简介
1929 年,华莱士.卡罗瑟斯 (Wallace Hume Carothers) 提出,聚合物可依聚合方式的不同,分为加成聚合与缩合聚合两种,并且提及两者产物的不同:加成聚合的产物仅有聚合物分子,而缩合聚合还会产生一些低分子量的分子。
然而 1953 年,保罗.弗洛里 (Paul John Flory) 提出了不同的看法,他进一步以反应机构为依归,将聚合反应分成了逐步增长聚合 (step-growth polymerization) 和链增长聚合反应 (chain-growth polymerization),并且说明逐步增长聚合反应机构中有官能基的参与,而链增长聚合反应则是自由基或离子基团。1
概述
链增长聚合可简称为链聚合,它是一种由不饱和分子单体不断增长活性位的一种聚合方式,这种模式会导致高分子量者的转化率较低,常见的应用可製成聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯。可作为活性中心者除了上述提及之自由基聚合反应的自由基、离子聚合的离子之外,尚有有机金属化合物的配位聚合。1
反应机构
随着聚合反应的进行,单体的环或 键就会持续断裂,并与下一个单体相互连接,而延长聚合物链,称为增长 (propagation) 反应;但在执行增长反应之前,链聚合反应还有特殊的起始 (initiation) 反应,在起始反应中加入引发剂 (initiator),使之形成一活性位,再与单体反应产生具活性位的单体,如此才能连接下个单体进行增长反应。2
在链聚合反应其中一个分支自由基聚合反应中,其引发剂的反应大致可分为下列六种:过氧化物均裂、偶氮化物均裂、氧化还原反应、光解、热分解、电化学,透过这些反应就能产生具有活性位的自由基,自由基再由引发剂分子转移到单体分子储存,以利增长反应连续加成自由基。3至于离子链聚合的引发剂,则包含布洛酸、路易斯酸、卤素、鎓盐光解、电化学、离子化辐射、亲核试剂、电子转移等。4
除了起始反应、增长反应外,与一般的自由基反应一样,还有终止 (termination) 反应。终止简单来说就是使增长无法继续进行,而使聚合结束,一般可分为结合或歧化 (disproportionation) 两种。2结合反应是指活性中心互相结合而失去了活性位;歧化又称为自身氧化还原反应,活性中心会失去具有活性的氧化态,以致于无法继续连接单体。
链聚合反应还有一个独特的副反应—链转移反应 (chain transfer reaction),指活性位转移到另一个分子上,使得聚合终止,也可能使支链增加。常见的链转移反应有活性中心和转移试剂、单体、引发剂、溶剂反应,大部分都是和氢离子的转移有关。2
以下举自由基的链聚合反应来说明反应机构:
实验小技巧
一般的聚合反应及某些化学反应,喜欢置于氮气下操作,原因除了反应不易与氮气进行、氮气占空气比例最高之外,也与占空气比例第二高的氧气有关。氧分子为顺磁性化合物,每个氧原子上有一个未成对电子,因此可算是双自由基,易与其他自由基反应,故会和正在增长反应中的链自由基或具活性位的单体反应,使得聚合终止。所以氧分子在聚合反应中可作为一抑制剂 (Inhibitor)。
观念釐清
虽然加成聚合大部分的反应机构都是链聚合,但是并非所有的情况都成立,例如:重氮甲烷 (diazomethane) 经由催化聚合而成聚乙烯的反应,其反应机构就是链聚合,但却生成副产物,以卡罗瑟斯的分法来看,此反应不是加成聚合而是缩合聚合。2
参考文献