Полимеризация

Полимеризация — поликонденсация

Для всех реакций полимеризации основным условием является наличие мономера, способного, вследствие химического взаимодействия, создавать связи с другими молекулами мономера.

Такая способность называется «функциональностью». Различные мономеры имеют возможность образовывать химические связи по различным механизмам.

На различии этих механизмов основаны системы классификации реакций полимеризации.

Существует четыре основных типа реакций полимеризации: полиприсоединение, поликонденсация, цепная полимеризация и ступенчатая полимеризация. Рассмотрим эти реакции подробнее.

Реакции присоединения vs поликонденсация

Реакцию полимеризации можно отнести к реакции присоединения в случае, когда весь мономер целиком становится частью образующейся макромолекулы.

Таким образом, химическая формула каждого отдельно взятого звена полимера будет совпадать со структурой использованного мономера.

Например, когда этилен полимеризуется в полиэтилен, каждая молекула этилена становится частью макромолекулы полиэтилена. Мономеры присоединяются к активному центру макромолекулы.

К реакциям поликондесации относятся такие процессы полимеризации, вследствие которых часть молекулы мономера отбрасывается, что позволяет этой молекуле образовать химическую связь. Чаще всего в реакциях поликонденсации основному продукту сопутствуют такие продукты как вода или соляная кислота.

Типичным примером реакции поликонденсации является образование нейлона, в качестве продукта взаимодействия адипоилхлорида с гексаметилендиамином.

Как видно из схемы, атомы хлора и водорода отсоединяются от мономеров и образуют побочный продукт реакции – соляную кислоту. Так как конечная масса полимерной молекулы меньше чем суммарная масса мономеров, вступивших в химическое взаимодействие говорят, что масса полимера сократилась (condensed), отсюда название реакции – конденсация.

Цепная полимеризация vs ступенчатая полимеризация

Второй важной группой рассматриваемого процесса являются реакции цепной и ступенчатой полимеризации.

При цепном механизме реакций полимеризации, молекулы мономеров по одной присоединяются к растущей полимерной макромолекуле. Рассмотрим механизм реакции цепной полимеризации на примере анионной полимеризации стирола:

А)

Б)

Как следует из схем реакции выше, в процессе полимеризации стирола, только мономеры стирола могут присоединяться (1) к растущей цепи полистирола. Две растущие цепи (2) не вступают во взаимодействие. Это основная особенность реакции цепной полимеризации, которая отличает данный процесс от ступенчатой полимеризации.

Ступенчатая полимеризация представляет из себя несколько более сложный процесс.

Рассмотрим процесс ступенчатой полимеризации на примере взаимодействия двух мономеров: терефталоилхлорида и этиленгликоля. Взаимодействие этих двух компонентов приводит к образованию полиэфира, который называется полиэтилентерефталат.

На первой стадии процесса две молекулы мономеров реагируют с образованием димера:

Далее процесс может пойти по одному из нескольких путей: третий мономер может присоединиться к димеру с образованием тримера, затем четвертый с образованием тетрамера и так далее.

В то же самое время, димер может прореагировать с еще одной молекулой этиленгликоля.

Или же димер может провзаимодействовать с другим димером с образованием тетрамера:

С ростом олигомерной цепи процесс усложняется – мономеры, димеры, тирмеры, пентамеры и т.д. взаимодействуют друг с другом в случайном порядке до тех пор, пока олигомерная молекула не разрастается в большую полимерную макромолекулу и пока объемные, стерические, химические и прочие факторы не замедлят рост цепи.

Таким образом, главным отличием цепной полимеризации от ступенчатой является: в ступенчатом процессе растущие молекулы могут взаимодействовать друг с другом с образованием еще более длинных цепей. В цепном процессе, напротив, только лишь мономеры могут поочередно присоединяться к активном центру растущей макромолекулы.

Можно заметить, что приведенная выше реакция синтеза полиэтилетерефталата характеризуется выбросом небольшого количества соляной кислоты, что позволяет классифицировать ее также как реакцию поликонденсации.

А приведенная в качестве примера цепной полимеризации реакция синтеза стирола, является также хорошим примером реакции полиприсоединения. Однако, сделать вывод, что все цепные реакции – реакции присоединения, а ступенчатые – реакции поликонденсации будет неверным.

В самом начале процесса получения полимерных уретанов реагируют два простейших компонента цепи:

Вследствие взаимодействия этих компонентов получается димер:

Уретановый димер имеет две различные функциональные группы на своих концах – изоцианатную с одной и гидроксильную с другой. Это свойство позволяет димеру реагировать как с другими изоцианатами или спиртами с образованием тримера, так и с другими димерами, тримерами и более высокомолекулярными уретановыми олигомерами.

Реакция продолжается до тех пор, пока растущая макромолекула не набирает достаточный молекулярный вес, чтобы быть классифицированной как полиуретан с общей формулой:

При внимательном рассмотрении структуры конечного продукта (полиуретана), структуры мономеров и схемы химического взаимодействия, можно сделать вывод, что структура мономера сохраняется при переходе в полимерное состояние, а также отсутствуют побочные второстепенные продукты. По этим признакам можно заключить, что данная реакция относится к реакциям полиприсоединения. А способность присоединять не только мономеры, но и тримеры и прочие олигомеры позволяют классифицировать химический процесс как ступенчатую полимеризационную реакцию.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод: разделение реакций полимеризации на присоединение, конденсацию, ступенчатые и цепные реакции не случайно, и нельзя поставить знаки равенства между ними. Хорошим примером реакции присоединения, которая одновременно относится к реакциям ступенчатой полимеризации является реакция синтеза полиуретанов.

Что такое полимеризация в органической химии

Полимеризация — это процесс получения из одного вида исходных мономеров крупной молекулы. Получаемый полимер представляет собой макромолекулу, которая состоит из достаточного количества повторяющихся звеньев.

Основные виды полимеризации

Отвечая на вопрос о том, что такое полимеризация в химии, заметим, что данная реакция протекает при наличии катализатора (ускорителя процесса).

Гомополимер – высокомолекулярное соединение, которое получают в ходе объединения одинаковых исходных мономеров.

Гетерополимер – продукт реакции взаимодействия разных исходных веществ.

Структура полимера

Учитывая, что полимеризация — это сложный химический процесс, молекулярная масса получаемого полимера может иметь разный показатель.

В высокомолекулярных соединениях есть «концевые группы», отличающиеся от повторяющихся фрагментов.

Такие группы содержатся в структуре полимера в незначительном количестве, поэтому их характер не учитывают при анализе химических и физических свойств полученного полимерного вещества.

Катионная полимеризация

Что такое полимеризация катионного вида? Протекает этот процесс под воздействием кислот Льюиса (смеси хлорида алюминия, фторида бора, кислот) по механизму, который аналогичен процессу электрофильного присоединения по кратной (двойной) связи.

На первом этапе происходит присоединение протона к алкену, в результате чего образуется карбокатион.

Далее, за счет электронной связи, во взаимодействие вступает другая молекула алкена, в итоге образуется карбокатион, имеющий более длинную цепь.

Высока вероятность обрыва катионного центра, что может быть спровоцировано отрывом от молекулы протона.

Примеры

Рассмотрим подробнее вопрос о том, что такое полимеризация в химии. Примеры подобного процесса приведем на основе полимеризации изобутилена. Процесс протекает по катионному механизму, так как присутствуют алкильные электродонорные группы.

Формирование цепи полиизобутилена происходит так, что образуется на ее конце максимально стабильный карбокатион. В результате наблюдается упорядоченное присоединение «головой к хвосту».

При проведении химического взаимодействия, практически без присутствия воды, наблюдается образование полимера, имеющего длинную цепь.

Что такое полимеризация данного представителя класса непредельных углеводородов? Если в качестве катализатора выбрана концентрированная серная кислота, наблюдается после полимеризации образование смеси двух димеров.

После того как будут соединены между собой две молекулы изобутилена, происходит обрыв цепи.

При этом промежуточный комплекс (карбокатион) отдает свой протон воде до того, как вступит во взаимодействие с другой молекулой непредельного алкена.

Анионная полимеризация

Что такое полимеризация анионного вида? Этот механизм предполагает проведение полимеризации алкена по одному из концов кратной связи. Полимеризация возможна при атаке молекулы алкена определенными нуклеофильными реагентами.

Например, амид-анион вступает во взаимодействие с акрилонитратом по двойной связи, в результате образуется карбанион, в котором отрицательный заряд локализован между цианидом и атомом углерода. Если комплекс получается устойчивым, наблюдается присоединение его к следующей молекуле алкена.

Обрыв растущей цепи возможен в реакции, приводящей к устранению на конце углеродной цепи отрицательного заряда.

Свободно радикальная полимеризация

Процесс полимеризации этилена может протекать при наличии пероксидов (при повышенном давлении и высокой температуре). Обрыву цепи способствует процесс рекомбинации либо диспропорционирования радикалов.

В углеводородной цепочке полиэтилена находится несколько структурных звеньев этилена. Именно такое строение характеризует ценные свойства данного высокомолекулярного соединения, способствует его широкому применению при изготовлении в промышленных масштабах упаковочной пленки. Кроме того, полиэтилен необходим для создания изделий путем формования и литья.

В случае свободнорадикального вида полимеризации у нессиметричного алкена растущий конец будет представлен в виде стабильного радикала, а процесс представлен по типу «к хвосту голова».

Полимеризация • ru.knowledgr.com

В химии полимера полимеризация — процесс реагирующих молекул мономера вместе в химической реакции сформировать цепи полимера или трехмерные сети. Есть много форм полимеризации, и различные системы существуют, чтобы категоризировать их.

Введение

В химических соединениях полимеризация происходит через множество механизмов реакции, которые варьируются по сложности из-за функциональных групп, существующих в реагирующих составах и их врожденных стерических эффектах.

В большем количестве прямой полимеризации, алкенов, которые относительно стабильны из-за соединения между атомами углерода, полимерами формы посредством относительно простых радикальных реакций; напротив, более сложные реакции, такие как те, которые включают замену в карбонильной группе, требуют более сложного синтеза из-за пути, которым полимеризируются реагирующие молекулы.

Поскольку алкены могут быть сформированы в несколько прямых механизмах реакции, они формируют полезные составы, такие как полиэтилен и поливинилхлорид (ПВХ), подвергаясь радикальным реакциям, которые производятся в высоких тоннажах каждый год из-за их полноценности в производственных процессах коммерческих продуктов, таких как трубопровод, изоляция и упаковка. В целом полимеры, такие как ПВХ упоминаются как «homopolymers», поскольку они состоят из повторных длинных цепей или структур той же самой единицы мономера, тогда как полимеры, которые состоят больше чем из одной молекулы, упоминаются как сополимеры (или сополимеры).

Другие единицы мономера, такие как гидраты формальдегида или простые альдегиды, в состоянии полимеризировать себя при довольно низких температурах (приблизительно −80 °C), чтобы сформировать тримеры; молекулы, состоящие из 3 единиц мономера, которые могут cyclize, чтобы сформировать кольцо циклические структуры или подвергнуться дальнейшим реакциям сформировать tetramers или 4 состава единицы мономера. Дальнейшие составы любое упоминание как oligomers в меньших молекулах. Обычно, потому что формальдегид — исключительно реактивный electrophile, он позволяет нуклеофильное добавление hemiacetal промежуточных звеньев, которые находятся в общей недолгой и относительно нестабильной «середине этапных» составов, которые реагируют с другим подарком молекул, чтобы сформировать более стабильные полимерные составы.

Полимеризация, которая не достаточно смягчена и продолжается по быстрому уровню, может быть очень опасной. Это явление известно как опасная полимеризация и может вызвать огни и взрывы.

Неродной рост

Полимеры неродного роста определены как полимеры, сформированные пошаговой реакцией между функциональными группами мономеров, обычно содержащих heteroatoms, такими как азот или кислород.

Большинство полимеров неродного роста также классифицировано как полимеры уплотнения, но не все полимеры неродного роста (как полиуретаны, сформированные из изоцианата и алкоголя bifunctional мономеры) конденсаты выпуска; в этом случае мы говорим о дополнительных полимерах.

Полимеры неродного роста увеличиваются в молекулярной массе по очень медленному уровню в более низких преобразованиях и достигают умеренно высоких молекулярных масс только в очень высоком преобразовании (т.е.,> 95%).

Полимер уплотнения определен как полимер, который включает потерю маленьких молекул во время его синтеза или содержит heteroatoms как часть его цепи основы, или ее повторное отделение не содержит все атомы, существующие в гипотетическом мономере, к которому это может быть ухудшено.

Рост цепи

Полимеризация роста цепи (или дополнительная полимеризация) включают соединение вместе молекул, включающих двойные или тройные связи углеродного углерода.

У этих ненасыщенных мономеров (идентичные молекулы, которые составляют полимеры) есть дополнительные внутренние связи, которые в состоянии сломаться и соединиться с другими мономерами, чтобы сформировать повторяющуюся цепь, основа которой, как правило, содержит только атомы углерода.

Полимеризация роста цепи вовлечена в изготовление полимеров, таких как полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид (ПВХ). Особый случай полимеризации роста цепи приводит к живущей полимеризации.

В радикальной полимеризации этилена разорвана его π связь, и эти два электрона перестраивают, чтобы создать новый центр размножения как тот, который напал на него. Форма, которую принимает этот центр размножения, зависит от определенного типа дополнительного механизма. Есть несколько механизмов, через которые это может быть начато.

Механизм свободного радикала — один из первых методов, которые будут использоваться. Свободные радикалы — очень реактивные атомы или молекулы, которые не соединили электроны. Беря полимеризацию этилена как пример, механизм свободного радикала может быть разделен на три стадии: инициирование цепи, распространение цепи и завершение цепи.

Дополнительная полимеризация свободного радикала этилена должна иметь место при высоких температурах и давлениях, приблизительно 300 °C и 2 000 атм.

В то время как большинство других полимеризаций свободного радикала не требует таких чрезвычайных температур и давлений, они действительно имеют тенденцию испытывать недостаток в контроле. Один эффект этого отсутствия контроля — высокая степень перехода.

Кроме того, поскольку завершение происходит беспорядочно, когда две цепи сталкиваются, невозможно управлять длиной отдельных цепей.

Более новый метод полимеризации, подобной свободному радикалу, но позволяющий больше контроля, включает катализатор Циглера-Натты, особенно относительно перехода полимера.

Другие формы полимеризации роста цепи включают катионную дополнительную полимеризацию и анионную дополнительную полимеризацию.

Сложные эфиры акриловой кислоты содержат углеродный углерод двойная связь, которая спрягается группе сложного эфира. Это позволяет возможность обоих типов механизма полимеризации. Акриловый сложный эфир отдельно может подвергнуться полимеризации роста цепи, чтобы сформировать homopolymer с основой углеродного углерода, такой как poly (метакрулат метила).

Кроме того, однако, определенные акриловые сложные эфиры могут реагировать с диаминовыми мономерами нуклеофильным сопряженным добавлением групп амина к акриловым связям C=C.

В этом случае доходы полимеризации неродным ростом и продуктами — poly (сложный эфир бета аминопласта) сополимеры с основами, содержащими азот (как амин) и кислород (как сложный эфир), а также углерод.

Физическая разработка реакции полимера

Чтобы произвести высокую молекулярную массу, однородный продукт, различные методы используются, чтобы лучше управлять инициированием, распространением и ставками завершения во время полимеризации цепи и также удалить избыток сконцентрированная высокая температура во время этих экзотермических реакций по сравнению с полимеризацией чистого мономера. Они включают полимеризацию эмульсии, полимеризацию решения, полимеризацию приостановки и полимеризацию осаждения. Хотя полимер polydispersity и молекулярная масса могут быть улучшены, эти методы могут ввести дополнительные требования к обработке, чтобы изолировать продукт от растворителя.

Фотополимеризация

Большинство реакций фотополимеризации — полимеризации роста цепи, которые начаты поглощением видимого или ультрафиолетового света.

Свет может быть поглощен любой непосредственно мономером реагента (прямая фотополимеризация), или иначе photosensitizer, который поглощает свет и затем передает энергию мономеру.

В целом только шаг инициирования отличается от той из обычной тепловой полимеризации того же самого мономера; последующее распространение, завершение и шаги передачи цепи неизменны.

В фотополимеризации неродного роста поглощение света вызывает дополнение (или уплотнение) реакция между двумя comonomers, которые не реагируют без света. Цикл распространения не начат, потому что каждый шаг роста требует помощи света.

Фотополимеризация может использоваться в качестве фотографического или печатающего процесса, потому что полимеризация только происходит в регионах, которые были выставлены свету. Не реагировавший мономер может быть удален из невыставленных областей, оставив облегчение полимерным изображением. Несколько форм 3D печати — включая стереолитографию слоя слоем и

поглощение с двумя фотонами 3D фотополимеризация —

используйте фотополимеризацию.

См. также

• Обратимая addition−fragmentation цепь передает полимеризацию

• Открывающая кольцо полимеризация

• Управляемые последовательностью полимеры

• Катализатор Циглера-Натты

Полимеризация алкенов

Молекулы алкенов способны присоединяться при определенных условиях друг к другу с раскрытием π-связей и образованием димеров, триммеров и т.д. (реакция олигомеризации) или высокомолекулярных соединений -полимерив. Образование полимера из большого количества молекул мономера называется реакцией полимеризации.

Определение 1

Полимеризация — химический процесс, при котором молекулы мономера присоединяются друг к другу без выделения каких-либо продуктов.

Определение 2

Мономеры — молекулы, вступающие в реакцию полимеризации, исходные продукты для получения высокомолекулярных веществ.

Определение 3

Полимеры — высокомолекулярные (макромолекулярные) соединения, образованные из мономеров реакцией полимеризации. Элементный состав мономеров и полимеров одинаков.

Относительная молекулярная масса полимера является кратной относительной молекулярной массе мономера; число элементарных структурных звеньев (остатков мономеров) в цепи называется степенью полимеризации и обозначается буквой п.

Физико-химические свойства полимеров резко отличаются от свойств исходных мономеров.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Реакции полимеризации и поликонденсации — важнейшие синтетические методы современной органической химии. Эти реакции дают возможность получать материалы, обладающие ценными техническими свойствами: прочностью, эластичностью, термостойкостью, коррозионной устойчивостью, легкостью и т. д.

Полимеризация олефинов представляет собой процесс чрезвычайной важности. Эта реакция лежит в основе таких (многотоннажных производственных процессов, как получение синтетического каучука, разнообразных видов пластических масс и синтетического волокна.

В качестве инициаторов полимеризации применяют кислоты, перекиси, металлы и др. Реакцию полимеризации реализуют также под действием температуры, разнообразного облучения.

В зависимости от природы инициатора и активных промежуточных частиц (карбокатионы, карбанионы, свободные радикалы) различают ионную (катионную и анионную) и радикальную полимеризацию.

Самые распространенные из них полиэтилен, полипропилен, кополимер (сополимер) этилена и пропилена — этиленпропиленовый каучук (СКЭП), полиизобутилен и бутилкаучук. Последний представляет собой сополимер изобутилена и 2-3% изопрена.

Полимеризация этилена

Под влиянием давления или катализаторов этилен превращается в твердый высокомолекулярный продукт — полиэтилен, имеющий большое практическое значение.Известны два основных метода полимеризации этилена:

• высокого давления;
• низкого давления (металлоорганический метод).

По первому, исторически более раннему способу (полиэтилен впервые получен в 1933 г.) главным фактором, определяющим течение реакции, является высокое давление; по второму — металлоорганические комплексные катализаторы. Полиэтилен высокого давления:

Важное условие успеха реакции — чистота этилена (требуется 99% этилена, свободного от ацетилена). Повышение давления увеличивает относительную молекулярную массу полиэтилена и ускоряет полимеризацию. Повышение температуры ускоряет процесс и приводит к уменьшению относительной молекулярной массы. Катализаторами являются кислород воздуха и органические перекиси, механизм реакции радикальный.

Выдающееся значение для получения полиэтилена низкого давления имело открытие немецким ученым К. Циглером в 1952 г. способности этилена полимеризоваться под влиянием комплексных металлоорганических катализаторов при нормальном или не значительном давлении.

Катализаторами могут явиться метал-лоорганические комплексы диэтилалюминийхлорида и хлорида титана (IV). По этому методу этилен вводится во взвесь катализатора в инертных растворителях (алифатические или ароматические углеводороды, дизельное масло) при давлении до 106 Па итемпературе от —70 до +15°С.

Образуется полиэтилен с относительной молекулярной массой от 10 000 до 3000 000.

Предложены и другие способы полимеризации этилена. Так, например, в присутствии хромового катализатора при повышенном давлении образуется полиэтилен с относительной молекулярной массой 5000 — 30 000. Процесс осуществляется так, что этилен, растворенный в углеводородах, пропускают при 150—180°С сквозь катализатор.

Полиэтилен представляет собой твердый с перламутровым отливом материал, почти прозрачный в тонких пленках. Для технических целей наиболее пригоден полимер с относительной молекулярной массой 50 000—60 000. Полиэтилен высокого давления имеет аморфное строение, а низкого — обладает высокой степенью кристалличности; его углеродная цепь имеет цепочечное строение.

Он термопластичен (температура размягчения 111— 133°С), негигроскопичен (за 30—50 суток поглощает 0,05% воды), прекрасный диэлектрик, химически стоек к агрессивным средам (заметное действие оказывает концентрированная азотная кислота), при обычной температуре не растворяется ни в одном из органических растворителей, однако набухает в маслах (минеральных и органических).

Полимеры

Высокомолекулярными соединениями (BMC), или полимерами (от греч. Poly — много, meros — часть), называются такие вещества, которые содержат в своей структуре много элементарных звеньев (структурных единиц) исходных мономеров (от греч. Monos — один) .

Молекула полимера называется макромолекулой (от греч. Macros -большой), а ее основной цепь — макроцепи.

Например, поливинилацетат представляет собой полимерную соединение, макромолекула которого состоит из элементарных звеньев винилацетата, соединенных между собой ковалентными связями.

Классификация высокомолекулярных соединений

Существует несколько подходов к класификации полимеров.

1. В зависимости от природы атомов, составляющих основную цепь, полимеры делятся на карбоцепные и гетероцепные. Карбоцепные полимеры имеют основную цепь только из атомов углерода, а гетероцепные — макроцепи из атомов углерода и некоторых гетероатомов ($O$, $N$, $Si$, $S$ и т.д.).
2. В зависимости от природы мономера, что образует макро цепь, BMC делятся на гомополимеры и кополимеры (сополимеры). Если макроцепи полимера построены из звеньев мономера одной природы, его называют гомополимером, а если из звеньев двух и более мономеров различной природы — кополимером (полимером, полученным общей полимеризацией различных мономеров).
3. В зависимости от химического состава макромолекул полимеры условно разделяют на органические, элементоорганические и неорганические. Органические полимеры содержат в основной цепи атомы углерода и гетероатомов (органогены), преимущественно $O$, $S$, $N$. Элементоорганические полимеры бывают гомоцепными и цепными. Для первой группы полимеров основная цепь состоит из углеродных атомов, а неорганогены расположены в боковых ответвлениях. Для гетероцепных полимеров основная цепь состоит из органогенов ($B$, $Si$, $As$, метал и т.д.), в котором возможно присутствие атомов углерода.
4. В зависимости от строения макромолекул BMC разделяют на линейные, разветвленные и трехмерные, или сетчатые. Линейные полимеры имеют достаточно большой макроцепи, который несравненно больше, чем боковые разветвления (природный и синтетический каучук, амилоза, полиэтилен низкого давления, поливинилхлорид, целлюлоза, синтетические волокна типа нейлона и лавсана и т.д.). Разветвленные полимеры содержат у основной цепи разветвления, длина которых может быть сравнима с длиной основной макромолекулы (амилопектин, привитые сополимеры). Трехмерные полимеры представляют собой фактически одну супермак-ромолекулу, основные макроцепи которой сшиты (соединены) между собой в основном крепкими ковалентными связями с помощью соответствующих звеньев различной длины (фенолоформальдегидные, глифталевые, эпоксидные, иолисилоксанови т.д. смолы, резина).
5. В зависимости от структуры сополимеры делятся на статистические, альтерпатные (переменные), блок-сополимеры и привитые. Статистические, или простые, сополимеры характеризуются нерегулированым строением макроцепи, в котором элементарные звенья мономеров А и В или их диады -А-А- и -В-В- (иногда триады -ААА-, -ВВВ-) расположены статистически.

4.2.4. Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки

Практически все высокомолекулярные вещества являются полимерами.

Полимеры — это вещества, молекулы которых состоят из огромного числа повторяющихся структурных звеньев, соединенных между собой химическими связями.

Полимеры могут быть получены с помощью реакций, которые можно разделить на два основных типа: это реакции полимеризации и реакции поликонденсации.

Реакции полимеризации

Реакции полимеризации — это реакции образования полимера путем объединения огромного числа молекул низкомолекулярного вещества (мономера).

Количество молекул мономера (n), объединяющихся в одну молекулу полимера, называют степенью полимеризации.

В реакцию полимеризации могут вступать соединения с кратными связями в молекулах. Если молекулы мономера одинаковы, то процесс называют гомополимеризацией, а если различны — сополимеризацией.

Примерами реакций гомополимеризации, в частности, является реакция образования полиэтилена из этилена:

Примером реакции сополимеризации является синтез бутадиен-стирольного каучука из бутадиена-1,3 и стирола:

Полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и исходные мономеры

Реакции поликонденсации

Реакции поликонденсации — это реакции образования полимеров из мономеров, в ходе которых, помимо полимера, побочно образуется также низкомолекулярное вещество (чаще всего вода).

В реакции поликонденсации вступают соединения, в состав молекул которых входят какие-либо функциональные группы. При этом реакции поликонденсации по тому, один используется мономер или больше, аналогично реакциям полимеризации делятся на реакции гомополиконденсации и сополиконденсации.

К реакциям гомополиконденсации относятся:

• * образование (в природе) молекул полисахарида (крахмала, целлюлозы) из молекул глюкозы:

• * реакция образования капрона из ε-аминокапроновой кислоты:

К реакциям сополиконденсации относятся:

• * реакция образования фенолформальдегидной смолы:

• * реакция образования лавсана (полиэфирного волокна):

Пластмассы

Пластмассы — материалы на основе полимеров, которые способны под действием нагревания и давления формоваться и сохранять заданную форму после охлаждения.

Помимо высокомолекулярного вещества в состав пластмасс входят также и другие вещества, однако основным компонентом все же является полимер. Благодаря своим свойствам он связывает все компоненты в единую целую массу, в связи с чем его называют связующим.

Пластмассы в зависимости от их отношения к нагреванию делят на термопластичные полимеры (термопласты) и реактопласты.

Реактопласты — пластмассы, молекулы которых при нагревании «сшиваются» в единую трехмерную сетчатую структуру, после чего изменить их форму уже нельзя.

Так, например, термопластами являются пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида (ПВХ) и т.д.

Реактопластами, в частности, являются пластмассы на основе фенолформальдегидных смол.

Каучуки

Каучуки — высокоэлластичные полимеры, углеродный скелет которых можно представить следующим образом:

Как мы видим, в молекулах каучуков имеются двойные C=C связи, т.е. каучуки являются непредельными соединениями.

Каучуки получают полимеризацией сопряженных диенов, т.е. соединений, у которых две двойные C=C связи, разделены друг от друга одной одинарной С-С связью.

Так например, особо зарекомендовавшими себя мономерами для получения каучуков являются:

1) бутадиен:

2) изопрен:

3) хлоропрен:

В общем виде (с демонстрацией только углеродного скелета) полимеризация таких соединений с образованием каучуков может быть выражена схемой:

Таким образом, исходя из представленной схемы, уравнение полимеризации изопрена будет выглядеть следующим образом:

Однако каучук, не смотря на свои преимущества, имеет и ряд недостатков.

Так, например, из-за того что каучук состоит из длинных, химически не связанных между собой молекул, его свойства делают его пригодным для использования только в узком интервале температур.

На жаре каучук становится липким, даже немного текучим и неприятно пахнет, а при низких температурах подвержен затвердеванию и растрескиванию.

Технические характеристики каучука могут быть существенно улучшены его вулканизацией.

Вулканизацией каучука называют процесс его нагревания с серой, в результате которого отдельные, изначально не связанные друг с другом, молекулы каучука «сшиваются» друг с другом цепочками из атомов серы (полисульфидными «мостиками»). Схему превращения каучуков в резину на примере синтетического бутадиенового каучука можно продемонстрировать следующим образом:

Волокна

Волокнами называют материалы на основе полимеров линейного строения, пригодные для изготовления нитей, жгутов, текстильных материалов.

Классификация волокон по их происхождению

Искусственные волокна (вискозу, ацетатное волокно) получают химической обработкой уже существующих природных волокон (хлопка и льна).

Синтетические волокна получаются преимущественно реакциями поликонденсации (лавсан, капрон, нейлон).

Полимеризация – виды, применение

Исходя от фазисного условия круга, в котором происходит реакция, отличают несколько типов процедуры:

• жидкофазная полимеризация под действием металлического натрия в жидкой среде мономера являлась первым промышленным способом получения некоторых полимеров.
• газофазная – мономер содержится в газовой фазе, а изделие в процессе создает твердую дисперсную или жидкую фазу.

Основные достоинства метода:

• нет нужды в растворителях, это значительно облегчает заключительную отделку изделий;
• большие составляющие можно применить для вывода в продукты, без участия грануляции;
• нет необходимости в смывке, очищении, сушке продукта, в обновлении разбавителя, что значительно снижает затраты энергии. Этим способом получают полиэтилен большой плотности, сополимер этилена с высшими олефинами, по качествам, схожим с полиэтиленом маленькой плотности, полипропиленом.

Газофазную привитую сополимеризацию применяют для преобразования волокон и пленок, поверхности которых заблаговременно облучают УФ-светом или большой энергией, окисляют, это делается для образования активных центров процесса.

Эмульсионная. Главные достоинства процесса – то, что он происходит гораздо быстрее и по постоянной схеме.

Также процедура поддается контролю, потому как теплота процесса выделяется постоянно, и приобретаемый полимер носит высокий молекулярный вес.

В зависимости от условий, в которых проходит реакция, различают высокотемпературную и низкотемпературную эмульсионную. Низкотемпературные эластомеры дают наиболее подходящие физико-механические показатели.

Растворная полимеризация сопровождается продуктивным теплообменом. В результате произведенный полимер более однороден и имеет оптимальную совокупность качеств. Использование органических растворов допускает применение в процедуре полимеризации разного рода эффективных каталитических систем, благодаря которым:

• возможен направленный синтез эластомеров,
• возможны высокомолекулярные связи с указанной системой и качествами.

Какие бывают реакции

В реакцию могут входить союзы с кратными связями в молекулах. Если молекулы мономера идентичны, то процесс именуют гомополимеризацией, а если различны — сополимеризацией.

Реакции, используемые в промышленности, бывают двух видов: ступенчатые и цепные.

1. Ступенчатая полимеризация наблюдается, когда формирование молекул происходит одновременно с движением атомов водорода и возникающие интервальные изделия отличаются большой продолжительностью жизни.
2.  Цепная – когда изначально возникает активация любой одной молекулы, приводящей к полимеризации значительного количества иных молекул, с которыми она встречается. В таком случае интервальные продукты нестабильны.

Цепная реакция – один из главных способов разработки синтетических смол. В промышленности реакцию полимеризации используют для получения полиолефинов, полистирола, полиакрилатов, каучуков.

Применение

Полимеризация – это реакциия получения полимера посредством объединения большого числа молекул низкомолекулярной субстанции (мономера).

Применение углеводородов в органическом синтезе: реакция полимеризации

Сфера использования предельных углеводородов:

• метан в основе природного газа активно используется в бытовой жизни и в промышленности;
• пропан и бутан используются в форме «разжиженного газа», в частности, в областях, не имеющих природного газа;
• жидкие углеводы используются как топливо для двигателей внутреннего сгорания в автомобилях, самолетах;
• метан, как доступный углеводород, в основном применяется в виде химического сырья;
• реакция горения и разложения метана применяется в производстве сажи, которая предназначена для сырья на типографские чернила и резиновых продуктов из каучука;
• большая степень сгорания углеводородов объясняет применение их в виде топлива;
• метан – главный ресурс при добыче водорода для связи аммиака и цепи органических веществ.

Самый известный метод получения водорода из метана – их союз с водяным паром.

Также полимеризация может проходить у веществ хлорпроизводного метана.

Применение непредельных углеводородов:

• за счет большой химической активности углеводороды ряда этилена становятся важным материалом для синтеза множества органических веществ;
• этилен активно применяется для получения органических веществ;
• этилен применяется для получения этилового спирта, полиэтилена. Он благотворно влияет на развитие плодов (овощей, цитрусовых и др.) при распылении маленького количества в теплицы. Этилен и его гомологи применяются в качестве химического сырья для синтеза органических веществ;
• при реакциии этилена с хлором получается 1,2-дихлорэтан.

Применение ацетилена:

• используется в качестве горючего при газовой сварке и резке металлов;
• применяется для союза разных органических соединений;
• при синтезе хлора к ацетилену выходит растворитель – 1,1,2,2-тетрахлорэтан. В случае последующей конверсии тетрахлорэтана выводятся иные хлорпроизводные.

  При отделении хлороводорода от 1,1,2,2-тетрахлорэтана выводится трихлорэтен – растворитель хорошего свойства, активно применяемый при очистке одежды:

• чаще ацетилен идет на выработку хлорэтена, или винилхлорида, в результате реакции выходит поливинилхлорид (применяется для изоляции проводов, пошива кожаных изделий, труб и др. продуктов);
• из ацетилена производятся и другие полимеры, нужные в производстве пластмасс, каучуков и синтетических волокон.

Дихлорэтан применяется для разбавления смол, для чистки тканевых материалов. А также используется в сельском хозяйстве для санации зернохранилищ и в борьбе с окислением винограда.

Каучук в промышленности получают реакцией полимеризации

Изопреновый каучук – стереорегулярен, получают его в результате полимеризации изопрена, оказавшегося в среде инертного растворителя с комплексным катализатором.

Реакции изопрена в растворе необходимо быть цельной, это происходит благодаря зарядам из четырёх-шести полимеризаторов, которые охлаждаются рассолом.

Когда возникает необходимость вывести высокомолекулярный изопреновый материал, требуется (очень высокой степени)чистота реагентов, которые учувствуют в процессе.

Достоинства некоторых синтетических материалов делают его лучше натурального по многим параметрам, кроме эластичности. Значит, чем больше эластичность вещества, тем надежнее изделие.

По этой причине натуральный каучук пока до сих пор актуален, и применяется при изготовлении резины для колес скоростных и большегрузных самолётов и автомобилей.

Изопреновый каучук – мономер натурального, потому как часть его молекулы входит в различные естественные синтезы: изопреноиды, терпеноиды и тому подобные. Разводится в органических растворителях. Может быть разбавлен в любых пропорциях с этиловым спиртом.

Но не растворяется в воде. В промышленности он незаменим, потому что с его участием происходит синтез каучуков, медицинских препаратов и даже некоторых душистых веществ.

В нашей стране производство синтетического изопренового вещества развито давно и составляет примерно 24% от мирового производства.