Олигомеры для процессов поликонденсации

Во многих процессах поликонденсации после полного исчерпа­ниямономера олигомеры становятся единственными реагентами, привзаимодействии которых образуются макромолекулы. На глубокихстадиях поликонденсации реагентами процесса становятся и поли­мерные молекулы. Поэтому рассмотрение особенностей стро­ения иреакционной способности олигомеров и ак­тивных макромолекул пре­д­ставляет большой интерес.

Олигомеры, применяемые для поликонденсации, должны бытьпо меньшей мере бифункциональны, т. е. в состав их молекул дол­жно входить не менее двух реакционных центров. Требования к реакционноспособным олигомерам, участвующим в процессе поликонденсации, идентичны требованиям, предъявляемым к моно­мерам.Поэтому почти все закономерности, характерные для поликонденсационных мономеров, можно отнести и к олигомерам. Так же как и мономеры, олигомеры можно разделить на типы а–а и а–b. Важнейшей характеристикой олигомеров является их функ­циональность. Однаков отличие от мономеров для реакционноспособных олигомеровфункциональность будет средней величиной, так как олигомеры полидисперсны. Поэтому для олигомеров числовое значение функциональности зависит от способа усредне­ния. Следует различать среднемассовую (f_ц) и среднечисловую (f_n) функциональность.

Уравнения для расчета f_w и f_n аналогичны формулам для рас­чета среднемассовой и среднечисловой молекулярной массы. Очень удобно определятьf_nиз данных по хроматографии полиме­ров. Косвенные способы определенияf_wиf_nоснованы на опреде­лении точкигелеобразования, а также на зависимости плотности полимернойсетки от состава сополимера. В простейшем случае при синтезе полимеров путем поликон­денсации реакционные центры олигомеров аналогичны реакцион­ным центрам мономера, так как они возникают при последова­тельном соединении молекул мономеров и n-меровдруг с другом:

2НОСН₂СН₂ОН НО–СН₂СН₂ОСН₂СН₂–ОН + H₂O

Реакционная способность мономеров и олигомеров.

Идентичность строения концевых функциональных групп макро­молекул функциональным группам мономера предопределяет иходинаковую химическую активность. Влияние на реакционную способность концевой функциональ­нойгруппы присоединенного к ней остатка макромолекулы аналогич­но влиянию соседнего атома (или группы атомов) на реакцион­ную способность функциональнойгруппы в каком-либо низкомолекулярном соединении. Так, в соединении общей формулы:

возмож­ным заместителем Х может быть остаток макромолекулы, ко­торый и будет влиять на реакционную способность аминогруппы.Например, для полимера:

в качестве заместителя Х может быть остаток макромолекулы:

Если строение Х таково, что с увеличением nизменяется элект­ронная плотность на атоме, непосредственно соседствующем с реагирующей концевой группой, то и реакционная способность последнейизменяется с увеличением длины макромолекулы. Такой случайреализуется при образова­нии макромолекул с сопряженными связями:

Однако обычно электронная проводимость длинной цепочки ато­мов очень мала (особенно в соединениях с одинарными связями), ипо­этому во многих случаях реакционная способность кон­цевой груп­пы не зависит от длины цепи макромолекулы, содержа­щей эту группу (принцип Флори). Принцип Флори хорошо описывает простейшиеслучаи поликонденсации на всех стадиях протекания реакции, за исключением начальных и глубоких стадий процесса.

Из таблицы 5 хорошо видно, что константы скорости этерификации карбоновых кислот с различной длиной углеводородного замес­тителя меняются заметно при переходе от n = 1 к n = 3, после чегоих значения остаются постоянными. Причем эта тенденция остается верной и для бифункциональных реагентов, обычно применяемые впрактике поликонденсационного синтеза. Эта закономерность соблюдается и для других реакций. Так, например, константы скорости реакции полиоксиэтилена (Mn = 393) с концевыми гидроксильнымигруппами и бутанола-1 с фенилизоцианатом при 30^оС в растворе толуола составляют соответственно 1.510^–3и 1.510^–3л/(мольс).

Таблица 5

Константы скорости этерификации (25^оС) ряда гомологичных карбоновых кислот

Размер молекулы, n	k10^–4, л/(мольс)
	H(CH2)nCOOH	(CH2)n(COOH)2
1	22.1	–
2	15.3	6.0
3	7.5	8.7
4	7.5	8.4
5	7.4	7.8
6	–	7.3
8	7.5
9	7.4
11	7.6
13	7.5
15	7.7
17	7.7

В случае кремнийорганических мономеров уменьшение константы скорости конденсации при переходе от мономера к димеру обычно значительно больше, чем для органических соединений. Так, известно, что тетраметилдисилоксандиол – HO[Si(CH₃)₂O]₂H конденсируется с выделением воды в 10 – 15 раз медленнее, чем диметилсиландиол – Me₂Si(OH)₂. Считается, что это обусловлено меньшим индуктивным эффектом гидроксидиметилсилокси–группы в тетраметилдисилоксандиоле в сравнении с индуктивным эффектом двух метильных групп у атома кремния в диметилсиландиоле.

На основании рассмотрения полимерной цепи как соответствую­щего заместителя был развит подход к прогнозированию реакционной способности олигомеров по корреляционным уравнениям.

Рис. 5 Зависимость константы скорости (к10^-2 л/(г-эквмин) образования уретанов от молекулярной массы исходного гидроксилсодержащего олигоэфира,реакции: а – фенилизоцианата с полиэтиленгликольадипинатом, б – нафтиленизоцианата с сополимером окиси этилена и тетрагидрофурана, в– нафтиленизоцианата с полиэтиленгликолем в растворе диэтилового эфираэтиленгликоля.

Для этого определяли индукционные константы заместителей ,моделирую­щих «кусок» полимерной цепи. Сравнение рассчитанныхи экспе­риментальных зависимостей глубины протекания реакции отпро­должительности процесса для некоторых пар сомономеров далоудовлетворительные результаты. Однако для ряда систем наблюдалось нарушение принципа Флори (рис. 5). Из этого рисунка видно, что ак­тивность концевых групп олигомеров может отклоняться от актив­ности, предсказываемой принципом Флори, как в одну, так и в другую сторону. Причины отклонения могут быть самыми различ­ными.Ниже перечислены главные из них:

1. конфигурационные эффекты – изменение реакционной способ­ности концевой группы макромолекулы под влиянием соседа, в том числе иного пространственного строения;

2. конформационные эффекты–изменение реакционной способ­ности концевой группы макромолекул за счет измененияформы макромолекулы (например, свернутость в плохих растворителях);

3. влияние надмолекулярной организации макромолекул;

4. прочие эффекты (например, изменение диэлектрической прони­цаемости среды за счет исчезновения определенных типов функ­циональных групп, изменение вязкости реакционноймассы, растворимости олигомеров и т. д.).

Более подробно влияние этих эффектов рассматривается в лек­ци­онном курсе. Из изложенного следует, что выполнение принципа Флори не­о­бходимо доказывать в каждом конкретном случае или, по край­ней мере, иметь хотя бы косвенные доказательства его применимости к данной системе. В связи с этим особую важность приобретает непосредственная оценка реакционной способности олигомеров в ходе реакции. Для этой цели можно воспользоваться измерением нарастания молеку­лярной массы полимера во времени, а для необ­ратимых реакций поликонденсации–зависимостью молекулярной массы от ско­рости дозирования одного из мономеров.