縮聚反應

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介紹

在高分子化學中，許多重要且實用的聚合物物質是透過多官能反應物官能團的常規轉化形成的。在這種反應中，會產生小分子作為副產物。

此過程通常涉及兩種或多種具有不同結構的單體的結合。尼龍66是由華萊士·卡羅瑟斯在1935年合成的縮聚物。尼龍66是第一個實驗室合成的縮聚物。尼龍66是由己二胺和己二酸的單體單元縮合形成的。華萊士·卡羅瑟斯也為氯丁橡膠的發明做出了貢獻。除了合成聚合物外，還有各種天然存在的縮聚物是由植物和微生物（如細菌）合成的。

什麼是縮聚反應？

縮聚反應是一個過程，其中兩個或多個單體單元發生縮合反應或結合形成更大的分子或聚合物。與加聚反應不同，該過程是一種逐步聚合。通常，逐步聚合物透過在聚合物單體單元中存在的碳和雜原子（如O、N、S）之間形成鍵來增加鏈長。這表明單體單元通常在其鏈的末端構成兩個或多個官能團，即它們是雙官能團的。在這個聚合過程中，一個小分子（如甲醇、水等）被去除作為副產物。

一些工業上重要的聚合物，如尼龍66、滌綸、氨綸等，都是透過這種型別的聚合反應生產的。縮聚反應的子類用於生產我們在日常生活中使用的具有商業重要性的產品。聚酯、聚醯胺、聚丙烯醯胺、聚碳酸酯和矽酮是一些縮聚物的子類別，它們被用於生產具有商業意義的材料，例如瓶子、衣服、坦克和飛機部件、覆蓋物、化妝品等。

聚合反應概述及其重要性

聚合反應是一個過程，它涉及單體的化學結合以產生稱為聚合物的更大的分子。產生的聚合物可以具有鏈狀結構或網路結構。單體單元可以是許多相同化合物的單元，也可以是不同化合物的單元。生產聚合物需要數百個以上的單體單元。聚合物具有高彈性、高拉伸強度和成纖能力。

單體單元透過共價鍵連線。根據產生聚合物的反應機理，聚合反應分為兩類。第一類是縮聚反應，它涉及單體的順序縮合以形成聚合物。

第二類是加聚反應，它涉及單體的快速加成，而無需消除小分子。加聚反應在催化物質的存在下發生，催化物質有時可以透過決定結構來控制聚合物的效能。根據結構差異，聚合物分為線性聚合物和交聯聚合物。線性聚合物可以是結晶固體或粘性液體，而交聯聚合物是熱固性樹脂。

聚合度

聚合物中存在的單體單元數由聚合度表示。在工業應用中，由於大規模生產聚合物材料，聚合度超過數千。聚合度可以很好地說明重複單元的數量。對於均聚物，這些重複單元是相同的，而共聚物可以具有不同型別的重複單元。聚合度在改變聚合物的力學效能方面非常重要。聚合度可以極大地改變聚合物的效能。這是因為隨著聚合物鏈長度的增加，硬度、強度和延展性等力學效能會突然增加，但最終會不斷下降。

聚合度進一步分為兩類，即數均聚合度和重均聚合度。數均聚合度基於聚合物的摩爾分數或聚合物中存在的分子數。此類別採用滲透壓計算來確定聚合度。重均聚合度基於聚合物的重量分數或聚合物的總重量。實驗上採用瑞利光散射來確定此類聚合度。

縮聚反應的特性

縮聚物的形成比加聚反應慢得多。該過程通常在熱能存在下進行。縮聚反應的產物或縮聚物通常比加聚物的分子量低。縮聚物的單體構成多個官能團。這些官能團的存在增加了分子間的吸引力，因此影響了分子的拉伸強度和結晶特性。縮聚反應的產物在聚合物骨架中具有醯胺鍵或酯鍵。由不同單體單元組成的縮聚物通常具有兩種單體單元的特性。

縮聚物的生產涉及水分子的消除。這種聚合反應的主要特徵是它是一種逐步聚合。這意味著產物形成以逐步方式進行，以生產目標縮聚物。縮聚物分子量的增加速率非常慢。因此，這種型別的聚合反應的產物不會達到非常高的分子量。

縮聚反應的例子

縮聚物有很多重要的例子。

• 聚酯是由二醇和二羧酸縮合形成的，該過程涉及水分子的去除。這種聚酯的一個例子是滌綸。

• 聚醯胺是由二胺和二羧酸縮合形成的。聚醯胺在聚合物的結構中具有醯胺鍵。在此過程中，可以使用二醯氯代替二羧酸。

• 尼龍66也是一種人工合成的聚醯胺。它由1,6-己二胺和己二酸組成。名稱源於單體的結構，因為單體具有6個碳原子。

• 尼龍6是尼龍66聚醯胺的另一種變體，是己內醯胺的均聚物。縮聚反應伴隨著己內醯胺的開環，然後與其他己內醯胺單元進一步反應。這種尼龍變體在聚合物的骨架結構中也具有醯胺鍵。

• 凱夫拉是縮聚物，在其聚合物主鏈中具有許多氫鍵。這種縮聚物是一種堅韌且柔韌的聚合物，具有阻燃效能。因此，它被用於防彈衣中。它由1,4-二氨基苯和苯-1,4-二羧酸組成。

結論

簡而言之，縮聚反應過程導致生產一些在現代社會中具有商業和工業重要性的化合物。聚酯用於製造瓶子、衣服、油漆、雨傘、樂器等。聚醯胺如尼龍用於製造衣服、牙刷、螺絲、車輪、工業長絲等。聚丙烯醯胺如凱夫拉用於製造防彈衣、飛機和坦克部件、安全帶等。聚碳酸酯是一種熱塑性塑膠，用於製造防彈玻璃和透鏡。矽酮是一種非常重要且用途廣泛的聚合物，是日常生活中最常用的聚合物。它具有很高的耐熱性，並且是良好的熱和電絕緣體。

常見問題

1. 鏈增長聚合與逐步聚合有何不同？

鏈增長聚合	逐步聚合
它是從不飽和單體形成聚合物。	它是從多官能團單體形成聚合物。
單體的單獨連線發生	最初形成低聚物，然後進行低聚物的聚合。
不飽和單體	多官能團單體
沒有單體的快速損失	最初單體快速損失
活性位點存在於聚合物鏈的末端	所有單體都是活性位點
需要引發劑來破壞單體的雙鍵	不需要引發劑
終止後不再發生鏈增長	沒有終止

2. 蛋白質是由哪種型別的聚合反應形成的？

蛋白質是由氨基酸單體的縮聚反應形成的。氨基酸由胺基和羧基組成。因此，蛋白質合成的產物形成是透過形成肽鍵發生的。

3. 纖維素的單體是什麼？

纖維素是由多個單糖單元組成的。

4. 用於計算逐步聚合聚合度的方程是什麼？

Carothers 方程用於計算逐步聚合的聚合度。

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

5. PET是什麼？

聚對苯二甲酸乙二醇酯是由乙二醇和對苯二甲酸縮聚形成的聚合物。