background image

PYTANIA; W1, 2/3

1. Masa cząsteczkowa, masa molowa, a.j.m., L

A

. Definicje i współzależności.

2. Omówić rozmiary makrocząsteczek i związek rozmiarów z właściwościami fizycznymi.

3. Topologia makrocząsteczek. Kształt i właściwości.

4. Średnie masy cząsteczkowe (molowe). Mn, Mw. Definicje, przykłady metod oznaczania.

5. Izomeria strukturalna makrocząsteczek. Źródła, przyczyny.

6. Makrocząsteczki taktyczne. Przykłady ustalania mikrostruktury (stopnia taktyczności)

7. Czynność optyczna makrocząsteczek

background image

Wykład 3 i 4:

Mikrostruktura (cd), 

polikondensacja i poliaddycja

31 października, 2003

(cd  pknd i pad w wykładzie 5)

background image

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

Polikondensacja (pknd): poliaddycja (pad)

1.

Metody otrzymywania oraz ważniejsze polimery otrzymywane metodami pknd i pad

2.

Mechanizmy reakcji

3.

Procesy „aktywowane” i regulowanie sekwencji

4.

Kinetyka i termodynamika polikondensacji

background image

Metody polimeryzacji i polikondensacji:

polimeryzacja

NH C O

(CH

2

)

5

(        )

n

n  H

2

N(CH

2

)

5

COH

O

polikondensacja

-nH

2

O

NH(CH

2

)

5

C

O

[                      ]n

...

...

n CH

2

CH

2

2 Na +  n ClCH

2

CH

2

Cl

polimeryzacja

polikondensacja

(CH

2

CH

2

)

n

...

...

-2nNaCl

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

Polireakcje:

Terminologia (IUPAC) <załącznik do wykładu: terminologia procesów polimeryzacji>

Polimeryzacja 

polimeryzacja 
łańcuchowa

polikondensacja

poliaddycja

background image

Ważniejsze polimery otrzymywane metodami pknd i pad

poliestry

poliamidy

poliimidy

silikony

poli(oksyfenylen), polianilina

ż. fenolowo-formaldehydowa 

(również mocznik lub melamina)

ż. epoksydowe

poliuretany

C

O

NH

Si(R)

2

O

HN C

O

NHCH

2

(and                                )

NH C

O

NCH

2

CH

2

C

O

N R NH C

O

O R'

O

NH

C

O

O

N

C

C

O

O

OCH

2

CH CH

2

O

...

OH

CH

2

OH

CH

2

CH

2

OH

lub

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Substraty

Produkt

uretan

mocznik

eter 
(żywica epoksydowa)

sylilen

 +  HO

CH CH

2

O

  

SiH  +  HC C Si

CH CH

2

OH

O

N
H

C O
O

N

H

C N

O H

Si CH CH Si

N C O      +  HO

N C O      +  H

2

N

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Klasyfikacja wg mechanizmów reakcji chemicznych (1)

Podstawienie 

przy 

karbonylowym 

atomie węgla

Podstawienie 
przy 
tetraedrycznym 
atomie węgla

Mechanizm

Grupy funkcyjne 

Produkt uboczny

Jednostka 

powtarzalna (mer)

H

2

O

H

2

O

C COH   +   HOC

O

C COH   +   H

2

NC

O

C

NH

O

NH

2

 +  H

2

NC

NH

3

NaCl

C Cl    +    NaSn

poliester

poliamid

polimocznik

C C O C

O

C C NH C

O

NH C NH C

O

CH

2

S

n

CH

2

polisiarczek

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Klasyfikacja wg mechanizmów reakcji chemicznych (2)

Podstawienie w 
pierścieniu 
aromatycznym

Podstawienie 
przy atomie 
krzemu

H

2

O

H

2

O

HCl

SiOH  +  HOSi

OH

H

OH

+ HOCH

2

H +  Cl S

O

O

Mechanizm

Grupy funkcyjne 

Produkt uboczny

Jednostka 

powtarzalna (mer)

CH

2

OH

OH

"nowolak"

polisulfon

S

O

O

Si O Si

polisiloksan

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Biomakrocząsteczki (biopolimery) kondensacyjne

polipeptydy           
(poli(

-aminokwasy))

polisacharydy

kwasy nukleinowe 
(deoksy-)

kwasy teichoinowe
(tejchojowe) 
(poli(fosforany glicerolu))

NH C

O

CR

2

...

...

O

O

CH

2

OH

OH

OH

...

...

...

...

CH

CH

2

OAc

CH

2

O P O

O

O

O

O

P

B

O

O O

...

...

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Krótki przegląd polimerów kondensacyjnych: (1)

1. A. Poliestry alifatyczne (nasycone): 

niskie T

m(t)

, plastyfikatory

(nienasycone (BM), żywice PEs): 

polimery utwardzalne (np. laminaty)

1. B. Poliestry: aromatyczne :

tereftalany (GE, GTM, GB), 

(oligomery cykliczne ~1.5%):

poliwęglany (Bisfenol A) 

(tworzywa, włókna)

2.A. Poliamidy alifatyczne :

6; 66, 12, (tworzywa, włókna)

2.B. Poliamidy aromatyczne:

p-NH-C

6

H

4

NHCOC

6

H

4

CO- <Kevlar>

m- j.w. <Nomex>

3.

Poliimidy, polibenzimidazol (zob. „cyklizacja”)

C

O

NH

CR

C

O

HO

...

...

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Krótki przegląd polimerów kondensacyjnych: (2)

4. Żywice epoksydowe: 

Bisfenol A + epichlorohydryna. 

Oligomery (Mn ~ 500 - 5000) +

laminaty, powłoki (lakiery), żywice lane, kleje 
(bezwodniki, aminy)

...

O

O

CH

2

CH

OCH

2

OH

CH

2

CH

CH

2

O

H

2

NRNH

2

HOOCRCOOH

OH  +  CH

2

CH

CH

2

Cl

O

...

...

O

CH

2

CH

CH

2

Cl

O

HO

O

...

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

5. Żywice fenolowe-, mocznikowe-, melaminowe (+ formaldehyd)

Krótki przegląd polimerów kondensacyjnych: (3)

e.g.:

CH

2

OH

OH

nowolak

lub

OH

CH

2

OH

...

żywice rezolowe

H

2

N C NH

2

 + CH

2

O                  H

2

N

O

C NHCH

2

OH     etc

O

b. reaktywna (np. CH

2

O

            rozgałęzione        usieciowane)

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

Ważniejsze polimery przemysłowe otrzymywane metodą polikondensacji:

- poli(tereftalan etylenu): 

również „nowsze” politereftalany: glikolu propylenowego- 1,3

glikolu butylenowego- 1,4

→ tworzywa sztuczne

x= 2 ; T

t

~ 260

o

C

→ folie

x= 3 ; T

t

~ 220

o

C

→ włókna

x= 4 ; T

t

~ 240

o

C

(C

C

O

O

CH

2

CH

2

O)

n

O

(PET)

x

" HOC

COH  +  HOCH

2

CH

2

OH "

O

O

(różne warianty- transesteryfikacja)

background image

Poliamidy (PA):

(polipeptydy są również poliamidami) 

<omówione zostaną oddzielnie>

metody syntezy:

- pknd kwasów 

α- amino-ω-karboksylowych: H

2

N-(CH

2

)

x

-COOH <oraz aromatycznych>

- pknd diamin i kwasów dikarboksylowych: H

2

N-(CH

2

)

x

-NH

2

+ HOOC-(CH

2

)

y

-COOH <j.w.>

- pknd na granicy rozdziału faz: ClOC(CH

2

)

y

COCl + diamina <stosowane do poliaramidów>

w skali przemysłowej:

PA6, PA12 (polimeryzacja), PA66, PA610 (pierwsza cyfra: liczba atomów węgla w cząsteczce

diaminy, druga: ditto w kwasie dikarboksylowym)

C

O

NH

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

Ogólne metody otrzymywania poliestrów:

-

polikondensacja hydrokwasów:

HO~~~~COOH <H

2

O>

-

polikondensacja dioli z kwasami dikarboksylowymi:

HO~~~~COOH + HOOC~~~~COOH  <H

2

O>

(b. ważne: ścisłe zachowanie stechiometrii)

-

polikondensacja przez wymianę estrową/transesteryfikację

RCOO~~~~COOR’ <RCOOR’>

(lub:

HOCH

2

CH

2

OOC

COOCH

2

CH

2

OH    <HOCH

2

CH

2

OH>

CH

3

OOC

COOCH

3

 + HOCH

2

CH

2

OH    <CH

3

OH>

- chlorki kwasowe

background image

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

Liniowe alifatyczne poliestry:

- poliestry kwasu adypinowego

→ reguła parzystości 

(odziaływanie dipol-dipol w kryształach)

→ wiązania wodorowe w PA
→ zastosowania: plastyfikatory, składniki elastyczne w PU <kopolimery blokowe>

HOOC(CH

2

)

4

COOH; HO(CH

2

)

n

OH

 

:  n   (2) 47; (3) 46; (4) 58; (5) 37; (6) 55  

     

background image

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

PET (PTE)

dalsza transesteryfikacja:

-

początkowo ~170

o

(tw GE 197

o

)

-

do 200-220

o

(w procesie katalitycznym 200

koniec procesu ~ 280

o

; 1-2 mm/Hg/2 godz

reakcje uboczne

a) 2 HOCH

2

CH

2

OH 

→ HOCH

2

CH

2

OCH

2

CH

2

OH + H

2

O

obecność wiązań eterowych obniża Tt oraz zwiększa podatność na utlenienie

b) cyklizacja

c) depolimeryzacja 

CH

3

O OC

COO CH

3

  +  HO CH

2

CH

2

OH

HOCH

2

CH

2

OO C

COO CH

2

CH

2

OH

DM T

(2.5 : 1)

(oraz oligomer)

~

C OO CH

2

C H

2

O OC

~

H OOC

~

C O OC H

C H

2

  +

~

background image

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

Poliwęglany- poliestry kwasu węglowego

-

alifatyczne (głównie :polimeryzacja cyklicznych węglanów)

-

aromatyczne:

HO

C

CH

3

CH

3

OH  (bisfenol A)

(również tetrachloro-
oraz tetrabromo-)

(tetrametylo- 4,4’-dihydroksy-difenylo-2,2-propan)

HO

C

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

OH  

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

(tetrametylo-bisfenol A)

background image

Reakcje uboczne w pknd

- wymiana segmentalna:

...-ABABAB-...  +   ...-ABABAB-...  

...-ABBABAB-... + ...-BABAABAB-...

(będą omówione w rozdziale 
„polimeryzacja cyklicznych estrów”)

(również cyklizacja)

- degradacja termiczna wywołana rozerwaniem łańcuchów

- utlenianie i rozerwanie łańcuchów

- dehydratacja dioli

np.   ...

CH

2

CH

2

OCH

2

CH

2

O

...

 ...

CH

2

CHOCH

2

CH

2

O

OOH

 ...

CH

2

C

O

OH

...

+    HOCH

2

CH

2

O

...

O

2

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

Reakcje uboczne w polikondensacji estrowej:

-

cyklizacja:

- dehydratacja: (np.)

HO(CH

2

)

3

COOH

O

CH

2

CH

2

CH

2

C

O   +    H

2

O

HO

CH

2

CH

2

COOH                   CH

2

CH

COOH   +   H

2

O

HOCH

2

CH

2

CH

2

OH                   CH

2

CH

CH

2

OH   +   H

2

O

background image

Reakcje uboczne (niepożądane) w pknd (2)

- reakcje katalizatora, np..:

maleje liczba miejsc dostępnych dla kwasu karboksylowego; 

→ maleje szybkość pknd

- reakcje reaktywnych grup końcowych z fragmentami łańcucha:

- reakcje grup końcowych

... -COOH 

→ ... -H + CO

2

; ... -COCl + H

2

→ ... -COOH + HCl;

... -NCO + H

2

→ ... -NH

2

+ CO

2

δ −

δ +

Zr

O

C

O

ROH

ROH

Zr

OR

RO

OR

Zr

O

RO

OR

RO

ROH

ROH

H

2

O

- 2 ROH

Zr

OR

RO

OR

RO

ROH

ROH

n H

2

O

- 2 n ROH

OH

...

+   CH

2

CH

O

...

OCH

2

CH

OH

...

...

CH

2

CH

O

...

;

*

*

*

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Funkcjonalność w pknd i pad

polikndn

- homofunkcjonalne 

- heterofunkcjonalne

- homo-

- hetero-

X    Y

X    X     (e.g.                         )

Si

HO

OH

CH

3

CH

3

(HOCH

2

CH

2

O C

C OCH

2

CH

2

OH)

O

O

HOCH

2

CH

2

OH

<                               >

f = 2: liniowe makrocząsteczki

N

i

: łączna liczba cząsteczek)

(f =

f

i

N

i

N

i

;

f > 2 : rozgałęzione  (np.  AB

2

:    HO

COOH

COOH

HO

COOH

COO

COOH

COOH

)

X    X + Y    Y : stechiometria!

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Przegląd mechanizmów poliestryfikacji. 1.1. Kataliza kwasowa 

(wg  C.K. Ingolda)                           (A

AC

)

A

AC

1: w środowisku jonizującym; 

A

AC

2: addycja - eliminacja (najczęściej)

S

N

A

AC

1

A

AC

2

C

R

OR'

O

H

C

R

OH

O

C

R

OH

OH

C

R

OR'

OH

slow

R'OH

C

R

OR'

OH

HO

H

H

C

R

OH

O

C

R

OH

2

O

slow

H

2

O

H

C

R

O

C

R

OR'

O

R'OH

C

R

OR'

OH

H

H

2

O

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Przegląd mechanizmów poliestryfikacji. 1.2. Kataliza kwasowa 

(wg  C.K. Ingolda)                           (A

AC

)

Alkohole- znacznie silniejszymi zasadami

R'OH

R'OH

2

C

R

OR'

OH

C

R

OR'

O

slow

H

2

O

H

RCOOH

R'

R'OH

R'OH

2

C

R

OR'

OH

C

R

OR'

O

(slow)

H

2

O

H

RCOOH

C

R

OR'

O H

H

H

S

N

2

S

N

1

A

AL

1

A

AL

2

Rozerwanie 
wiązania R OH

2

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

 +  R'OH

C

R

O

O

C

R

OR'

O

S

N

1

C

R

OH    +    R'O

O

slow

OH

B

AC

1

 +  R'OH

C

R

O

O

C

R

OR'

O

C

R

OH    +    R'O

O

B

AC

1

C

R

O

OH

OR'

OH

C  + R'O

R

O

Przegląd mechanizmów poliestryfikacji. 2.1. Kataliza zasadowa

(B

AC

)

slow

2.2: j.w. B

AL 

(mniej często)

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Przegląd mechanizmów poliestryfikacji. Wymiana ligandów

(e.g. Sn

IV

, Ti 

IV

)

M

OR

R'OH

O

C R''

O

RO

RO

HO M(OR)

3

R'OH

R'' COH

O

M(OR)

n

  +  x R'OH

M(OR)

(n-x)

 (OR')

x

  +  x ROH

M(OR)

n

  +  y R"CO

2

H

M(OR)

(n-y)

 (O

2

CR")

y

M(OR)

(n-y)

 (O

2

CR")

y

  +  y ROH

M(OR)

(n-y-1)

 (O

2

CR")

(y-1)

  +  

R"CO

2

R

ester

+ H

2

O

M

OR

ROH

O

C R''

O

RO

RO

+ R"CO

2

R ;

+ ROH

lub:

M

OR

OH

RO

RO

M

OR

OR

RO

RO

M

OR

OH

RO

RO

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Pknd aktywowana (JMSci, A 37 (6) 635 (2000))

N, N-dicykloheksylokarbodiimid (DCC) w syntezie 

alifatycznych poliestrów w pokojowej temp.

N C N R

R

N

R

C

H

N

O

R

O

R'

R'COOH

R'COOH

NH

R

C

O

NH R +

C

+        R'

O C R'

O

O

DMAP
R'COOH

N

N

H

3

C

H

3

C

C R'

O

R'COOR''
DMAP H

R''OH

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Polikondensacja aktywowana -pknd w niskich temperaturach

np.: 1, 1’-karbonylodiimidazol (CDI) 

N

N C

O

N

N

(jeden z możliwych mechanizmów; w innym: RCO )

("aktywowany acyl")

AA + R'OH

RCO

2

R' +

N

HN

N

HN

+ CO

2

  + 

N

N C

O

N

N

+  RCO

2

H

N

N C R

O

AA

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

“Kontrola“ sekwencji w jednostopniowej pknd 

(M.Ueda, Progr. Polymer Sci, 24, 699-730 (1999)) (1)

odpowiedź: najpierw (X(aabb)

n

Y ;  następnie ZccZ ;

<reaktywność w drugim etapie na tyle duża, że nie zakłóca 
istniejących sekwencji>

n XaaX + n YbbY                X(aabb)

n

Y + (n-1)XY ; XaaX +YbbY + ZccZ

aabbcc

(                )

?

np.:  n H

2

N

N C

H O

C N
O H

NH

2

 + 

HCl

C

O

C

O

Cl

 n Cl

X

n

HN

N C

H O

C N

O H

NH C

O

C

O

X

(                                                                                                         )

N

X

NH

2

C

C

 +   O

O

O

~

~

C

Cl

O

;

;

cd. analiza 

rozkładu

sekwencji   

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

“Kontrola” sekwencji w jednostopniowej pknd (2).

Dwa niesymetryczne monomery:      XabX + YcdY

dwie kolejne (“consecutive”) 
jednostki powtarzalne mają 
być skierowane w tym
samym kierunku:               
...-ad-... + ...-bc-...

ab - cd

ba - cd

ab - dc

ba - dc

niezbędne różnice

w reaktywnościach

(blokowanie -

odblokowanie w 

wielostopniowej)

orientacja diad :

-aX + Yc

-aX + Yd

-bX + Yc

-bX + Yd

k

ac

k

ad

k

bc

k

bd

-ac-   ;    r

1

= k

ad

/k

ac 

; 0<r

1

<1

-bd-   ;

-bc-   ;    r

3

= k

bd

/k

ac 

;0<r

3

<1

-ad-   ;    r

2

= k

bc

/k

ac

 ;0<r

2

<1

-ac-

-ad-

-bc-

-bd-

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka i termodynamika polikondensacji (pknd)

Ogólna charakterystyka procesów polimeryzacji:

1. Polimeryzacja łańcuchowa

2. Polikondensacja 

3. Poliaddycja

* W polimeryzacji łańcuchowej jedynie cząsteczki monomeru przyłączają się do aktywnego 
centrum w rosnącej makrocząsteczce;

* W pkdn i pad łączą się ze sobą cząsteczki monomeru i oligomery o dowolnej wielkości

*   +   M

*

*    +  *

*

*

*

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

1. Polimeryzacja łańcuchowa z wolnym 
inicjowaniem i R

in

= R

t

(większość plmn 

rodnikowych)

2. Polimeryzacja łańcuchowa z szybkim 
inicjowaniem bez zakończenia i bez 
przenoszenia (R

t

= R

tr

= 0)

3. Pknd lub pad: XAY lub XAX + YBY

Liczbowo średni stopień polimeryzacji
jako funkcja stopnia przereagowania

300

200

100

0.25

0.5

0.75

1.0

0

1

2

3

α

P

n

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka i termodynamika pknd i pad

Zależność udziałów wagowych Wn „monomeru” 
(n= 1) i oligomerów o różnych stopniach 
polimeryzacji P

n

(n= 2, 3, 4) od stopnia konwersji p

M

1

: XAY         (P

1

)

P

2

:  XAAY

P

3

:  XAAAY

P

n

:  X(A)

n

Y

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka i termodynamika pknd i pad

- średnia długość łańcucha makrocząsteczek (P

n

) zwiększa się tak długo, aż szybkość 

reakcji powrotnej (depropagacji- np. hydrolizy, jeśli XY= H

2

O) nie zrówna się z 

szybkością reakcji wprost (propagacji, np. estryfikacji))

stała równowagi  

→ K = k

p

/k

a

- zwiększanie P

n

możliwe również przez usuwanie ( 

↑ ) ubocznego produktu reakcji

* Polikondensacja „nierównowagowa”: (np.) ... -COCl + HO- ... (kontrola kinetyczna - nie 

są zrealizowane wszystkie procesy, które mogłyby wystąpić w równowadze)

n XAY                     XA

n

Y + (n-1) XY (   )

k

p

k

d

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka- szybkość polikondensacji

Polikondensacja polega na bardzo wielu elementarnych reakcjach dwucząsteczkowych 
pomiędzy dowolnymi składnikami mieszaniny reakcyjnej: układ odwracalnych reakcji 
następczych i równoległych.

Należałoby rozwiązać równania różniczkowe opisujące reakcje każdego składnika.

Szybkość odnosi się do zaniku wspólnego elementu:

grup końcowych- (X i Y; np. n XAY 

→ XA

n

Y + (n-1) XY)

(szybkość) 

Założenie:    JEDNAKOWA REAKTYWNOŚĆ GRUP FUNKCYJNYCH

XA

n

Y + XA

m

Y

XA

n+m

Y  +  2XY

reaktywność X i Y jest taka sama dla X i Y w A

n

, A

m

oraz A

n+m

Dowód: zgodność równań kinetycznych wyprowadzonych przy tym założeniu i danych 
doświadczalnych

R =  -          =  -          ; 

dX

dt

dY

dt

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka pknd i pad

rzeczywiście - <zob. dalej> występuje taka zgodność;

przyczyny:

grupy końcowe są końcowymi segmentami łańcucha, ich ruchliwość nie zależy od 

wielkości łańcucha (ruchliwość konformacyjna)

(ew.) zmniejszenie częstotliwości zderzeń w rezultacie wolniejszego ruchu (dyfuzji) „ku 

sobie” jest kompensowane spadkiem szybkości ruchu „od siebie”

<ponadto> szybkość reakcji przy (względnie) dużej ruchliwości mało zależy od szybkości 

dyfuzji (częstotliwość zderzeń ~10

13

- 10

14

, ale tylko 1/10

13 

~ 1/10

14

zderzeń jest efektywna)

{

kontrola dyfuzyjna: wielka reaktywność polimerów lub duża lepkość 

}

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka pknd:

schemat kinetyczny (ogólny):

(zakładamy nieodwracalność: stałe usuwanie XY)

2 XAY                XA

2

Y  +   XY

monomer            dimer

k

p

XA

2

Y  + XAY                XA

3

Y  +   XY

                                         trimer

k

p

XA

2

Y  + XA

3

Y                XA

5

Y  +   XY

                                          pentamer

k

p

XA

n

Y  +  XA

m

Y                XA

n+m

Y  +   XY

n-mer      m-mer                (n+m)-mer

k

p

} R = -          =  -        = k

p

 [X] [Y] = k

p

 [X]

2

 (lub k

p

 [Y]

2

)

dX

dt

dX

dt

k

p

d[X]

[X]

2

-

 

   

=       

dt

[X]

o

[X]

t

o

t

 1         1 
[X]     [X]

o

-         =  k

p

t

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka pknd

k

p

dla reakcji n XAY 

→ XA

n

Y + n XY (seria dwucząsteczkowych reakcji, 

pierwszego rzędu wobec X i Y)

 1         1 
[X]     [X]

o

-         =  k

p

t

 [X]

o

 - [X]

      [X]

o

; [X] = [X]

o

 (1-p) ;

ponieważ p = 

 1

      [X]

o

 (1-p)

= k

p

 t  ; 

-     1

      [X]

o

 

1

1-p

- 1 = k

p

 [X]

o

t

1

1-p = P

n

     ; 

P

n

= k

p

 [X]

o

t + 1

1

1-p

(P

n

)

)

t

(P

- 1)

[X]

 t

k

p

 = 

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka pknd i pad

kataliza mocnym kwasem:

~~COOH  +  "H   "                     ~~COOH

2

K

<b. szybko>

~~COOH

2

  +  HO~~                     ~~COO~~  +  H

3

O

wolniej

k

p

(H

3

O                   "H   "   +    H

2

O)

b. szybko

R

p

= - 

d[~COOH]

dt

=  -

d[~OH]

dt

= k'

p

[~COOH

2

] [~OH]  ;

R

p

= k’

p

K [~ĆOOH][H ][~OH] ;  [H =

const]
k

p

= k’

p

[H ]

R

p

= k

p

[~COOH] [~OH] = k

p

[X]

2

([X] = [~COOH] [~OH]) <jak poprzednio>

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka pknd i pad

jeśli nie ma mocnego kwasu jako katalizator- „autoprotonowanie”

~COOH  +  ~COOH                   ~COOH

2

  +   ~COO      <jony>

K'

b. szybko (      )

(lub ~COOH

2

, ~COO   )

K' = - 

[~COOH

2

] [~COO   ]

[~COOH]

2

(lub K'' =                                         )

[~COOH

2

 , ~COO   ]

[~COOH]

2

~COO~   +   H

3

O   <"H   "  +  H

2

O>

niech : ~COOH

2

,  ~COO    +  HO~

k'

p

A

(A  )

R

p

 =  k'

p

 [~COOH

2

,  ~COO   ] [~OH]

[~COOH

2

,  ~COO   ] = K'' [~COOH]

2

k

p

= k’

p

K’’  ;

R

p

= k

p

[~COOH]

2

[~OH]

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Polikondensacje stechiometryczne: stopień polimeryzacji P

jako funkcja konwersji 

(symbole p lub 

α)

*

)

n XABY 

X(AB)

n

Y + (n-1) XY

n XAX  +  n YBY 

X(AB)

n

Y + (2n-1) XY

X nie reaguje z X oraz Y nie reaguje z Y

(są wyjątki; np. -OH)

Typowe przykłady:

X= -COOH; Y= -OH (lub -NH

2

) (pkdn)

X= -NCO;     Y= -OH

(pad)

W warunkach zachowanej stechiometrii:

N

Ao

= N

Bo  

(lub [A]

o

= [B]

o

; [X]

o

= [Y]

o

)

*)

„zawsze” zachowana stechiometria 

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

W pknd stechiometrycznej:

1. (XAY); N

A

= N

x

= N

y

(w każdej cząsteczce po jednej grupie X, Y)

2. (XAX + YBY) ;N = N

A

+ N

B

= N

x

= N

y

(ponieważ w każdej cząsteczce A  2 grupy X a w każdej 

cząsteczce B  są 2 grupy Y;

(stopień przereagowania- z definicji-
”ile przereagowało/ile było”)

N

o

: początkowa liczba cząsteczek (stężenie)

N:  liczba cząsteczek w momencie oceny p

stopień polimeryzacji P

n

(na ogół zapis DP

n

, DP

n

, lub P

n

)

p = 

N

o

 - N

N

o

P

n

 = 

N

o

 

N

=

1

1 - p

równanie Carothersa

aby uzyskać P

n

=100 (np. M

n

= 10

4

)  

 

 

p= 0.99

(tj. "99% wydajności")

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

tyle jest

background image

Kinetyka i termodynamika pknd i pad    (P

jako funkcja stopnia konwersji p  (

α) )

Stopień polimeryzacji (P

n

) w pknd (pad) stechiometrycznej P

n

zależy od stopnia 

przereagowania  p

n XAY 

XA

n

Y + (n-1)XY             (homopkdn) 

(stechiometria „nieunikniona”)

n XAX + n YBY 

X(AB)

n

Y + (2n - 1)XY           (heteropkdn) (stechiometria „wymuszona”) 

<po dwie grupy danego rodzaju>

N

Ao

= N

Bo

; N

Ao

= 2 N

Xo

; N

Bo

= 2N

yo 

; N

x

= N

y

; N= N

Ao

+ N

Bo

= 2(N

X

+ N

y

)

p

 =

N

o

 - N

N

o

<

α>  

p

 =

[M]

o

 - [M]

[M]

o

p

 =

N

o

 - N

N

o

; ponieważ P

n

 =          ;  więc   

N

o

 

N

początkowa liczba ([A]

o

 + [B]

o

)

P

n

 =

1

1 - 

p

P

n

= 100 

 p = 0.99

równananie 

Carothersa

<NYLON>

aby

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka i termodynamika pknd i pad

P

n

w pknd niestechiometrycznej  (zależność P

n

od „odejścia od stechiometrii”)

niech N

Ao

> N

Bo

(N

xo

> N

yo

; więc N

x

> N

y

)  px i py są stopniami przereagowania odpowiednich

(n + 1) XAX  +  n YBY 

X(AB)

n

AX + 2n XY

↑ <2n+2>      2n                2

(można zapisać dowolny nadmiar; 1 jest „niezbędnym ale wystarczającym minimum”

przereagowaniu X towarzyszy przereagowanie Y oraz utworzenie AB (zmniejszenie liczby 

cząsteczek o jedną)

2N

Ao

- N

x

=  2N

Bo

- N

y  

=  (N

Ao

+ N

Bo

) - N

2N

Ao

 - N

x

                 2N

Bo

 - N

y

    2N

Ao

                         2N

Bo

p

x

 =

;  p

y

 = 

tyle pozostało grup 
funkcyjnych danego 
typu

tyle pozostało grup 
funkcyjnych danego typu;  (A 
oraz B mają różne grupy)

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka i termodynamika pknd i pad  (P

n

jako funkcja stopnia niejednorodności : r =N

Bo

/N

Ao

)

stopień polimeryzacji oraz stopień niejednorodności (odstępstwo od stechiometrii)

(N

Ao

+ N

Bo

) - N = 2 N

Ao  

- N

x

= 2 N

Bo

– N

y       

( 2N

Ao

=N

xo    

w każdym A są  dwie grupy reaktywne X)

(*)

ponieważ  2N

Ao

- N

x

= 2 N

Bo  

- N

y      

(liczba grup X i Y, które przereagowały, jest taka sama)

N

o

                  N

Ao

 + N

Bo

N          (N

Ao

 + N

Bo

) -(2N

Ao

 - N

x

)

P

n

 =

=

(*)

niech  r =             (przyjmując, że N

Bo

 < N

Ao

N

Bo

N

Ao

(2N

Ao

 - N

x

)  2 N

Bo

2N

Ao

 (2N

Bo

 - 2N

y

)

p

x

/p

y

 =

N

Bo

N

Ao

=

;

p

x

 = rp

y

 ; P

n

 = ( : N

Ao

) = 

1 + r

1 + r - 2rp

y

Trzeba zawsze 
wyeliminować N, które nie 
jest znane i wyrazić N 
przez  znane wielkości

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka i termodynamika pknd i pad

analiza zależności 

r - stopień odstępstwa od stechiometrii:

jeśli grupy w niedomiarze (B) przereagują całkowicie (p

y

= 1)

P

n

 = 

1 + r

1 + r - 2rp

y

r =           (< 1) ;  p

y

 =  

N

Bo

N

Ao

N

Bo

 - N

B

N

Bo

=

2N

Bo

 - N

y

2N

Bo

P

n

 =                         = 

     1 + r                1 + r
1 + r - 2rp

y

         1 - r

maksymalny P

n

  przy:  (  r =          ) ;  gdy:   r   1   P

n

    

     N

Bo

     N

Ao

( 2N

B

=N

y

)

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

P

n

 = 

1 + r

1 - r

 N

Bo

           

 N

Ao

            

Zależność P

n

 od r =             

w niestechiometrycznej heteropolikondensacji

Sposoby „ucieczki” od niestechiometrii:

1. Ściśle N

Ao

= N

Bo 

np.:

2. Przejście od XAX + YBY do XABY

H

2

N

(CH

2

)

6

H

NH

2

H

O

O

C (CH

2

)

4

C

O

O

(+)

(-)

(+)

(-)

r = 1

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Równowagi i P

n

niech: ~ AX + YB ~ 

~AB ~  +  XY 

[AB]

e

: stężenie (lub liczba N

AB

) jednostek powtarzalnych w stanie równowagi

[XY]

e

: stężenie ubocznego produktu reakcji w stanie równowagi 

[X]

e

i [Y]

e

: stężenie grup reaktywnych w stanie równowagi

jeśli [XY]

o

= 0; [AB]

o

= 0 ; [X]

o

i [Y]

o

, to [XY]

e

= [AB]

e

= p

x,e

[X]

o

= p

y,e

[Y]

o

[X]

o

- [X]

e

= p

x,e

[X]

o

; [X]

e

= [X]

o

(1-p

x,e

) = [Y]

o

(1-p

y,e

)

[AB]

e

 [XY]

e

[X]

e

 [Y]

e

K =                           ;

[X]

o

 - [X]

      [X]

o

(p

x,e

=                     ) 

We wszystkich 
wyprowadzeniach wzorów 
trzeba pamiętać o różnicy 
pomiędzy tym co 
przereagowało i tym co zostało

[XY]

e

  [X]

o

p

xe

=                ;   ponieważ [XY]

e

 = [X]

o

 - [X]

e

 ; 

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Równowagi i P

n

w układzie zamkniętym (współzależność K oraz P

n

)

w polikondensacji 
stechiometrycznej p

x,e

= p

y,e

= p

e

[X]

o

= [Y]

o

p

y,e

2

 [Y]

o

2

(1 - p

y,e

) (1 - p

x,e

) [X]

o

 [Y]

o

więc:  K =

K =                    ;

p

e

2

(1 - p

e

)

2

K

0.5 

 =              ;

p

e

1 - p

e

P

e

 =

K

2

K

0.5

 + 1

1

1 - p

e

ponieważ P

n

=                 (równanie Carothersa)

więc

P

n

= K

0.5 

+ 1

maksymalny P

n

w układzie zamkniętym

np. P

n

= 100 wymaga ~100

2

= K= 10

4

(b. rzadko)

[AB]

e

 [XY]

e

[X]

e

 [Y]

e

ponieważ K =

p

e

2

(1 - p

e

)

2

(P

n

 + 1)

2

;

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Równowagi w układzie otwartym (stechiometryczna heteropolikondensacja) 

liczby obydwu rodzajów grup funkcyjnych są równe sobie i równe liczbie 

cząsteczek w układzie (N

x

= N

y

= N)

wprowadzamy 

q

-ułamek 

molowy (udział) produktu 
ubocznego w stanie 
równowagi względem 
początkowej liczby cząstek

K = 

(N

o

 - N

e

) N

xy,e 

           [AB]

e

 [XY]

e

    N

e

2

                             [X]

e

 [Y]

e

(N = N

o

 - N

e

)

było zostało

N

[AB]

e

(: N

o

2

) {[X]

e

 = (1 - p

x,e

) [X]

o

              N

e

/N

o

 = 1 - p

e

 } oraz  

q

=             ;

N

xy,e

N

o

K =                   ; 

p

e

   q

(1 - p

e

)

2

K = p

e

   q   P

n,e

2

N

o

          N

e

N

o

2          

N

o

2

-

N

xy,e

N

e

2

N

o

2

(P

n

 =             )

1

1 - p

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Równowagi i stopień polimeryzacji P

n,e

(z poprzedniej strony): 

K= p

e

P

n,e

2

jeżeli stopień przereagowania jest wysoki (usuwa się produkt uboczny;    q= N

xy,e

/N

o

P

n,e

= (K/q)

0.5

dla P

n,e

≈ 100, jeśli K = 10, należy uzyskać q < 10

-3

→ jeśli [A]

o

= 10 mol 

L

-1 

; [XY]

e

≈ 10

4

mol 

L

-1

(H

2

O: 1.8 

10

-3

L

-1

)

N

o

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Kinetyka i termodynamika pknd i pad

Regulowanie masy molowej w pknd

1. 

2. XAY: dodać RAX (lub RAY)
N

RAo 

np.    HOACOOH + RCOOH (lub ROH) przy pełnym przreagowaniu XAY:

XAX + YBY            P

n

 =               (r = [B]

o

/[A]

o

)

np. r = 0.9

1.9
0.1

1 + r
1 - r

P

n

 =            ;  

N

Ao

N

RAo

(np. RCOO A COOH)

wszystkie cząsteczki

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Rozkład mas cząsteczkowych (molowych) <Mc, Mm> w pknd/pad 

(wyrazić N

n

= f(N

o

, p, n)

Rozkład (przypomnienie): ułamki molowe (Mn) lub wagowe (Mw) makrocząsteczek o określonych P

n

(1

→ ∞) -

zależność od długości łańcucha. 

Rozkład ma wpływ na właściwości fizyczne i technologiczne. 

Reagują cząsteczki n XAY 

→ XA

n

Y+ (n-1) XY

Prawdopodobieństwo obecności XA

n

Y w zbiorze N MCz jest równe 

∏ n = N

n

/N (N

n

- liczba cząsteczek o  P

n

= n) 

(tj. ułamkowi molowemu <liczbowemu>)

Łączna liczba cząsteczek N zależy od stopnia przereagowania p: p= (N

o

- N)/N

o

; p jest więc również 

prawdopodobieństwem, że grupa X (lub Y) już przereagowała (w czasie t, niezbędnym do osiągnięcia p). 

W cząsteczce n- meru przereagowało (n-1) grup X i jedna grupa X nie przereagowała. 

Prawdopodobieństwo, że (n-1) grup X przereagowało jest równe iloczynowi n-1 prawdopodobieństw p, tj p

(n-1)

Prawdopodobieństwo, że jedna grupa X nie przereagowała: 1-p

A więc prawdopodobieństwo obecności makrocząsteczki o P

n

= n w zbiorze N makrocząsteczek: 

n= (1-p)p

(n-1)

a więc N

n

/N= (1-p) p

(n-1)

; N

n

= N(1-p) p

(n-1)

ponieważ (N

o

- N)/N

o

= p; N= N

o

(1-p)

i ostatecznie: N

n

= N

o

(1-p)

2

p

(n-1)

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Rozkład:

prawdopodobieństwo znalezienia makrocząsteczek
N

n

(o stopniu polimeryzacji n) wśród wszystkich 

makrocząsteczek jest równe prawdopodobieństwu, 
że n cząsteczek przereagowało (dostarczając 
makrocząsteczek N

n

)

N

n

Π

n

= —— ; 

Π

n

= p

n-1

(1-p)

N

Σ M

n

N

n

Σ N

n

(n 

M

1

)

M

n

= ————— = —————— = * (bo M

n

=  n 

M

1

)

N                          N

Σ N  p

n-1

(1-p) (n 

M

1

)

= * ——————————— =

N

M

1          

1

= M

1

(1-p) (1 + 2p + 3p

+ ...) = —— ; P

n

= ——

1-p                 1-p

N

o

- N        

α = ——— ;

N

N

o

P

n

= —— ;  

α = ———— ;

N                    N

o

N

o

N

o

- ——

P

n

N

o        

1                  1

—— =

P

n

= ——

=     ——

N                     1 -

α

1 - p

prawdopodobieństwo p, że 
przereagowało n cząsteczek (t.j. n-1 
grup reaktywnych) jest takie samo 
(równe) jak stopień przereagowania 

α

N

n

—— = p

(n-1)

(1-p) ; N

n

= N 

p

(n-1) 

(1-p) 

;     

N

Konwersja 

(stopień konwersji 

α oznacza 

się również symbolem p)

ponieważ

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA

background image

Rozkład molowy dla różnych 
stopni przereagowania p

Rozkład wagowy dla różnych 
stopni przereagowania

<masa cząsteczek o stopniu 
polimeryzacji n wynosi n 

N

n

M

o

a masa całkowita N

o

M

o

N

n

w

n

=                 = n 

(1 - p)

2

p

(n-1)

No 

w

n

: ułamek masy 

(udział wagowy)

CHEMIA MAKROCZĄSTECZEK 

POLIKONDENSACJA I POLIADDYCJA