缩聚反应

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介绍

在高分子化学中，许多重要且实用的聚合物物质是通过多官能反应物官能团的常规转化形成的。在这种反应中，会产生小分子作为副产物。

此过程通常涉及两种或多种具有不同结构的单体的结合。尼龙66是由华莱士·卡罗瑟斯在1935年合成的缩聚物。尼龙66是第一个实验室合成的缩聚物。尼龙66是由己二胺和己二酸的单体单元缩合形成的。华莱士·卡罗瑟斯也为氯丁橡胶的发明做出了贡献。除了合成聚合物外，还有各种天然存在的缩聚物是由植物和微生物（如细菌）合成的。

什么是缩聚反应？

缩聚反应是一个过程，其中两个或多个单体单元发生缩合反应或结合形成更大的分子或聚合物。与加聚反应不同，该过程是一种逐步聚合。通常，逐步聚合物通过在聚合物单体单元中存在的碳和杂原子（如O、N、S）之间形成键来增加链长。这表明单体单元通常在其链的末端构成两个或多个官能团，即它们是双官能团的。在这个聚合过程中，一个小分子（如甲醇、水等）被去除作为副产物。

一些工业上重要的聚合物，如尼龙66、涤纶、氨纶等，都是通过这种类型的聚合反应生产的。缩聚反应的子类用于生产我们在日常生活中使用的具有商业重要性的产品。聚酯、聚酰胺、聚丙烯酰胺、聚碳酸酯和硅酮是一些缩聚物的子类别，它们被用于生产具有商业意义的材料，例如瓶子、衣服、坦克和飞机部件、覆盖物、化妆品等。

聚合反应概述及其重要性

聚合反应是一个过程，它涉及单体的化学结合以产生称为聚合物的更大的分子。产生的聚合物可以具有链状结构或网络结构。单体单元可以是许多相同化合物的单元，也可以是不同化合物的单元。生产聚合物需要数百个以上的单体单元。聚合物具有高弹性、高拉伸强度和成纤能力。

单体单元通过共价键连接。根据产生聚合物的反应机理，聚合反应分为两类。第一类是缩聚反应，它涉及单体的顺序缩合以形成聚合物。

第二类是加聚反应，它涉及单体的快速加成，而无需消除小分子。加聚反应在催化物质的存在下发生，催化物质有时可以通过决定结构来控制聚合物的性能。根据结构差异，聚合物分为线性聚合物和交联聚合物。线性聚合物可以是结晶固体或粘性液体，而交联聚合物是热固性树脂。

聚合度

聚合物中存在的单体单元数由聚合度表示。在工业应用中，由于大规模生产聚合物材料，聚合度超过数千。聚合度可以很好地说明重复单元的数量。对于均聚物，这些重复单元是相同的，而共聚物可以具有不同类型的重复单元。聚合度在改变聚合物的力学性能方面非常重要。聚合度可以极大地改变聚合物的性能。这是因为随着聚合物链长度的增加，硬度、强度和延展性等力学性能会突然增加，但最终会不断下降。

聚合度进一步分为两类，即数均聚合度和重均聚合度。数均聚合度基于聚合物的摩尔分数或聚合物中存在的分子数。此类别采用渗透压计算来确定聚合度。重均聚合度基于聚合物的重量分数或聚合物的总重量。实验上采用瑞利光散射来确定此类聚合度。

缩聚反应的特性

缩聚物的形成比加聚反应慢得多。该过程通常在热能存在下进行。缩聚反应的产物或缩聚物通常比加聚物的分子量低。缩聚物的单体构成多个官能团。这些官能团的存在增加了分子间的吸引力，因此影响了分子的拉伸强度和结晶特性。缩聚反应的产物在聚合物骨架中具有酰胺键或酯键。由不同单体单元组成的缩聚物通常具有两种单体单元的特性。

缩聚物的生产涉及水分子的消除。这种聚合反应的主要特征是它是一种逐步聚合。这意味着产物形成以逐步方式进行，以生产目标缩聚物。缩聚物分子量的增加速率非常慢。因此，这种类型的聚合反应的产物不会达到非常高的分子量。

缩聚反应的例子

缩聚物有很多重要的例子。

• 聚酯是由二醇和二羧酸缩合形成的，该过程涉及水分子的去除。这种聚酯的一个例子是涤纶。

• 聚酰胺是由二胺和二羧酸缩合形成的。聚酰胺在聚合物的结构中具有酰胺键。在此过程中，可以使用二酰氯代替二羧酸。

• 尼龙66也是一种人工合成的聚酰胺。它由1,6-己二胺和己二酸组成。名称源于单体的结构，因为单体具有6个碳原子。

• 尼龙6是尼龙66聚酰胺的另一种变体，是己内酰胺的均聚物。缩聚反应伴随着己内酰胺的开环，然后与其他己内酰胺单元进一步反应。这种尼龙变体在聚合物的骨架结构中也具有酰胺键。

• 凯夫拉是缩聚物，在其聚合物主链中具有许多氢键。这种缩聚物是一种坚韧且柔韧的聚合物，具有阻燃性能。因此，它被用于防弹衣中。它由1,4-二氨基苯和苯-1,4-二羧酸组成。

结论

简而言之，缩聚反应过程导致生产一些在现代社会中具有商业和工业重要性的化合物。聚酯用于制造瓶子、衣服、油漆、雨伞、乐器等。聚酰胺如尼龙用于制造衣服、牙刷、螺丝、车轮、工业长丝等。聚丙烯酰胺如凯夫拉用于制造防弹衣、飞机和坦克部件、安全带等。聚碳酸酯是一种热塑性塑料，用于制造防弹玻璃和透镜。硅酮是一种非常重要且用途广泛的聚合物，是日常生活中最常用的聚合物。它具有很高的耐热性，并且是良好的热和电绝缘体。

常见问题

1. 链增长聚合与逐步聚合有何不同？

链增长聚合	逐步聚合
它是从不饱和单体形成聚合物。	它是从多官能团单体形成聚合物。
单体的单独连接发生	最初形成低聚物，然后进行低聚物的聚合。
不饱和单体	多官能团单体
没有单体的快速损失	最初单体快速损失
活性位点存在于聚合物链的末端	所有单体都是活性位点
需要引发剂来破坏单体的双键	不需要引发剂
终止后不再发生链增长	没有终止

2. 蛋白质是由哪种类型的聚合反应形成的？

蛋白质是由氨基酸单体的缩聚反应形成的。氨基酸由胺基和羧基组成。因此，蛋白质合成的产物形成是通过形成肽键发生的。

3. 纤维素的单体是什么？

纤维素是由多个单糖单元组成的。

4. 用于计算逐步聚合聚合度的方程是什么？

Carothers 方程用于计算逐步聚合的聚合度。

$$\mathrm{\underline{X_n}=\frac{1}{1-p}}$$

5. PET是什么？

聚对苯二甲酸乙二醇酯是由乙二醇和对苯二甲酸缩聚形成的聚合物。