第五章 配位聚合 习题参考答案
1．举例说明聚合物的异构现象，如何评价聚合物的立构规整性？ 解答：
（1）聚合物的异构现象：
① 结构异构聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸乙酯：
CH3 |
-[-CH2-C-]n- -[-CH2-CH-]n- | |
CO2CH3 CO2C2H5
聚甲基丙烯酸甲酯 聚丙烯酸乙酯
② 几何异构聚合物，汉分子链中由于双键或环形结构上取代基在空间排列方式不同造成
的立体异构称为几何异构，也称顺-反异构。如丁二烯聚合所形成的1,4-聚丁二烯，其结构单元有顺式结构和反式结构两种：
～～～CH2 CH2～～～ ～～～CH2 H C = C C = C
H H H CH2～～～ 顺式结构（顺-1,4聚丁二烯） 反式结构（反-1,4聚丁二烯）
③ 光学异构聚合物，如聚环氧丙烷有一个真正的手性碳原子：
H |
～～～O-C*-CH2～～～ | CH3
④ 构象异构聚合物，当大分子链中原子或原子团绕单键自由旋转所占据的特殊空间位置或
单键连接的分子链单元的相对位置的改变称构象异构。构象异构可以通过单键的旋转而互相转换。
（2）当大分子链上大部分结构单元（大于75%）是同一种立体构型时，称该大分子为有规立构聚合物，或立构规整聚合物、定向聚合物。反之，称为无规立构聚合物。
2．写出下列单体聚合后可能出现的立构规整聚合物的结构式及名称： （1）CH2=CH-CH3 （2）CH2-CH-CH3 O （3）CH2=CH-CH=CH2 CH3 |
（4）CH2 =C-CH=CH2 解答：
（1） 聚丙烯 H H H H H R H R H H H H
H R R H H H H H H R H R H H H H
H R R H
全同聚丙烯（R为甲基） 间同聚丙烯（R为甲基）
（2） 聚环氧丙烷
H H H H H H H H O O O O H CH3 H CH3 H CH3 H CH 全规聚环氧丙烷 间规聚环氧丙烷
H CH3 H H H CH3 H H O O O O H H H CH3 H H H CH （3） 丁二烯
～～～CH2 CH2～～～ ～～～CH2 H C = C C = C
H H 顺式结构（顺-1,4聚丁二烯） H H H H R H
H H R H H H R H H R 全同1,2-聚丁二烯（R为乙烯基）
（4） 异戊二烯
～～～CH2 CH2～～～ C = C CH3 H 顺式结构（顺-1,4聚异戊二烯）
H H H H H R H H R H H H R H H R 全同3,4-聚异戊二烯（R为-C(CH3)=CH2） H CH H H CH 3 R H H 3 R CH H H 3 CH R H 3R 全同1,2-聚异戊二烯（R乙烯基）
H CH2～～～ 反式结构（反-1,4聚丁二烯） H H H H R R H H H H H H R R H H 间同1,2-聚丁二烯（R为乙烯基） ～～～CH2 H C = C
CH3 CH2～～～ 反式结构（反-1,4聚异戊二烯）
H H H H R R H H H H H H R R H H 3,4-聚异戊二烯（R为-C(CH3)=CH2）
CHH H H 3 R R CHH CHH H 3 H 3 R R H CH3 间同3,4-聚异戊二烯（R为乙烯基）
间同3．什么是配位聚合？主要有几类催化剂（或引发剂），各有什么特点？ 解答：
（1） 配位聚合：是指单体分子的碳-碳双键先在显正电性的低价态过渡金属的空位上配位，形成某种形式的络合物（常称σ-π络合物），经过四元环过渡态，随后单体分子插入过渡金属-碳键中进行增长的聚合过程。又称络合聚合、插入聚合。 （2） 主要催化剂类型：
① Ziegler-Natta催化剂。主要由Ⅳ～Ⅷ族过渡金属卤化物和Ⅰ～Ⅲ族的有机金属化合物
组成。可用于α-烯烃、二烯烃和环烯烃的配位聚合，种类繁多，催化能力强。
② π烯丙基过渡金属型催化剂。主要为Ⅳ～Ⅷ族过渡金属或铀的π-烯丙基卤化物，主要
用于二烯烃的配位聚合。
③ 烷基锂引发剂。习惯上属于阴离子聚合，但用于二烯烃聚合时本质上也属于配位聚合。
4．简述配位聚合（络合聚合、插入聚合），定向聚合（有规立构聚合），Ziegler-Natta聚合的特点，相互关系。
解答：
配位聚合、络合聚合、插入聚合是同义语，是从单体在活性中心处的反应机理的角度讨论问题。任何聚合反应，只要包括单体在活性中心处的配位（或络合）、活化的单体插入金属-烷基键中进行增长，均属于配位聚合。如用Ziegler-Natta催化剂进行的α-烯烃、二烯烃、环烯烃和极性烯类单体的聚合；烷基锂引发的二烯烃聚合等。配位聚合产物大多数是立构规整聚合物，但并不是说必须是立构规整聚合物，如用Ziegler-Natta催化剂进行的乙烯聚合，产物就谈不上立体异构，再如很多对丙烯有活性的Ziegler-Natta催化剂，其产物的全同指数并不高。
定向聚合、有规立构聚合是同义语，是从聚合所得产物的角度讨论问题。任何引发体系，聚合反应，聚合方法，只要得到立构规整产物，即为定向聚合。
Ziegler-Natta聚合通常是指采用Ziegler-Natta催化剂的任何单体的聚合和共聚合，产物可以是立构规整聚合物，也可以不是立构规整聚合物。
5．对自由基聚合、离子聚合、配位聚合对所合成聚合物立构规整性的控制能力进行分析，并给予简要解释。
解答：
① 自由基聚合活性中心有一个电子，没有反离子，对产物的立构基本没有控制能力。 ② 离子聚合活性中心为一离子对，单体插入增长，因此对产物的立构有一定的控制能力。 ③ 配位聚合单体在活性中心处按一定方向配位，再插入增长，因而对立构有强的控制能力。
6．丁基锂引发苯乙烯和异戊二烯聚合属于阴离子聚合，它们是否也属于配位聚合，简述理由。 解答：
① 丁基锂引发苯乙烯为典型的阴离子聚合，反应为直接亲核加成，不属配位聚合。
② 丁基锂引发异戊二烯聚合属于阴离子聚合，但从增长看，单体先与活性中心形成某种形式的络合物，再插入增长，因此也属配位聚合。
7．下列引发剂何者能引发乙烯、丙烯、丁二烯的配位聚合： （1）n-C4H9Li
（2）α-TiCl3 / AlEt2Cl （3）（π-C3H5）NiCl （4）TiCl4 / AlEt3
解答：
① n-C4H9Li可引发丁二烯进行配位聚合。
② α-TiCl3 / AlEt2Cl可引发丙烯进行配位聚合。 ③（π-C3H5）NiCl可引发丁二烯进行配位聚合。 ④ TiCl4 / AlEt3可引发乙烯进行配位聚合。
8．比较阳离子引发剂、阴离子引发剂和Ziegler-Natta催化剂有何异同。 解答：
阳离子引发剂为路易斯酸。阴离子聚合引发为路易氏碱。两组分Ziegler-Natta催化剂的主催化剂是路易氏酸，共催化剂是路易氏碱，但由二者组成的Ziegler-Natta催化剂既不是阳离子聚合也不是阴离子聚合，而是配位阴离子聚合。
9．简述两组分Ziegler-Natta催化剂、三组分Ziegler-Natta催化剂、载体型Ziegler-Natta催化剂、茂金属催化剂和后过渡金属催化剂的组成和特点。
解答：
① 两组分Ziegler-Natta催化剂：
组成：主催化剂主要由Ⅳ～Ⅷ族过渡金属卤化物组成，共催化剂主要由Ⅰ～Ⅲ族的有机金属化合物组成。
特点：最典型和基本的Ziegler-Natta催化剂，配位聚合的主要催化剂。 ② 三组分Ziegler-Natta催化剂：
组成：在两组分基础上再加入第三组分路易氏碱：含氧有机化合物、含磷有机化合物、含硫
有机化合物、含氮有机化合物、含硅有机化合物、芳烃、脂肪烃、脂环烃及其卤代衍生物、金属卤化合物及络合物。
特点：加入第三组分可以提高催化剂活性，有些可以提高催化剂的定向能力。 ③ 载体型Ziegler-Natta催化剂：
组成：将一种或几种过渡金属（Ti、V、Cr）化合物载负在无机物固体表面或高分子物上（如
MgO、Mg(OR)Cl、MgCl2、Mg(OR)2、RMgX等）形成主催化剂，共催化剂仍为烷基金属化合物。
特点：提高活性中心数目，进而可提高催化剂活性及提高催化剂的定向能力。 ④ 茂金属催化剂：
组成：由过渡金属（多为ⅣB族钛、锆、铪）或稀土金属元素与至少一个环戊二烯（简称茂）
或环戊二烯衍生物生物配体组成的一类有机金属配合物为主催化剂，以烷基铝氧烷或有机硼化物作助催化剂组成的催化体系。
特点：
（1）催化活性高，由于为均相体系，几乎所有催化剂均为活性中心。 （2）催化活性中心单一，可得到窄相对分子质量分布的聚合物。
（3）改变催化剂结构可以有效地控制产物的相对分子质量、相对分子质量分布、共聚组
成、序列结构、支化度、密度、熔点等指标，即可实现可控聚合。
（4）基本为均相体系，便于对活性中心状态、立构规整聚合物的形成机理等进行研究。 （5）茂金属催化剂的一个主要缺点是共催化剂MAO的用量过大，而MAO过高的成本
制约了茂金属催化剂的应用。如何减少MAO用量，或用其它共催化剂代替MAO是茂金属催化剂研究的一个重要领域。
⑤ 后过渡金属催化剂
组成：以Ⅶ族过渡金属为主催化剂，在MAO或有机硼助催化剂活化后对烯烃聚合有高活性的
新一代烯烃催化剂。
特点：与Ziegler-Natta催化剂和茂金属催化剂相比，后过渡金属催化剂既增大了活性中心原
子的立体效应，又通过共轭体系的电子效应使中心原子的正电性得以改变，更适合于α-烯烃的配位和插入；由于改变了配体，使Ⅶ族过渡金属催化剂对α-烯烃呈现出高的活性；催化剂制备容易，在空气中相当稳定，可长期保存使用。后过渡金属催化剂可以合成出许多以前无法得到的聚合物。
10．简述Ziegler-Natta催化剂开发的意义。 解答：
20世纪50年代出现的Ziegler-Natta催化剂是高分子化学发展史上的一个里程碑：以此为开端开发出一大类催化剂；它的出现使50年代以来由于石油化学工业的发展为高分子合成提供的大量廉价原料中最后一大类-丙烯实现了工业化生产，并且在常温常压下得到线型聚乙烯及人们渴望已久的合成天然橡胶-高顺式聚异戊二烯；通过对聚丙烯的结构分析，揭示并证明了聚合物的立体异构现象，使α-烯烃、共轭二烯烃及其它不饱和单体的立体规整聚合成为可能；通过对聚合反应的研究，提出了配位阴离子聚合的机理；所有这些成就使高分子化学进入了一个全新的发展时期。1963年Ziegler和Natta因其在这方面的杰出贡献而共同荣获诺贝尔化学奖。
11．丙烯进行自由基聚合、离子聚合及配位阴离子聚合时能否形成高分子聚合物？为什么？怎样分离和鉴定所得聚合物为全同聚丙烯？
解答：
① 丙烯只有一个较弱的推电子基，阳离子聚合困难，无法阴离子聚合，如进行自由基聚合，易形成稳定的烯丙基自由基，无法进行增长。因此只有在具有强催化能力的配位聚合才能得到聚合物。
② 常用沸腾正庚烷萃取法。将不溶于沸腾正庚烷的部分所占的百分重量代表等规立构聚丙烯含量：
沸腾正庚烷萃取剩余物重
聚丙烯的全同指数（IIP）= ──────────── ×100 %
未萃取时的聚合物总重
12．在用Ziegler-Natta催化剂进行α-烯烃聚合理论研究中曾提出过自由基聚合、阳离子聚合和阴离子聚合机理，但均未获得公认，试对其依据和不足之处加以讨论。
解答：
① 自由基聚合机理：
1954年，C.D.Nenitzescu提出自由基机理，认为过渡金属卤化物被部分烷基化，随后烷基过渡金属化合物分解，过渡金属被还原，同时产生自由基R·并引发自由基聚合：
AlR3 + TiCl4 → RTiCl3 + AlR2Cl RTiCl3 → R·+ ·TiCl3
└→ TiCl3 R·+ 单体 → 聚合物
这一机理被后面的许多实验结果所否定。如使用在自由基聚合中有明显链转移作用的异丙苯作溶剂进行Ziegler-Natta聚合，产物相对分子质量并不降低。此外，聚合物的支化度低，催化剂活性中心寿命长等事实，都与一般的自由基聚合规律不符。
② 阳离子聚合机理：
H.Uelzman提出AlR3和TiCl4可形成络合阳离子： AlR3 + TiCl4 → TiCl2+AlR3Cl-
该阳离子络合物可引发丙烯进行阳离子聚合。但由于α-烯烃使用Ziegler-Natta催化剂的聚合速率随双键上烷基R的增大而降低，即存在：
第五章配位聚合解析
