Исследование реакционной способности мономеров

Исследование реакционной способности мономеров. Впервые вопрос о причинах различной способности к полимеризации разных по строению непредельных соединений был поставлен А. М. Бутлеровым.

Затем его решению были посвящены систематические исследования и других русских ученых.

Изучая в начале 30-х годов полимеризацию диенов, приводящую к каучуку, С. В. Лебедев писал, что область синтетического каучука это область нестойких органических молекул. Превращение дивинила и его гомологов в каучукоподобные полимеры естественный для этих веществ переход от малостойкой молекулы мономера к более стойкой молекуле высокого частичного веса. С. В. Лебедев установил также, что различные производные этилена полимеризуются с различной скоростью и дают разные по качеству полимеры.

Установить закономерности, связывающие химическое строение веществ с их способностью к полимеризации, оказалось возможным прежде всего на основе всестороннего учета стерических факторов и особенностей электронного строения мономеров, а также путем изучения кинетики полимеризацион-ных процессов. Значительные достижения в этой области принадлежат В. В. Коршаку. Обобщив огромный экспериментальный материал, относящийся к полимеризации ненасыщенных соединений олефинов и диенов, В. В. Коршак пришел к весьма интересным и важным результатам. Он установил, что реакционная способность мономеров в известных пределах увеличивается с увеличением полярности.

Однако прямая пропорциональность здесь соблюдается далеко не всегда. Например, у С2Н52С СН2 дипольный момент равен 0,50, а реакционная способность этого соединения значительно ниже, чем у изобутилена. Этот и другие факты побудили В. В. Коршака искать иные причины, определяющие способность соединения к полимеризации. Оказалось, что эти причины объясняются пространственными препятствиями.

Большие заместители экранируют реакционные центры молекул мономера, причем степень влияния заместителей на полимеризацию прямо пропорциональна их объему и числу. Гипотеза В. В. Коршака дает возможность объяснить различное отношение одних и тех же мономеров к ионной и радикальной полимеризации. Так, например, замещенные этилены, у которых экранирующий эффект заместителей недостаточно велик, сравнительно активны при ионной полимеризации и не полимеризуются по радикальному механизму.

Объясняется это тем, что силы взаимодействия между ионами в ионном процессе уменьшаются с увеличением расстояния в значительно меньшей степени, чем силы взаимодействия между радикалом и молекулой олефина в радикальной реакции. Поэтому при ионной полимеризации пространственные затруднения, вызываемые заместителями, сказываются меньше, чем при радикальной. Зависимость способности органических веществ к полимеризации от химического строения весьма плодотворно исследовалась также X. С. Багдасарьяном, А. Д. Абкиным и другими сотрудниками Физико-химического института им. Л. Я. Карпова.

В конце 40-х начале 50-х годов X. С. Багдасарьян в ряде своих работ показал, что реакционная способность мономеров прямо пропорциональна эффекту сопряжения л, -л- и -о-связей в их молекулах и обратно пропорциональна эффекту сопряжения холостого электрона со всеми другими электронами в радикале. Таким образом, активность молекул мономеров и активность радикалов, полученных на основе этих мономеров, находятся не в симбатных, а в антибатных отношениях чем активнее молекула мономера, тем менее активным оказывается получаемый на ее основе радикал.

В начале 60-х годов, благодаря исследованиям В. А. Каргина и В. А. Кабанова в области полимеризации, возникло новое направление, основанное на возможности изменения реакционной способности мономеров путем их кристаллизации или связывания в комплексы с другими веществами. Классические приемы увеличения равновесных концентраций целевых продуктов состояли, как известно, в изменении температуры и давления.

В. А. Каргин и В. А. Кабанов предложили принципиально иной подход к решению вопроса об увеличении выхода полимера и степени полимеризации. Сущность этого подхода связана со своеобразным каталитическим влиянием комплексообразователей, в частности реакционной среды. Схема превращения мономера М в полимер никак не отражает взаимодействия молекул М и Мп со средой.

Если это взаимодействие сильное, то введение в термодинамические и кинетические уравнения коэффициентов активностей, как это обычно делают в случае сравнительно слабых взаимодействий, утрачивает смысл. Тогда схему I целесообразно заменить другой где X частица или совокупность частиц комплексообразователя, взаимодействующих с молекулой мономера и со звеньями макромолекулы. Взаимодействие между молекулами М, звеньями М и частицами Х способно кардинально влиять на механизм реакции. В отличие от чистого мономера его комплексу в ряде случаев разрешено полимеризоваться с образованием соответствующего комплекса полимера.

Развиваемое В. А. Кар-гиным и В. А. Кабановым направление в области полимеризации открывает большие перспективы для моделирования синтеза полимерных цепей в живых клетках. Представим себе, что частицы Х в схеме II химически связаны в длинные цепи, т. е. образуют макромолекулы. Тогда молекулы мономера выстраиваются вдоль заранее синтезированных полимерных матриц Мономер можно выбирать так, чтобы реакционноспособными оказались только молекулы М, которые будут образовывать связи со звеньями X. Тогда на каждой цепи Хn вырастает новая цепь Мп Авторам удалось найти реальные системы винил-пиридин поликислоты, в которых самопроизвольно при комнатной температуре протекают реакции подобного типа. Макромолекулы поликислот выполняют функции полимерных каталитических шаблонов. 3.РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПОЛИМЕРИЗАЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ Наряду с выяснением вопросов кинетики и механизма отдельных реакций полимеризации проводились также исследования и более общего характера они охватывали результаты изучения многих реакций полимеризации и представляли уже обобщения, определенные теоретические концепции.

Наиболее удачными из них первоначально оказались те, которые примыкали к цепной теории, может быть потому, что этой теории особенно повезло.

Ведь ученые принимали самое активное участие в создании основ цепной теории и уже в 20-х годах фактически стали лидерами в этой области.

Идеи о приложении теории цепных реакций к явлениям полимеризации впервые были выдвинуты в 30-х годах одновременно несколькими исследователями. Н. Н. Семенов осветил этот вопрос в своей книге, вышедшей в 1934 г. Затем, наряду с отдельными работами, к систематическим исследованиям в этой области приступили С. С. Медведев и сотрудники. С.С.Медведев и его сотрудники прежде всего экспериментально подтвердили представления о развитии полимеризационных цепей через свободные радикалы, а затем детально изучили начальный акт полимеризации инициирование.

В дальнейшем изучение реакции инициирования тесно переплелось с исследованиями реакционной активности радикалов и мономеровН.Н.Семенов, X. С. Багдасарьян, А.Д.Аб-кин. В изучении процессов инициирования радикальной полимеризации, кроме С. С. Медведева и его сотрудников, принимали участие еще многие советские химики. Наиболее систематические исследования в этом направлении проводили Б. А. Долгоплоек и сотрудники, открывшие явление окислительно-восстановительного инициирования радикальных процессов.

Полученные ими результаты позволили химикам оперировать широкой гаммой всевозможных инициаторов радикальной полимеризации, дифференцирование применять их в соответствии с их активностью, осуществлять полимеризацию даже в тех случаях, когда она казалась невозможной например, виниловые эфирырадикалы с неспаренным электроном у углерода, и, наконец, посредством только одних инициаторов в известной степени управлять реакцией и получать полимеры с наиболее высоким молекулярным весом.

В решение сложных вопросов, относящихся к следующему элементарному акту-развитию полимеризационных цепей, советские химики внесли свой очень важный вклад. С. С. Медведев и сотрудники показали, что весь процесс полимеризации, инициированной свободными радикалами, протекает при помощи последних растущая цепь полимера является свободным радикалом. Образование полимера происходит за счет взаимодействия свободного радикала с двойной связью мономера Характер роста цепи определяет структуру полимерной молекулы.

Исследования Б. А. Долгоплоска, А. А. Короткова, А. Л. Клебанского и других, главным образом ленинградских химиков, позволили точно определять тип присоединения мономеров к растущей цепи при радикальной, а в равной мере и при ионной полимеризации, что сыграло большую роль в решении задачи воссоздания натурального каучука. С середины 50-х годов появилось новое и, как оказалось, очень важное направление исследований, также связанное с радикальным ростом, или, лучше сказать, с формированием полярной макромолекулы.

В результате детального изучения полимеризационных процессов выяснилось, что наряду с более или менее изученными реакциями имеет место ряд дополнительных, вторичных реакций, в которых принимает участие уже сформировавшаяся цепь полимера. Эти вторичные процессы часто существенно изменяют структуру и свойства полимеров. Начало этому направлению исследований было положено работами С. Е. Бреслера, С. Я. Френкеля и сотрудников, которые установили аномально сложные мультимодальные молекулярновесовые распределения образцов полимеров и объяснили это удвоением и утроением молекулярных весов отдельных групп молекул вследствие вторичных реакций.

Большим вкладом в учение о кинетике реакций полимеризации служат проведенные в последние годы исследования Н.С. Ениколопяна и сотрудников, в результате которых была установлена ранее не известная элементарная реакция, происходящая при полимеризации гетероциклических соединений реакция передачи цепи с разрывом.

Сущность вновь открытого элементарного акта состоит в том, что растущий полимерный активный центр атакует готовую или растущую макромолекулу по закону случая в любом месте цепи с образованием новой макромолекулы и нового активного центра. Если при передаче цепи с разрывом растущий активный центр отличается по химическому составу от атакуемой макромолекулы, то образуется блок-сополимер.

Одним из важных практических следствий успешных работ в области изучения радикальных процессов является теломери-зация преднамеренный обрыв роста цепи с целью синтеза теломеров соединений содержащих активные группы по обоим концам молекулы, например В начале 50-х годов к разработке методов синтеза этих важных бифункциональных производных с использованием теломеризации приступил большой коллектив химиков Академии наук СССР и Государственного института азотной промышленности под руководством А. Н. Несмеянова и Р. X. Фрейдлиной.

При этом были изучены как сами процессы теломеризации их кинетика, механизм реакций, так и химические превращения полученных продуктов, а на их основе новых волокнистых материалов. Если о теории радикальной полимеризации теперь можно говорить как о самостоятельном разделе цепной теории, или как о единой концепции, причем такой, которая в значительной степени создана трудами советских ученых, то применительно к ионной полимеризации этого сказать нельзя.

Единой теории ионной полимеризации пока не существует. По-видимому, можно лишь утверждать, что она начала формироваться, подобно теории радикальной полимеризации, как ответвление более общих кинетических теорий, а именно теории кислотно-основного катализа Бренстеда Лоури Дэвис Измайлова и цепной теории. 4.