單體聚合成為高分子的反應。隻用一種單體進行聚合者稱為均聚反應,也稱聚合反應。當單體聚合生成分子量較小的低聚物時則稱低聚合反應,產物稱低聚物。當兩種或兩種以上的單體一起聚合則稱共聚合,產物稱共聚物。從聚合反應動力學來看,聚合反應主要有兩大類,一是鏈式聚合反應,如烯類單體的加成聚合,簡稱加聚。二是逐步聚合反應,如雙官能團的二元酸與二元胺間的縮合聚合,簡稱縮聚。

  鏈式聚合與逐步聚合有以下區別:

>  ①單體的消失(用轉化率%表示)與聚合時間的關系在逐步聚合反應中,所有單體的不同官能團之間都能進行反應,因此單體很快消失(圖a),

這時的轉化率要用單體官能團的反應程度 p來表示,它們之間的關系為轉化率%= 100 p。而在鏈式聚合反應中,單體是逐漸消失的(圖b)。

  ②聚合物的平均聚合度唒與轉化率的關系 在鏈式聚合反應中 唒與轉化率基本上沒有依賴關系(圖c)。在逐步聚合反應中,轉化率<80%時隻形成低聚物;隻有轉化率>98%時,才能形成高聚物(圖d)。

  沒有鏈終止和鏈轉移的負離子聚合能形成活的高分子,此時唒隨轉化率的增加而增大(圖e)。

  ③從反應熱及活化能來比較 鏈式聚合反應的反應熱較大,在20~30千卡/摩爾之間,所以聚合最高溫度Tc很高,在200~300℃之間,在一般聚合溫度下,可以認為它是不可逆反應。鏈式聚合反應的鏈增長活化能很小,在5千卡/摩爾左右,因此隻要引發劑產生自由基,鏈增長即迅速進行,能在一秒鐘左右形成唒約為1000的長鏈高分子。但在逐步聚合反應(如聚酰胺和聚酯)中,反應熱隻有5千卡/摩爾左右,它們的Tc低至40~50℃。所以在一般溫度下它是可逆反應,化學平衡既依賴於溫度,又依賴於小分子副產物的濃度。逐步聚合反應的鏈增長活化能在15千卡/摩爾左右,所以聚合必須用高溫,往往要采用催化劑以降低反應溫度,並在高真空下反應,以盡量除去小分子副產物。

  鏈式聚合 主要有α-烯烴、共軛雙烯烴、乙烯類單體的聚合。無論是自由基、正離子、負離子或配位負離子聚合,都是打開碳-碳雙鍵而形成碳-碳單鍵的聚合反應,所以統稱為烯類加成聚合。非共軛雙鍵的環化聚合也屬於鏈式聚合反應:

以下單體的正離子聚合可通過異構化得到下列聚合物:

所以這類反應稱為異構化聚合,也屬於鏈式聚合反應。

  αβ-不飽和酸酯如甲基丙烯酸甲酯,以具有三甲基矽基的烯酮二縮合物為引發劑,在親核試劑催化作用下,在室溫下能聚合:

  由於單體的每一步聚合過程都伴隨著三甲基矽基的轉移,稱為基團轉移聚合,也屬於鏈式聚合反應。

  逐步聚合 由乙二醇與對苯二甲酸合成聚酯;由己二胺與己二酸(或己二酰氯)合成聚酰胺;由雙酚A與光氣合成聚碳酸酯,同時生成小分子副產物水(或HCl)的官能團縮合聚合反應(也稱縮聚反應),都是逐步聚合反應。采用α-羥基或α-氨基ω羧酸的自縮聚反應,如HO─(CH2)n─COOH或H2N─(CH2)n─COOH,也是逐步聚合反應。逐步聚合還包括聚加成反應(又稱逐步加成聚合),例如聚氨酯的合成,從反應類型來說,它是異氰酸酯中氮-碳雙鍵的打開和醇中活潑氫的加成,由於中間經過氫原子轉移,也叫氫轉移聚合反應。如果異氰酸酯與胺反應,就形成聚脲;而二烯酮與醇或胺反應則形成聚酯或聚酰胺:

  

  

  

  又如丙烯酰胺的負離子聚合,由於中間經過氫原子轉移,也稱氫轉移聚合,因為它屬於逐步聚合,所以也可歸入聚加成反應。從得到的聚合物是丙烯酰胺異構化產物來看,也可叫異構化聚合。

  開環聚合 根據單體和反應類別的不同,還有一大類聚合反應是開環聚合,主要是雜環的開環聚合,如:

從聚合反應動力學來說,它們大部分屬於離子型鏈式聚合反應,也有些是逐步聚合反應。例如己內酰胺用金屬鈉開環聚合基本上屬於前者,而用稀酸為催化劑者則屬於後者,因為它是先形成ω-氨基酸後再進行逐步聚合:

所以不能隻以單體結構本身來決定它的聚合反應類型,還必須根據單體和反應條件來判斷。羰基化合物(包括醛類和酮類化合物)的羰基不能發生自由基聚合,但往往能進行離子型聚合,而且是鏈式聚合反應,它們往往也都包括在開環聚合之內。

  消除聚合 也可以看作不典型的縮合聚合,主要的例子有:在吡啶和氯化亞銅存在下,2,6-二甲苯酚氧化生成聚二甲基苯醚:

它簡稱聚苯醚(PPO),是一種工程塑料。總的看來,上面的反應是脫氫反應或氧化反應,也稱氧化偶合聚合。又如二甲苯在550℃氣相脫氫,熱分解得到聚對二甲苯:

它能耐高溫並有優異電學性能,是一種工程塑料。

  狄爾斯-阿爾德聚合 也可屬於聚加成反應,例如二環戊二烯化合物與對苯二醌能逐步進行狄爾斯-阿爾德加成反應:

  酚醛樹脂、脲醛樹脂和三聚氰胺樹脂的聚合都是逐步聚合反應,以酚醛樹脂為例:

有人把它看作是甲醛的羰基加成反應,然後是縮合聚合,所以又叫加成縮合聚合反應。但是從反應機理來看,應該是苯環的親電取代反應:

似乎也可叫取代縮聚反應。所以籠統地稱為縮聚反應比較合適。

  上述各點列於表中。

狄爾斯-阿爾德聚合

  

參考書目

 大津隆行著,陳九順、方向東譯:《高分子合成化學》,黑龍江科學技術出版社,哈爾濱,1982。(大津隆行著:《高分子合成の化學》,化學同人,京都,1979。)

 B.沃爾默特著,孫以實譯:《聚合物化學》上冊,化學工業出版社,北京,1981。(B.Vollmert,Polymer Chemistry,Springer-Verlag,Berlin,1973.)