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Química de Polímeros Prof a . Dr a . Carla Dalmolin [email protected] Síntese de Polímeros

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Page 1: Química de Polímeros - UDESC · Na síntese de pequenas moléculas, há dois tipos de variáveis: Primárias: afetam o rendimento Secundárias: afetam a velocidade da reação

Química de Polímeros

Profa. Dra. Carla Dalmolin

[email protected]

Síntese de Polímeros

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Polimerização

Conjunto de reações nos quais moléculas simples

reagem entre si formando uma macromolécula de alta

massa molar

Page 3: Química de Polímeros - UDESC · Na síntese de pequenas moléculas, há dois tipos de variáveis: Primárias: afetam o rendimento Secundárias: afetam a velocidade da reação

Na síntese de pequenas moléculas, há dois tipos de variáveis:

Primárias: afetam o rendimento

Secundárias: afetam a velocidade da reação

Variáveis de Síntese

Variáveis Primárias Variáveis Secundárias

Temperatura Presença de inibidor

Pressão Presença de catalisador

Tempo

Agitação

Iniciador

Na polimerização, as variáveis primárias podem produzir

alterações de massa molar média, distribuição de massa

molar e estrutura química

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Processos de Polimerização

Número de monômeros

Homopolimerização

Copolimerização

Tipo de reação química

Adição etênica, esterificação, amidação, acetilação, etc.

Cinética de polimerização

Polimerização em estapas

Polimerização em cadeia

Polimerização com abertura de anel

Tipo de arranjo físico

Homogênio (em massa e em solução)

Heterogêneo (suspensão e emulsão)

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Polimerização em Etapas

.

Condensação sucessiva de grupos funcionais reativos,

aumentando o tamanho das moléculas até atingirem o

tamanho de uma cadeia polimérica

Esta reação de esterificação acontecendo

sucessivamente milhares de vezes, leva à formação de

um poliéster

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Polimerização em Etapas

Ocorre condensação sucessiva de grupos funcionais e

eliminação de moléculas de baixa massa molar

H2O, HCl, NH3, etc.

Não há necessidade de iniciadores

Os materiais iniciais reagem rapidamente.

No início da polimerização, cerca de 90% de todo o

material inicial já reagiu, pois as moléculas menores tem

maior mobilidade que os grupos recém-formados

A massa molar aumenta com o tempo de reação

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Fatores que Afetam a Polimerização

em Etapas

Temperatura vs. Tempo de Reação

Quanto maior o tempo de reação, maior a massa molar do

polímero formado

Inicialmente, o aumento da temperatura aumenta a taxa

de polimerização (maior energia para as moléculas iniciais)

A longo prazo, o aumento da temperatura desloca o

equilíbrio para o sentido dos reagentes (reação exotérmica)

Presença de Catalisador

Reduz a energia de ativação

Formação de cadeias de alta MM

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Fatores que Afetam a Polimerização em Etapas

R´ CC

O

O

O

HO

R" OHR"

HO OH R´ CCOO

OHHO+ +

R´ CC

O

O

O

HO

R" OH R´ CC

O

O

O

HO

R" OH

R´ CC

O

O R" C

O

O

O CR"HO

O

OH

+

R´ CC

O

O R" C

O

O

O CR"HO

O

OH

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Fatores que Afetam a Polimerização

em Etapas

Excesso de um dos reagentes

Dificulta o encontro de duas pontas de cadeia com

grupos funcionais diferentes e reduz a velocidade da

reação

Razão ideal entre os reagentes é equimolar: 50% de

chance de uma ponta de cadeia encontrar outra ponta

de cadeia com grupo funcional diferente.

Funcionalidade do terceiro reagente

Funcionalidade 1: reduz a massa molar final, pois impede o

crescimento da cadeia

Funcionalidade 3: propicia a formação de ligações

cruzadas – pode gerar um termofixo

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Polimerização em Etapas

Término da reação

Adição não estequiométrica dos reagentes

Quanto maior a diferença entre a quantidade de

reagentes e a relação estequiométrica, a polimerização

terminará mais rápido

Adição de um reagente monofuncional

A ponta da cadeia que rage com uma molécula

monofunciomal para de reagir

Redução da temperatura

Reduz a velocidade da reação

R´ CC

O

O

O

HO

R" OH R´ CCOO

OHHO+

n

R´ CC

O

O

O

HO

R" C

O

R´ C

O

OH

n

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Polimerização em Cadeia

Ocorre a partir da desestabilização da dupla ligação e

sua sucessiva reação com outras ligações duplas de

outras moléculas

Polimerização via radicais livres

Polimerização iônica

Catiônica

Aniônica

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Fases da Polimerização em Cadeia

Iniciação

Geração do centro ativo

Propagação

Crescimento da cadeia com a transferência do centro ativo

de monômero a monômero

Término

Desaparecimento do centro ativo

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Polimerização via Radicais Livres

Iniciação

Iniciadores térmicamente instáveis (Ex.: peróxidos)

O iniciador é desestabilizado termicamente, formando dois centros ativos

(radical)

O radical reage com o monômero, transferindo o centro ativo

A iniciação também pode se

dar pela ação da radiação

(raios-X, UV, luz visível)

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Polimerização via Radicais Livres

Propagação

Transferência do centro ativo de monômero a monômero

A cadeia cresce em alta velocidade, e com baixa energia de ativação

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Término

Desaparecimento do centro ativo

Pode ocorrer de várias maneiras

Polimerização via Radicais Livres

Combinação de macroradicais

Cadeias com alta massa molar

Pode ser evitada estericamente com grupos laterais volumeosos

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Polimerização via Radicais Livres

Desproporcionamento

Transferência intermolecular de H do carbono cauda para cabeça

Ocorre quando o grupo lateral (R) é volumoso e impede a aproximação dos átomos de C

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Transferência de Cadeia

Abstração de um H de um ponto qualquer de outra cadeia, terminando

o crescimento

O centro ativo é transferido para a cadeia que perdeu o H

Promove a formação de cadeias ramificadas

Polimerização via Radicais Livres

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Pequena probabilidade de ocorrer na polimerização do PE

Gera ramificações curtas

Transferência de Cadeia – Back biting

Polimerização via Radicais Livres

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Polimerização via Radicais Livres

Interação com outras moléculas presentes no meio reacional

Regulador de massa molar: a porção B* é ativa e reage com outra cadeia carbônica

Terminador de cadeia: a porção B* é inativa e termina a reação.

Transferência para o Solvente

~~~~~~~CH2-CHR* + A-B ~~~~~~CH2-CHR-A + B*

Ex.: hidroquinona

Cada H+ reage com um radical livre, do

próprio peróxido iniciador

Desativação do Iniciador

I* + *H I-H

Reação com a cadeia em crescimento

~~~CH2-CHR* + *H ~~~CH2-CH2R

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Inibidores e Retardadores

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Polimerização Catiônica

O centro ativo é um carbocátion

Catalisada por ácidos de Lewis (BF3, AlCl3, AlBr3)

Iniciação

BF3 + H2O H+[BF3OH]-

O próton ataca a dupla ligação, gerando o monômero ativado

H++ H2C CH

R

H2C

H

CH

R

Propagação

H2C

H

CH

R

H2C CH

R

+ H2C

H

CH

R

CH

H

CH

R

Adição de mais monômero H2C

H

CH

R

CH

H

CH

R

n

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Transferência para o monômero

Rearranjo com um contra-íon

Terminação forçada: adição de um nucleófilo

O término da reação é instantâneo

Polimerização Catiônica

H2C CH

R

+CH

H

CH

R

CH

H

CH

R

+ H2C

H

CH

R

CH

H

CH

R

+ [BF3OH]-CH

H

CH

R

+ H+[BF3OH]-

CH

H

CH

R

++ CH3HO CH

H

C

H

R OCH3 H+

H++ H+[BF3OH]-[BF3OH]-

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Polimerização Aniônica

O centro ativo é um carbânion

Catalisada por uma base de Lewis: KNH2

KNH2 K+ + NH2-

NH3

Iniciação

O ânion (NH2-) ataca o monômero, ativando-o

Propagação

NH2- + H2C=CHR NH2-H2C-CHR

NH2-H2C-CHR + H2C=CHR NH2-H2C-CHR-CH2-CHR

Adição de mais monômero ~~~~~~~ ~~CH2-CHR

Término

Somente com a adição de um terminador (H2O)

Gera polímeros com pouca variação de massa molar

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Polimerização em Etapas vs. Cadeia

Polimerização em Cadeia Polimerização em Etapas

Não há formação de subprodutos Formação de subprodutos de baixa

massa molar

O centro ativo é uma insaturação Os centros ativos são radicais

funcionais

Apresenta um mecanismo de reação

com Iniciação, Propagação e

Término

Não apresenta mecanismo de

reação

As cadeias completas são formadas

desde o início da reação, coexistindo

polímero e monômero durante toda

a reação

No início da reação já há a

formação de cadeias poliméricas de

baixa massa molar, com consumo

dos materiais iniciais

Há necessidade de um iniciador Não necessita de iniciador

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Polimerização por Abertura de Anel

O monômero é uma molécula cíclica. Na abertura do anel, gera bifuncionalidade. Não há formação de subprodutos

Ex.: Polimerização do náilon 6 a partir da -caprolactama Altas temperaturas

Presença de H2O

Ruptura na ligação de menor energia ( - OC – NH - )

Após a ruptura da ligação, a molécula bifuncional reage entre si

C

NH

O

n C N

O H

n

Ruptura na ligação de menor energia

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Copolimerização

Na polimerização de dois monômeros (M1 e M2), são possíveis quatro interações:

~~~~~M1* + M1 ~~~~~M1-M1 (k11)

~~~~~M1* + M2 ~~~~~M1-M2 (k12)

~~~~~M2* + M1 ~~~~~M2-M1 (k21)

~~~~~M2* + M2 ~~~~~M2-M2 (k22)

A formação de copolímero alternado, aleatório ou em bloco vai depender da razão de reatividade (r) para cada monômero

Copolímero alternado: r1 e r2 pequenos (a reação entre monômeros iguais é dificultada)

Copolímero em bloco: r1 e r2 altos (a reação entre monômeros iguais é facilitada)

Copolímero aleatório: r1 e r2 intermediários (não há monômero preferencial para que a reação aconteça)

v=kij[Mi][Mj]

21

222 e

12

111

k

kr

k

kr

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Técnicas de Polimerização

Produção de polímeros (em laboratório ou industrial)

Formação de inúmeras cadeias poliméricas

Controle da massa molar e da distribuição de massa molar

Manuseio da massa polimérica

Dependendo da forma / aplicação / propriedades do polímero a ser

formado, pode ser empregadas diferentes técnicas / arranjos físicos:

Polimerização em massa

Polimerização em solução

Polimerização em suspensão

Polimerização em emulsão

H2C=CH2

Eteno

(gás) -CH2-CH2-CH2-CH2-

Polietileno

(sólido)

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Polimerização em Massa

Adição direta do monômero ao iniciador

Vantagem: alta pureza e alto rendimento

Desvantagem: dificuldade em controlar a temperatura (reação

exotérmica)

O processo consiste em aquecer o monômero em um reator (ou molde), na presença do iniciador e, de um composto capaz de controlar massa molar

+ INICIADOR

+ CONTROLADOR DE MASSA MOLAR

MONÔMERO

Não há adição

de solvente

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Polimerização em Solução

O solvente é escolhido de forma que o monômero e iniciador

possam se dissolver totalmente no solvente e que o polímero

formado seja de fácil remoção

O processo consiste em dissolver o monômero e o iniciador. A reação acontece no estado líquido, promovendo a transferência de calor.

+ INICIADOR MONÔMERO

SOLVENTE

Polímero em solução

Polímero precipitado

(separado, seco e granulado)

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Polimerização em Suspensão

Substituição dos solventes orgânicos (na polimerização

em solução) pela água

O iniciador é dissolvido no monômero

A mistura monômero + iniciador fica em suspensão na água,

sob agitação

Gotas de Monômero + iniciador

em suspensão

Sob agitação

Sob aquecimento

A polimerização ocorre separadamente em cada gota

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Polimerização em Emulsão

Adição de surfactante à agua

Formação de uma emulsão com o monômero e iniciador

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Degradação

Conjunto de reações que envolvem quebra de ligação da cadeia

principal do polímero

Mudança na estrutura química

Redução de massa molar

Alteração das propriedades físico-químicas

Despolimerização

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Degradação Térmica

O aquecimento de um polímero pode causar a instabilidade de ligações

mais frágeis na cadeia (geralmente na presença de um heteroátomo)

A ligação instável pode ser atacada por uma molécula de baixa massa

molar: H2O (hidrólise), O2 (oxidação), etc.

Hidrólise do náilon

NC

H

O

HO

H

NC

H

O

H

O H

NH2

HOC

O

Oxidação do polipropileno

CHCH

CH3 CH3 CH3

O2

CH

CH3 CH3 CH3

OO*

CH3 CH3

O

CH3

H2C

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Ataque a Grupos Laterais

Perda de grupos fracamente ligados à cadeia principal

PVC: libera HCl, que catalisa a degradação

PAN: libera HCN, que catalisa a reação