background image
background image

It isn't difficult to form addition polymers from 

monomers containing C=C double bonds; many of 

these compounds polymerize spontaneously unless 

polymerization is actively inhibited.

The simplest way to catalyze the polymerization 

reaction that leads to an addition polymer is to add 

a source of a free radical to the monomer. The 

term free radical is used to describe a family of 

very reactive, short-lived components of a reaction 

that contain one or more unpaired electrons. In the 

presence of a free radical, addition polymers form 

by a chain-reaction mechanism that contains 

chain-initiation, chain-propagation, and chain- 

termination steps. 

background image

A source of free radicals is needed to initiate the 

chain reaction. These free radicals are usually 

produced by decomposing a peroxide such as di-

tert-butyl peroxide or benzoyl peroxide, shown 

below. In the presence of either heat or light, these 

peroxides decompose to form a pair of free radicals 

that contain an unpaired electron. 

background image

The free radical produced in the chain-initiation 
step adds to an alkene to form a new free 
radical. 

The product of this reaction can then add 
additional monomers in a chain reaction. 

background image

Whenever pairs of radicals combine to 
form a covalent bond, the chain 
reactions carried by these radicals are 
terminated. 

background image

At first glance we might expect the product of the free-radical 

polymerization of ethylene to be a straight-chain polymer. As the chain 

grows, however, it begins to fold back on itself. This allows an 

intramolecular reaction to occur in which the site at which polymerization 

occurs is transferred from the end of the chain to a carbon atom along the 

backbone. 

When this happens, branches are introduced onto the polymer chain. 

Free-radical polymerization of ethylene produces a polymer that contains 

branches on between 1 and 5% of the carbon atoms. Of these branches, 

10% contain two carbon atoms, 50% contain four carbon atoms, and 40% 

are longer side chains.

background image

Addition polymers can also be made by chain 

reactions that proceed through intermediates that 

carry either a negative or positive charge. 

When the chain reaction is initiated and carried by 

negatively charged intermediates, the reaction is 

known as anionic polymerization. Like free-

radical polymerizations, these chain reactions take 

place via chain-initiation, chain-propagation, and 

chain-termination steps. 

The reaction is initiated by a Grignard reagent or 

alkyllithium reagent, which can be thought of a 

source of a negatively charged CH

3-

 or CH

3

CH

2-

 ion. 

background image

The CH

3-

 or CH

3

CH

2-

 ion from one of these metal alkyls 

can attack an alkene to form a carbon-carbon bond. 

The product of this chain-initiation reaction is a new 

carbanion that can attack another alkene in a chain-

propagation step. 

The chain reaction is terminated when the carbanion 

reacts with traces of water in the solvent in which the 

reaction is run. 

background image

The intermediate that carries the chain reaction during polymerization 

can also be a positive ion, or cation. In this case, the cationic 

polymerization reaction is initiated by adding a strong acid to an 

alkene to form a carbocation. 

The ion produced in this reaction adds monomers to produce a 

growing polymer chain. 

The chain reaction is terminated when the carbonium ion reacts with 

water that contaminates the solvent in which the polymerization is 

run. 

background image

The initiation step of ionic polymerization reactions has a 

much smaller activation energy than the equivalent step for 

free-radical polymerizations. As a result, ionic polymerization 

reactions are relatively insensitive to temperature, and can be 

run at temperatures as low as -70

o

C. Ionic polymerization 

therefore tends to produce a more regular polymer, with less 

branching along the backbone, and more controlled tacticity. 

Because the intermediates involved in ionic polymerization 

reactions can't combine with one another, chain termination 

only occurs when the growing chain reacts with impurities or 

reagents that can be specifically added to control the rate of 

chain growth. It is therefore easier to control the average 

molecular weight of the product of ionic polymerization 

reactions. 

Ionic polymerizations are more difficult to carry out on an 

industrial scale than free-radical polymerizations. Ionic 

polymerization is therefore only used for monomers that don't 

polymerize by the free-radical mechanism or to prepare 

polymers with a regular structure. 

background image

In 1963 Karl Ziegler and Giulio Natta received the Nobel prize in 

chemistry for their discovery of coordination compound catalysts for 

addition polymerization reactions. These Ziegler-Natta catalysts 

provide the opportunity to control both the linearity and tacticity of 

the polymer. 

Free-radical polymerization of ethylene produces a low-density, 

branched polymer with side chains of one to five carbon atoms on up 

to 3% of the atoms along the polymer chain. Ziegler-Natta catalysts 

produce a more linear polymer, which is more rigid, with a higher 

density and a higher tensile strength. Polypropylene produced by 

free-radical reactions, for example, is a soft, rubbery, atactic polymer 

with no commercial value. Ziegler-Natta catalysts provide an isotactic 

polypropylene, which is harder, tougher, and more crystalline. 

A typical Ziegler-Natta catalyst can be produced by mixing solutions 

of titanium(IV) chloride (TiCl

4

) and triethylaluminum [Al(CH

2

CH

3

)

3

dissolved in a hydrocarbon solvent from which both oxygen and 

water have been rigorously excluded. The product of this reaction is 

an insoluble olive-colored complex in which the titanium has been 

reduced to the Ti(III) oxidation state. 

background image

The catalyst formed in this reaction can be described as coordinately 

unsaturated because there is an open coordination site on the titanium 

atom. This allows an alkene to act as a Lewis base toward the titanium 

atom, donating a pair of electrons to form a transition-metal complex. 

The alkene is then inserted into a Ti-CH

2

CH

3

 bond to form a growing 

polymer chain and a site at which another alkene can bond. 

Thus, the titanium atom provides a template on which a linear polymer 

with carefully controlled stereochemistry can grow. 


Document Outline