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第 六 章 聚合物的化学反应;6.1 概述; 根据高分子的功能基及聚合度的变化可分为:
(i)聚合物的相似转变:
反应仅发生在聚合物分子的侧基上,即侧基由一种基团转变为另一种基团,并不会引起聚合度的明显改变。
(ii)聚合物的聚合度发生根本改变的反应,包括:
聚合度变大的化学反应,如扩链(嵌段、接枝等)和交联;
聚合度变小的化学反应,如降解与解聚;(1)聚合物化学反应不完全。
高分子链上可带有大量的功能基,但并非所有功能基都能参与反应,因此反应产物分子链上既带有起始功能基,也带有新形成的功能基,
并且每一条高分子链上的功能基数目各不相同,不能将起始功能基和反应后功能基分离开来,因此很难象小分子反应一样可分离得到含单一功能基的反应产物。; (2)聚合物化学反应的复杂性。
由于聚合物本身是聚合度不一的混合物,而且每条高分子链上的功能基转化程度不一样,
因此所得产物是不均一的,复杂的。
其次,聚合物的化学反应可能导致聚合物的物理性能发生改变,从而影响反应速率甚至影响反应的进一步进行。;(1)物理因素:如聚合物结晶度、溶解性、温度等。
结晶性:
对于部分结晶的聚合物而言,由于在其结晶区域(即晶区)分子链排列规整,分子链间相互作用强,链与链之间结合紧密,小分子不易扩散进晶区,因此反应只能发生在非晶区; ; 溶解性:
聚合物的溶解性随化学反应的进行可能不断发生变化,一般溶解性好对反应有利,但假若沉淀的聚合物对反应试剂有吸附作用,由于使聚合物上的反应试剂浓度增大,反而使反应速率增大;
温度:
一般温度提高有利于反应速率的提高,但温度太高可能导致不期望发生的氧化、裂解等副反应。;(2)化学因素
聚合物本身的结构对其化学反应性能的影响,称为高分子效应,这种效应是由高分子链节之间的不可忽略的相互作用引起的。; 高分子效应主要有以下几种:
a.功能基孤立化效应(几率效应)
当高分子链上的相邻功能基成对参与反应时,由于成对基团反应存在几率效应,即反应过程中间或会产生孤立的单个功能基,由于单个功能基难以继续反应,因而不能100%转化,只能达到有限的反应程度。; b.位阻效应
由于新生成的功能基的立体阻碍,导致其邻近功能基难以继续参与反应。
如聚乙烯醇的三苯乙酰化反应,由于新引入的庞大的三苯乙酰基的位阻效应,使其邻近的-OH难以再与三苯乙酰氯反应:; c. 静电效应
邻近基团的静电效应可降低或提高功能基的反应活性。
d. 邻基效应
如聚丙烯酰胺的水解反应速率随反应的进行而增大,其原因是水解生成的羧基与邻近的未水解的酰胺基反应生成酸酐环状过渡态,从而促进了酰胺基中-NH2的离去加速水解。;6.3. 1 引入新功能基;6.3.1纤维素的化学改性
(i)粘胶纤维的合成;(ii)纤维素酯的合成
纤维素与酸反应酯化可获得多种具有重要用途的纤维素酯。重要的有:; b. 纤维素乙酸酯
常称醋酸纤维素,物性稳定,不燃,除火药外已全部取代硝化纤维素。
由乙酸酐和乙酸在硫酸催化下与纤维素反应而得:;(iii)纤维素醚的合成
将碱纤维素与卤代甲烷、卤代乙烷反应可分别制得甲基、乙基纤维素,主要用做分散剂:; 将碱纤维素与氯乙酸钠反应可制得具有多种重要用途(胶体保护剂、粘结剂、增稠剂、表面活性剂等)的羧甲基纤维素:;6.3.2离子交换树脂的合成
离子交换树脂的单元结构由三部分组成:
不溶不熔的三维网状骨架、
固定在骨架上的功能基
功能基所带的可交换离子。
最常用的是聚苯乙烯类的离子交换树脂,它是由苯乙烯与二乙烯基苯的悬浮共聚得到体型共聚物小珠,再通过苯环的取代反应及功能基转化而制成:;; 离子交换树脂的离子交换过程也是化学反应,
如磺酸型聚苯乙烯阳离子交换树脂与水中的阳离子如Na+作用时,由于树脂上的H+浓度大,而-SO3-对Na+的亲合力比对H+的亲合力强,因
此树脂上的H+便与Na+发生交换,起到消除水中Na+的作用。
交换完的树脂又可用高浓度的盐酸处理再生重复使用:; 聚苯乙烯的功能化、改性:
聚苯乙烯芳环上易发生各种取代反应(硝化、磺化、氯磺化等),可被用来合成功能高分子、离子交换树脂以及在聚苯乙烯分子链上引入交联点或接枝点。
特别重要的是聚苯乙烯的氯甲基化,由于生成的苄基氯易进行亲核取代反应而转化为许多其它的功能基。;6.3.3 聚乙烯醇的功能基转化;6.3.4 氯化反应;其反应历程跟小分子饱和烃的氯化反应相同,是一个自由基链式反应:;6.
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