 (39): 13644–13647. дои : 10.1021/jacs.7b08010 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 28944665 .
- ^ Тобольский А.В. (июль 1957 г.). «Равновесная полимеризация в присутствии ионного инициатора». Журнал полимерной науки . 25 (109): 220–221. Бибкод : 1957JPoSc..25..220T . дои : 10.1002/pol.1957.1202510909 .
- ^ Тобольский А.В. (август 1958 г.). «Равновесная полимеризация в присутствии ионного инициатора» . Журнал полимерной науки . 31 (122): 126. Бибкод : 1958JPoSc..31..126T . дои : 10.1002/pol.1958.1203112214 .
- ^ Тобольский, Артур В.; Айзенберг, Ади (май 1959 г.). «Равновесная полимеризация серы». Журнал Американского химического общества . 81 (4): 780–782. дои : 10.1021/ja01513a004 .
- ^ Тобольский А.В.; Айзенберг, А. (январь 1960 г.). «Общий подход к равновесной полимеризации». Журнал Американского химического общества . 82 (2): 289–293. дои : 10.1021/ja01487a009 .