Jump to content

Полимеризация с раскрытием кольца

ИЮПАК определение

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.

Изменено по сравнению с предыдущим определением. [1] [2]

Пенчек С.; Моад, G. Pure Appl. хим. , 2008 , 80(10), 2163-2193

Общая схема ионного распространения. Центр роста может быть радикальным, катионным или анионным.

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.

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 ]
Общий механизм анионной полимеризации с раскрытием цикла. Поляризованная функциональная группа представлена ​​XY, где атом X (обычно атом углерода) становится электронодефицитным из-за сильно электроноакцепторной природы Y (обычно кислорода, азота, серы и т. д.). Нуклеофил атакует атом X, высвобождая Y. . Вновь образовавшийся нуклеофил затем атакует атом X в другой молекуле мономера, и последовательность будет повторяться до тех пор, пока не образуется полимер. [18]

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.

Синтез спандекса . [20]

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]

Общая схема механизма ROMP.

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 .
  1. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Полимеризация с раскрытием кольца ». дои : 10.1351/goldbook.R05396
  2. ^ 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 .
  3. ^ Янг, Роберт Дж. (2011). Введение в полимеры . Бока-Ратон: CRC Press. ISBN  978-0-8493-3929-5 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ Скотт, Р.Дж.; Ганнинг, HE (1952). «Полимеризация циклопропана». Дж. Физ. Хим . 56 (1): 156–160. дои : 10.1021/j150493a031 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ Лейхс, Х. (1906). «Глицин-карбоновая кислота» . Отчеты Немецкого химического общества . 39 : 857. doi : 10.1002/cber.190603901133 .
  13. ^ Дейнтон, ФС; Девлин, TRE; Смолл, Пенсильвания (1955). «Термодинамика полимеризации циклических соединений с раскрытием цикла». Труды Фарадеевского общества . 51 : 1710. дои : 10.1039/TF9555101710 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ Прюкмайр, Герфрид; Дрейфус, П.; Дрейфус, член парламента (1996). «Полиэфиры, тетрагидрофуран и оксетановые полимеры». Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . Джон Уайли и сыновья.
  21. ^ 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 .
  22. ^ Хартвиг, Джон Ф. (2010). Химия органопереходных металлов: от связывания к катализу . Саусалито, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN  978-1-891389-53-5 .
  23. ^ 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 .
  24. ^ 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 .
  25. ^ 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 .
  26. ^ Тобольский, Артур В.; Айзенберг, Ади (май 1959 г.). «Равновесная полимеризация серы». Журнал Американского химического общества . 81 (4): 780–782. дои : 10.1021/ja01513a004 .
  27. ^ 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 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: ed6ffc9e15c3ae353d9eb9f602c3b6d7__1714606800
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/ed/d7/ed6ffc9e15c3ae353d9eb9f602c3b6d7.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Ring-opening polymerization - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)