5.2. Катионная полимеризация
5.2.1. Элементарные реакции. Кинетика
Катионная полимеризация является цепной полимеризацией, при которой активным центром на конце растущей цепи является катион. К мономерам катионной полимеризации относятся соединения, содержащие ненасыщенные связи С=С, С=О и гетероциклы. Среди виниловых мономеров к катионной полимеризации склонны те, которые имеют электронодонорные заместители, стабилизирующие карбкатион. К ним относятся простые виниловые эфиры CH 2 =CH-O-R, изобутилен (СНз) 2 С=СН 2 , стирол, его производные и некоторые другие мономеры.
Инициаторами катионной полимеризации являются соединения, способные генерировать реакционноспособные катионы. Она может также возбуждаться ионизирующим излучением и фотохимически. В целом, можно выделить четыре основных способа инициирования катионной полимеризации:
1. Инициирование протонными кислотами. К наиболее употребляемым для инициирования катионной полимеризации относятся CF 3 COOH, HClO 4 , HI и др. Сильные кислоты не могут быть использованы для этой цели из-за чрезмерной нуклеофильности аниона, что приводит к его соединению с карбкатионом и прекращению роста цепи:
По этой причине смеси сильных кислот с алкенами образуют обычно аддукты состава 1:1 или низкомолекулярные смолы (олигомеры).
2. Кислоты Льюиса в сочетании с соединениями, являющимися донорами протона, или другими соединениями, способными генерировать катион, являются наиболее распространенными инициаторами катионной полимеризации. В качестве кислот Льюиса часто используются BF 3 , FeCl 3 , SnCl 4 , TiCl 4 , AlCl 3 , AIR n Cl m POCl 3 и др., доноров протона - Н 2 О, ROH, RCOOH, доноров карбкатиона - (СН 3) 3 ССl, (C 6 H 5) 3 CCl. Протоны и карбкатионы, способные к электрофильной атаке мономера, возникают в результате образования комплекса между компонентами инициирующей системы:
где К - константа равновесия, величина которой влияет на скорость катионной полимеризации. В качестве соинициаторов к кислотам Льюиса могут быть использованы также I 2 , Br 2 , F 2 . В связи с развитием методов псевдоживой катионной полимеризации в последнее время получили особое распространение инициирующие системы, содержащие I 2 в сочетании с ZnI 2 или HI. В последнем случае I 2 ведет себя так же, как и кислота Льюиса.
3. Инициирование ионизирующим излучением. При облучении винил-алкиловых эфиров, особенно склонных к катионной полимеризации, ионизирующим излучением на первом этапе образуются катион-радикалы:
которые димеризуются с образованием дикатионов, способных инициировать полимеризацию:
В случае изобутилена, имеющего подвижный атом водорода, возможна реакция катион-радикала с мономером:
В результате образуются две активные частицы - катион и радикал. Изобутилен не способен к радикальной полимеризации, поэтому в данной ситуации возможна лишь катионная полимеризация.
4. Фотоинициирование катионной полимеризации. Данный способ инициирования возможен лишь в присутствии соединений, распадающихся под действием ультрафиолета на реакционноспособные катионы и достаточно стабильные анионы. К ним, в частности, относятся соли диарилиодония Ar 2 I + (PF 6 -) и триарилсульфония Ar 3 S + (SbF 6 -), которые претерпевают разрыв связей Аг-I или Ar-S при УФ-облучении, например:
В результате образуется комплекс H + (SbF 6) - , способный инициировать катионную полимеризацию. Фотоинициируемая катионная полимеризация применяется в ряде высоких технологий, например, в прецизионной фотолитографии.
Реакция инициирования катионной полимеризации виниловых мономеров заключается в электрофильной атаке двойной связи мономера протоном или карбкатионом. В результате они образуют σ-связь за счет электронов π-связи мономера, при этом на последнем регенерируется положительный заряд:
Ниже приведена реакция инициирования катионной полимеризации изобутилена комплексом BF 3 ·H2O. Соинициатор протонодонорного типа обычно берется в существенно меньшем количестве по сравнению с кислотой Льюиса:
Реакция роста цепи с точки зрения механизма подобна реакции инициирования:
Индукционный эффект, создаваемый двумя метильными группами, стабилизирует образующийся карбкатион. В случае недостаточной устойчиво-сти карбкатиона, например, при полимеризации пропилена, «нормальный» рост цепи может сопровождаться «изомеризационной полимеризацией», протекающей посредством переноса гидрид-иона:
В результате этой внутримолекулярной реакции олигомер пропилена, полученный катионной полимеризацией, содержит в качестве заместителей основной цепи не только метальные, но также этильные и другие углеводородные радикалы. В целом для катионной полимеризации характерны наиболее высокие значения константы скорости роста по сравнению с другими видами цепной полимеризации. Некоторые из них приведены в табл. 5.9.
Реакции передачи цепи. Две реакции определяют молекулярную массу полимера - бимолекулярная реакция передачи цепи на мономер и спонтанная мономолекулярная на противоионы. В обоих случаях отрывается протон от предконцевого атома углерода макрокатиона:
При полимеризации алкенов реакция передачи цепи на мономер может осуществляться по альтернативному механизму путем переноса гидрид-иона от мономера к активному центру:
Таблица 5.9 Константы скорости роста в катионной полимеризации
|
Инициатор |
Растворитель |
·10 -4 , л/(моль·с) |
||
|
Изобутилен |
ионизирующее излучение | |||
|
n-Метоксистирол |
(C 6 H 5) 3 C + SbCl - 6 | |||
|
N-Винилкарбазол |
(C 6 H 5) 3 C + SbF - 6 | |||
|
Изопропилвиниловый эфир |
(C 6 H 5)C + SbCl - 6 ионизирующее излучение | |||
* = 4,1·10 4 л/(моль·с).
** = 5,0·10 4 л/(моль·с).
Движущей силой этой реакции в приведенном примере является образование аллильного катиона. Однако это не приводит к таким катастрофическим последствиям, к каким приводит образование аллильного радикала вследствие деградационного переноса цепи при радикальной полимеризации.
Реакция обрыва кинетической цепи. Приведенные выше реакции не вызывают обрыва кинетической цепи, поскольку сопровождаются регенерацией активных центров или инициатора. Гибель активных центров или обрыв кинетической цепи в катионной полимеризации происходит в результате присоединения противоиона или его фрагмента к карбкатиону. Ниже приведены примеры обеих реакций:
В качестве передатчиков или обрывателей кинетической цепи в катионной полимеризации могут выступать вещества примесного характера или специально введенные вещества, способные генерировать анионы при атаке карбкатиона, такие как спирты, кислоты, ангидриды.
Скорость полимеризации. Уравнение скорости катионной полимеризации может быть получено тем же путем, которым было получено уравнение скорости радикальной полимеризации - исходя из принципа стационарного состояния. Отличие состоит в том, что при катионной полимеризации реакция обрыва кинетической цепи является мономолекулярной. Уравнение имеет вид:
где К- константа равновесия реакции комплексообразования инициатора и соинициатора; [I], - концентрации инициатора и соинициатора; k ин, k p , k o - константы скоростей инициирования, роста и обрыва цепи.
Степень полимеризации. Выражение для степени полимеризации при катионной полимеризации получается, исходя из тех же соображений, что и в случае радикальной полимеризации - путем деления скорости роста на сумму скоростей обрыва материальной цепи. При необходимости учета реакций передачи цепи более удобно использовать обратную степень полимеризации, что приводит к выражению, весьма напоминающему основное уравнение кинетики радикальной полимеризации:
Здесь C M = k M /k p , C S = k S /k p - относительные константы передачи цепи на мономер и растворитель; k с - абсолютная константа скорости спонтанной передачи цепи на противоион.
Молекулярно-массовое распределение. Молекулярно-массовое распределение в катионной полимеризации аналогично тому, что имеет место на начальной стадии радикальной полимеризации в присутствии передатчика цепи и (или) при обрыве кинетической цепи в результате реакции диспропорционирования макрорадикалов. Эта аналогия обусловлена тем, что в обоих случаях при обрыве одна кинетическая цепь образует одну макромолекулу. Отсюда следует, что на начальной стадии катионной полимеризации / = 2, однако с увеличением конверсии индекс полидисперсности существенно возрастает.
| " |
Синтетические полимеры (произведенные искусственным путем) химическая промышленность получает при помощи реакций полимеризации и поликонденсации .
В основе реакции полимеризации лежит процесс соединения (при помощи ковалентных связей) друг с другом мономеров (молекул низкомолекулярного соединения), которые и формируют высокомолекулярное соединение (синтетический полимер).
В ходе процесса полимеризации происходит раскрытие двойных связей в молекулах непредельных углеводородов, которые затем соединяются друг с другом в одну макромолекулу гигантских размеров. При разрыве двойной связи высвобождается атом с высокой реакционной активностью, называемый радикалом , у которого имеется непарный электрон. После этого, радикал соединяется с другим радикалом (при этом оба они получают парные электроны), давая тем самым старт образованию полимерной цепи.
Полиэтилен
Рассмотреть процесс полимеризации удобнее всего на примере полиэтилена , являющегося самым простым синтетическим полимером.
На первом этапе выполняется реакция дегидрирования , когда при высокой температуре в присутствии металлического катализатора этан превращается в этилен (от молекулы этана отщепляется два атома водорода, в результате чего формируется двойная связь):
CH 3 -CH 3 (г)→CH 2 =CH 2 (г)+H 2 (г)
Образовавшийся этилен является мономером, который в дальнейшем будет использован для построения полимера (полиэтилена). Для этого этилен в присутствии катализатора подвергается высокому нагреву без доступа воздуха, что приводит к разрыву двойной углеродной связи, с образованием двух радикалов (на рисунке изображены красным цветом):
Образовашиеся радикалы тут же начинают "поиск" еще одного электрона, чтобы восстановить разорвавшуюся связь, что приводит к соединению двух радикалов друг с другом с образованием ковалентной связи. Данный процесс идет с обеих концов молекулы, что приводит к росту цепи (молекулярная масса молекулы полиэтилена достигает 10 000 - 1 000 000 г/моль):
Виды полиэтилена, которые можно получить путем реакции полимеризации:
- ПЭВД (полиэтилен высокого давления ) или ПЭНП (полиэтилен низкой плотности ), молекулярная масса 10 000 - 45 000. Состоит из сложной сети разветвленных полимерных нитей, поэтому, не упакован так плотно, как линейный полимер, являясь мягким и гибким. Основная область применения: упаковочный материал, обладающий высокой химической стойкостью.
- ПЭНД (полиэтилен низкого давления ) или ПЭВП (полиэтилен высокой плотности ), молекулярная масса 70 000 - 400 000. Состоит из линейных цепей, которые очень тесно упакованы, поэтому, обладает более высокой твердостью и прочностью. Основная область применения: изготовление детских игрушек, различных технических изделий, шлангов, труб и проч.
- ПЭПС (полиэтилен с поперечными связями ). Состоит из линейных нитей, состоящих из мономеров, которые соединены друг с другом, что придает материалу высокую прочность. Открывая пластиковую бутылку Кока-Колы, будьте уверены, что крышечка, которой закрыта бутылка, сделана из ПЭПС.
Полипропилен
В структурной формуле пропилена один атом водорода замещен метиловой группой. Поскольку молекула пропилена имеет двойную связь, она также может участвовать в реакциях полимеризации (по аналогии с этиленом), образуя полипропилен.
Коэффициент n указывает число мономерных звеньев, из которых образована макромолекула. Говорят, что n выражает степень полимеризации .
В полипропилене CH 3 является функциональной группой . Меняя условия полимеризации, можно создавать молекулы с функциональными группами, которые будут располагаться по-разному(с одной стороны молекулы; по обе ее стороны; в случайном порядке), получая, таким образом, молекулы пропилена с различными свойствами. Свойства полипропилена настолько сильно зависят от расположения в его молекуле метиловой группы, что из данного полимера получаются самые разные изделия, используемые для внутренней и внешней отделки помещений, изготовления корпусов для аккумуляторных батарей, бутылок, канатов и проч.
Поливинилхлорид
В структурной формуле винилхлорида один из атомов водорода заменен атомом хлора. Из винилхлорида путем реакции полимеризации получают поливинилхлорид (ПВХ):
ПВХ является очень прочным полимером, нашедшим широкое применение при изготовлении линолеума, игрушек, садовых шлангов, различных труб.
Полистирол
В молекуле стирола один атом водорода заменен бензольным кольцом. Из стирола при помощи реакции полимеризации получают полистирол (бесцветную твердую пластмассу с хорошими диэлектрическими свойствами):
Основное применение полистирола: изготовление посуды, пуговиц, упаковочных и электроизоляционных материалов. Полистирол трудно поддается рециркуляции, поэтому, "зеленые" активно выступают против его применения.
В молекуле тетрафторэтилена вместо атомов водорода присутствуют атомы фтора. При помощи реакции полимеризации из тетрафторэтилена получают политетрафторэтилен (тефлон или фторопласт):
Политетрафторэтилен обладает высокой стойкостью к щелочным и кислым средам, высокой жаропрочностью и очень гладкой поверхностью. Основное применение: изготовление подшипников, в качестве антипригарного покрытия сковородок и кастрюль.
Некоторые другие синтетические полимеры, получаемые при помощи полимеризации:
- Акрилонитрил → Полиакрилонитрил: парики, пряжа, ковры.
- Винилацетат → Поливинилацетат: текстильные покрытия, жевательная резинка, краска, латекс, клеющие средства.
- Метилметакрилат → Полиметилметакрилат: органическое стекло, контактные линзы.
Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называют соединения с молекулярной массой более 10000.
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
Мономер | Получаемый из него полимер |
||
Структурная формула | Варианты названия | Структурная формула | Варианты названия |
| этилен, этен | полиэтилен | ||
| пропилен, пропен | полипропилен | ||
| стирол, винилбензол | полистирол, поливинилбензол | ||
| винилхлорид, хлористый винил, хлорэтилен, хлорэтен | поливинилхлорид (ПВХ) | ||
| тетрафторэтилен (перфторэтилен) | тефлон, политетрафторэтилен | ||
| изопрен (2-метилбутадиен-1,3) | изопреновый каучук (натуральный) | ||
| бутадиен-1,3 (дивинил) | бутадиеновый каучук, полибутадиен-1,3 | ||
| хлоропрен(2-хлорбутадиен-1,3) | хлоропреновый каучук | ||
| бутадиен-1,3 (дивинил) стирол (винилбензол) | бутадиенстирольный каучук | ||
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):
Материалы на основе полимеров
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 .
Термопласты — вид пластмасс, способных многократно плавиться при нагревании и застывать при охлаждении, благодаря чему возможно многоразовое изменение их изначальной формы.
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.
1) бутадиен:
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:
Весьма интересным является тот факт, что впервые с каучуком познакомились не самые продвинутые в плане прогресса страны, а племена индейцев, у которых промышленность и научно-технический прогресс отсутствовали как таковые. Естественно, индейцы не получали каучук искусственным путем, а пользовались тем, что давала им природа: в местности, где они проживали (Южная Америка), произрастало дерево гевея, сок которого содержит до 40-50% изопренового каучука. По этой причине изопреновый каучук называют также натуральным, однако он может быть получен и синтетическим путем.
Все остальные виды каучука (хлоропреновый, бутадиеновый) в природе не встречаются, поэтому всех их можно охарактеризовать как синтетические.
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).
Что представляет собой полимеризация пропилена? Каковы особенности протекания данной химической реакции? Попробуем найти развёрнутые ответы на эти вопросы.
Характеристика соединений
Схемы реакций полимеризации этилена и пропилена демонстрируют типичные химические свойства, которыми обладают все представители класса олефинов. Такое необычное название данный класс получил от старого названия масла, используемого в химическом производстве. В 18 веке был получен хлористый этилен, который представлял собой маслянистое жидкое вещество.
Среди особенностей всех представителей класса непредельных алифатических углеводородов отметим наличие в них одной двойной связи.
Радикальная полимеризация пропилена объясняется именно присутствием в структуре вещества двойной связи.
Общая формула
У всех представителей гомологического ряда имеет вид С п Н 2п. Недостаточное количество водородов в структуре объясняет особенность химических свойств этих углеводородов.
Уравнение реакции полимеризации пропилена является прямым подтверждением возможности разрыва по такой связи при использовании повышенной температуры и катализатора.
Непредельный радикал называется аллилом или пропенилом-2. Зачем проводится полимеризация пропилена? Продукт этого взаимодействия применяется для синтеза который, в свою очередь, востребован в современной химической промышленности.
Физические свойства
Уравнение полимеризации пропилена подтверждает не только химические, но и физические свойства данного вещества. Пропилен является газообразным веществом с невысокими температурами кипения и плавления. Данный представитель класса алкенов имеет незначительную растворимость воде.
Химические свойства
Уравнения реакции полимеризации пропилена и изобутилена показывают, что процессы протекают по двойной связи. В качестве мономеров выступают алкены, а конечными продуктами такого взаимодействия будут полипропилен и полиизобутилен. Именно углерод-углеродная связь при подобном взаимодействии будет разрушаться, и в конечном итоге будет образовываться соответствующие структуры.
По двойной связи происходит образование новых простых связей. Как протекает полимеризация пропилена? Механизм данного процесса аналогичен процессу, протекающему у всех остальных представителей данного класса непредельных углеводородов.
Реакция полимеризации пропилена предполагает несколько вариантов протекания. В первом случае процесс осуществляется в газовой фазе. По второму варианту реакция идет в жидкой фазе.
Кроме того, полимеризация пропилена протекает и по некоторым устаревшим процессам, предполагающим применение в качестве реакционной среды насыщенного жидкого углеводорода.
Современная технология
Полимеризация пропилена в массе по технологии Spheripol представляет собой совмещение суспензионного реактора для изготовления гомополимеров. Процесс предполагает применение газофазного реактора с псевдожидкостным слоем для создания блок-сополимеров. В подобном случае реакция полимеризации пропилена предполагает добавление в устройство дополнительных совместимых катализаторов, а также проведение предварительной полимеризации.
Особенности процесса
Технология предполагает перемешивание компонентов в специальном устройстве, предназначенном для предварительного превращения. Далее эту смесь добавляют в петлевые полимеризационные реакторы, туда поступает и водород, и отработанный пропилен.
Работа реакторов осуществляется при диапазоне температур от 65 до 80 градусов по Цельсию. Давление в системе не превышает 40 бар. Реакторы, которые располагаются последовательно, применяются на заводах, рассчитанных на большие объемы изготовления полимерной продукции.
Из второго реактора удаляют полимерный раствор. Полимеризация пропилена предполагает перенос раствора в дегазатор повышенного давления. Здесь осуществляется удаление порошкового гомополимера от жидкого мономера.
Производство блоксополимеров
Уравнение полимеризации пропилена CH2 = CH - CH3 в данной ситуации имеет стандартный механизм протекания, есть отличия только в условиях осуществления процесса. Вместе с пропиленом и этеном порошок из дегазатора идет в газофазный реактор, работающий при температуре около 70 градусов по Цельсия и давлении не больше 15 бар.
Блок сополимеры после выведения из реактора поступают в специальную систему отведения от мономера порошкообразного полимера.
Полимеризация пропилена и бутадиенов ударопрочного вида допускает использование второго газофазного реактора. Он позволяет увеличивать уровень пропилена в полимере. Кроме того, возможно добавление в готовый продукт добавок, использование гранулирования, способствует повышению качества получаемого продукта.
Специфика полимеризации алкенов
Между изготовлением полиэтилена и полипропилена есть некоторые отличия. Уравнение полимеризации пропилена позволяет понять, что предполагается применение иного температурного режима. Кроме того, некоторые различия существуют и в конечной стадии технологической цепочки, а также в областях использования конечных продуктов.
Пероксид используют для смол, которые обладают отличными реологическими свойствами. У них повышенный уровень текучести расплавов, сходные физические свойства с теми материалами, которые имеют низкий показатель текучести.
Смолы, имеющие отличные применяют в процессе литьевого формования, а также в случае изготовления волокон.
Для повышения прозрачности и прочности полимерных материалов производители стараются добавлять в реакционную смесь специальные кристаллизирующие добавки. Часть полипропиленовых прозрачных материалов замещают постепенно иными материалами в области выдувного формования и создания литья.
Особенности полимеризации
Полимеризация пропилена в присутствии активированного угля протекает быстрее. В настоящее время применяется каталитический комплекс углерода с переходным металлом, основанный на адсорбционной способности углерода. В результате полимеризации получается продукт, имеющий отличные эксплуатационные характеристики.
В качестве основных параметров процесса полимеризации выступает а также молекулярный вес и стереоизомерный состав полимера. Значение имеет и физическая и химическая природа катализатора, полимеризационная среда, степень чистоты составных частей реакционной системы.
Линейный полимер получается и в гомогенной, и в гетерогенной фазе, если идет речь об этилене. Причина заключается в отсутствии у данного вещества пространственных изомеров. Чтобы получить изотактический полипропилен, стараются использовать твердые хлориды титана, а также алюминийорганические соединения.
При применении комплекса, адсорбированного на кристаллическом хлориде титана (3), можно получать продукт с заданными характеристиками. Регулярность решетки носителя не является достаточным фактором для приобретения катализатором высокой стереоспецифичности. Например, в случае выбора иодида титана (3) наблюдается получение большего количества атактического полимера.
Рассмотренные каталитические компоненты имеют льюисовский характер, поэтому связаны с подбором среды. Самой выгодной средой является применение инертных углеводородов. Так как хлорид титана (5) является активным адсорбентом, в основном выбирают алифатические углеводороды. Как протекает полимеризация пропилена? Формула продукта имеет вид (-СН 2 -СН 2 -СН 2 -)п. Сам алгоритм реакции аналогичен протеканию реакции у остальных представителей данного гомологического ряда.
Химическое взаимодействие
Проанализируем основные варианты взаимодействия для пропилена. Учитывая, что в его структуре есть двойная связь, основные реакции протекают именно с ее разрушением.
Галогенирование протекает при обычной температуре. По месту разрыва сложной связи происходит беспрепятственное присоединение галогена. В результате данного взаимодействия образуется дигалогенпроизводное соединение. Труднее всего происходит йодирование. Бромирование и хлорирование протекает без дополнительных условий и энергетических затрат. Фторирование пропилена протекает со взрывом.
Реакция гидрирования предполагает использование дополнительного ускорителя. В качестве катализатора выступает платина, никель. В результате химического взаимодействия пропилена с водородом, образуется пропан - представитель класса предельных углеводородов.
Гидратация (присоединение воды) осуществляется по правилу В. В. Марковникова. Суть его состоит в присоединении по двойной связи атома водорода к тому углероду пропилена, который имеет его максимальное количество. При этом галоген будет прикрепляться к тому С, который имеет минимальное число водорода.
Для пропилена характерно горение в кислороде воздуха. В результате этого взаимодействия будет получаться два основных продукта: углекислого газа, водяного пара.
При действии на данное химическое вещество сильных окислителей, например, перманганата калия, наблюдается его обесцвечивание. Среди продуктов химической реакции будет двухатомный спирт (гликоль).
Получение пропилена
Все способы можно разделить на две основные группы: лабораторные, промышленные. В лабораторных условиях можно получить пропилен при отщеплении галогеноводорода от исходного галогеналкила при воздействии на них спиртового раствора гидроксида натрия.
Пропилен образуется при каталитическом гидрировании пропина. В лабораторных условиях данное вещество можно получить при дегидратации пропанола-1. В данной химической реакции применяют в качестве катализаторов фосфорную либо серную кислоту, оксид алюминия.
Как получают пропилен в больших объемах? В связи с тем, что в природе данное химическое вещество встречается редко, были разработаны промышленные варианты его получения. Самым распространенным является выделение алкена из продуктов нефтепереработки.
Например, осуществляется крекинг сырой нефти в специальном кипящем слое. Пропилен получают путем пиролиза бензиново фракции. В настоящее время выделяют алкен и из попутного газа, газообразны продуктов коксования угля.
Есть разнообразные варианты пиролиза пропилена:
- в трубчатых печах;
- в реакторе с применением кварцевого теплоносителя;
- процесс Лавровского;
- автотермический пиролиз по методу Бартломе.
Среди отработанных промышленных технологий необходимо отметить и каталитическое дегидрирование насыщенных углеводородов.
Применение
Пропилен имеет различные области применения, поэтому и производится в больших масштабах в промышленности. Своим появлением данный непредельный углеводород обязан работам Натты. В середине двадцатого века он, пользуясь каталитической системой Циглера, разработал технологию полимеризации.
Натта сумел получить стереорегулярный продукт, который был им назван изотактическим, поскольку в структуре метильные группы были расположены с одной стороны цепочки. Благодаря такому варианту «упаковки» полимерных молекул, получаемое полимерное вещество имеет отличные механические характеристики. Полипропилен используется для изготовления синтетического волокна, востребован в качестве пластической массы.
Примерно десять процентов нефтяного пропилена потребляется для производства его оксида. До середины прошлого века данное органическое вещество получали хлоргидринным методом. Реакция протекала через образование промежуточного продукта пропиленхлоргидрина. У такой технологии есть определенные недостатки, которые связаны с использованием дорогостоящего хлора и гашеной извести.
В наше время на смену этой технологии пришел халкон-процесс. Он основывается на химическом взаимодействии пропена с гидропероксидами. Применяют в синтезе пропиленглиголя, идущий на изготовление пенополиуретанов. Они считаются отличными амортизирующими материалами, поэтому идут на создание упаковок, ковриков, мебели, теплоизоляционных материалов, сорбирующих жидкостей и фильтрующих материалов.
Кроме того, среди основных сфер применения пропилена необходимо упомянуть синтез ацетона и изопропилового спирта. являясь отличным растворителем, считается ценным химическим продуктом. В начале двадцатого века этот органический продукт получали сернокислотным методом.
Кроме того, отработана технология прямой с введением в реакционную смесь кислых катализаторов. Около половины всего производимого пропанола уходит на синтез ацетона. Данная реакция предполагает отщепление водорода, проводится при 380 градусах по Цельсия. Катализаторами в этом процессе выступают цинк и медь.
Среди важных отраслей применения пропилена особое место занимает гидроформилирование. Пропен идет на производство альдегидов. Оксисинтез в нашей стране стали использовать с середины прошлого века. В настоящее время эта реакция занимает важное место в нефтехимии. Химическое взаимодействие пропилена с синтез-газом (смесью угарного газа и водорода) при температуре 180 градусов, катализаторе оксиде кобальта и давлении в 250 атмосфер наблюдается образование двух альдегидов. Один имеет нормальное строение, у второго - изогнутая углеродная цепочка.
Сразу после открытия данного технологического процесса, именно эта реакция стала объектом исследований для многих ученых. Они искали способы смягчения условий ее протекания, старались снизить процентное содержание в получаемой смеси альдегида разветвленного строения.
Для этого были придуманы экономичные процессы, предполагающие применение иных катализаторов. Удалось снизить температуру, давление, увеличить выход альдегида линейного строения.
Эфиры акриловой кислоты, которые также связаны с полимеризацией пропилена, применяют в качестве сополимеров. Около 15 процентов нефтехимического пропена применяют в качестве исходного вещества для создания акрионитрила. Этот органический компонент необходим для изготовления ценного химического волокна - нитрона, создания пластических масс, производства каучуков.
Заключение
Полипропилен считают в настоящее время крупнейшим производством нефтехимии. Спрос на этот качественный и недорогой полимер растет, поэтому он постепенно вытесняет полиэтилен. Он незаменим при создании жесткой упаковки, пластин, пленок, автомобильных деталей, синтетической бумаги, канатов, ковровых деталей, а также для создания разнообразного бытового оборудования. В начале двадцать первого века производство полипропилена занимало второе место в полимерной промышленности. Учитывая запросы различных отраслей промышленности, можно сделать вывод: в ближайшее время сохранится тенденция масштабного производства пропилена и этилена.
Характерной особенностью многих непредельных соединений является их способность вступать в реакцию полимеризации и образовывать полимеры. Полимеризацией непредельных соединений называют химическую реакцию образования полимера (высокомолекулярного соединения) за счет объединения между собой большого количества молекул непредельных соединений (мономеров) ковалентными связями, которые возникают вследствие разрыва кратных связей (p-связей) в молекулах мономера. При полимеризации не выделяются побочные низкомолекулярные продукты. Полимеризация, например, однозамещенных производных этилена может быть изображено общей схемой:
n H 2 C=CH ® (-H 2 C-CH-) n , где
мономер полимер
n – степень полимеризации, которая может иметь значения до нескольких сотен тысяч единиц; при значении n=2,3,4…..10 соединения называют олигомерами (от греч. “олигос” – немного);
R – заместители (атомы водорода, хлора или группы CH 3 -, -CºN, C 6 H 5 -, H 2 C=CH-, -COOAlk и т.д.).
В химии полимеров широко используют также совместную полимеризацию нескольких разных мономеров, которую называют сополимеризацией.
Полимеры, полученные методом полимеризации, называют преимущественно по названию мономеров, которым добавляют приставку поли-, что означает “много”. Например, полимер, синтезированный из этилена, называют полиэтиленом, полимер пропилена – полипропиленом и т.д.
n CH 2 =CH 2 ---® (-CH 2 -CH 2 -) n
этилен полиэтилен
n CH 3 -CH=CH 2 ---® (-CH-CH 2 -) n
пропилен полипропилен
По характеру прохождения реакции полимеризации она может быть двух типов – ступенчатая и цепная (линейная). Инициаторами полимеризации могут быть тепловая энергия, давление, облучение и специальные химические реагенты.
Полимеризация может быть проведена по ионному (катионная и анионная) и радикальному механизмам.
Ступенчатая полимеризация
Этот тип полимеризации был открыт в 1873г. А.М.Бутлеровым на примере изобутилена при нагревании его с 20 %-ным раствором H 2 SO 4 .
(Н 3 С) 2 С=СН 2 + Н + -® (Н 3 С) 3 С + + (Н 3 С) 2 С=СН 2 -® (Н 3 С) 3 С-СН 2 - + С(СН 3) 2 -®
Н 3 С-С=СН-С(СН 3) 3 (82%)
+ ·· СН 3 + Н 2
-® Н ··СН 2 -С-СН-С(СН 3) 3 ----® --------®
Н 2 С=С-СН 2 -С(СН 3) 3 (18%)
----® CH 3 -C-CH 2 -CH-CH 3
2,4,6-триметилпентан (изооктан)
Ступенчатая полимеризация изобутилена является типичным примером катионной полимеризации. Инициатором полимеризации в этом случае является протон кислоты, который присоединяется к мономеру изобутилена и образует при этом карбкатион.
В определенных условиях полимеризацию можно остановить на необходимой стадии путем обрыва реакционной цепи. При гидрировании димеров изобутилена образуется 2,4,6-триметилпентан (изооктан) – высооктановое моторное топливо.
Цепная полимеризация
Наиболее распространенным типом полимеризации является цепная, или линейная, которая характеризуется тем, что макромолекула образуется в процессе одной непрерывной реакции вследствие соединения мономеров s-связями за счет разрыва p-связей.
В механизме цепной полимеризации различают три стадии: 1) инициирование и начало роста цепи; 2) рост цепи; 3) обрыв цепи полимеризации.
Полимеризация – экзотермическая реакция. На каждое звено мономера, который присоединился, выделяется »42кДж.
