自由基链增长聚合机理由三个步骤组成:聚合的引发、增长和终止。 当自由基引发剂产生的自由基加到单体中的不饱和键上时,聚合反应开始。 自由基的不成对电子和不饱和键中的一个π电子在自由基和单体之间形成σ键。 结果,不饱和键中的另一个 π 电子将该物质转化为新的自由基。 苯基自由基与氯乙烯单体引发反应的机理如图1所示。
图 1:使用苯基自由基进行氯乙烯自由基聚合反应机理的引发步骤。
增长步骤是将这个新的自由基添加到另一个单体中的不饱和键上。 重复该增长步骤以添加更多单体并增长聚合物链。 每次添加时,自由基位点都会转移到新添加的单体上。 增长步骤重复的次数决定了聚合物链的分子量。 氯乙烯自由基聚合的增长步骤如图2所示。
图2:氯乙烯自由基聚合反应机理的增长步骤。
单体优先添加,使得不成对电子位于取代程度较高的碳上。 例如,单取代乙烯单体如丙烯、氯乙烯和苯乙烯以头尾相连的方式添加到不断增长的链中。 此处,增长的聚合物链中的自由基位点始终位于取代的碳(尾部)上。
由于自由基中间体的高反应活性,聚合物生长的终止是不可避免的。 不同的反应途径导致聚合终止。 一种是不断增长的链中的自由基位点与另一个链中的自由基位点的偶联反应。 另一种终止方式是自由基歧化反应,其中一个增长的聚合物链的自由基位点从另一条链的自由基位点的α碳上夺取氢。 因此,前者链以烷基封端,后者以烯基封端。 聚氯乙烯链生长终止过程中自由基偶联和歧化的反应机理如图 3 所示。
图 3:通过自由基偶联(上)和歧化反应(下)终止氯乙烯聚合。
链转移剂和链抑制剂也可以终止聚合物链的增长。 然而,在这种情况下,自由基位点并未被消除,而是从不断增长的链中移除或变得不那么活跃。
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