Cơ chế phản ứng trùng hợp

Chương 1 đã cho em biết PE, PP, PVC, PS đều có mắt xích hình thành từ một monomer mang liên kết đôi $C=C$. Bài này giải thích chính xác **vì sao** liên kết đôi lại là điều kiện bắt buộc, và **bằng cách nào** hàng chục nghìn phân tử etilen tí hon lại nối được với nhau thành một sợi PE dài. Kiến thức về liên kết đôi $C=C$ kém bền hơn liên kết đơn — do có một liên kết $\pi$ dễ bị phá vỡ — vốn đã học ở phần hóa học hữu cơ đại cương lớp 11, nay được dùng lại để giải thích một hiện tượng ở quy mô lớn hơn nhiều: sự hình thành hàng nghìn liên kết mới trong một chuỗi phản ứng liên tiếp.

**Phản ứng trùng hợp** là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monomer), giống nhau hoặc tương tự nhau, thành phân tử lớn (polymer), mà **không tách ra một phân tử nhỏ nào khác**. Điều kiện để một monomer tham gia trùng hợp: phân tử monomer phải có **liên kết bội** (thường là liên kết đôi $C=C$, đôi khi liên kết ba) hoặc là **vòng kém bền** có thể mở ra. Chính liên kết bội "dư" một cặp electron $\pi$ kém bền hơn liên kết đơn, nên dễ bị phá vỡ để hình thành hai liên kết đơn mới nối với hai monomer bên cạnh — đó là cơ chế nối dài mạch. Quá trình trùng hợp gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau. **Khơi mào**: xúc tác (hoặc nhiệt độ, ánh sáng) sinh ra một tiểu phân hoạt động (gốc tự do, ion) tấn công vào liên kết đôi của một phân tử monomer đầu tiên, mở liên kết đó ra và tạo tâm hoạt động mới ở đầu mạch. **Phát triển mạch**: tâm hoạt động ở đầu mạch tiếp tục tấn công một monomer khác, mở liên kết đôi của nó và chuyển tâm hoạt động sang đầu mạch mới — quá trình lặp lại hàng nghìn, hàng chục nghìn lần, mạch polymer dài dần ra. **Kết thúc mạch**: hai mạch đang phát triển gặp nhau, hoặc tâm hoạt động bị triệt tiêu, mạch ngừng phát triển và trở thành một phân tử polymer hoàn chỉnh. Với các monomer vinyl (dạng $CH_2=CH-X$) thường gặp, phương trình trùng hợp viết gọn theo dạng tổng quát $n\,CH_2=CH-X \xrightarrow{t^\circ, p, xt} (-CH_2-CH(X)-)_n$. Áp dụng công thức này: etilen ($X = H$) trùng hợp tạo **PE**; propilen ($X = CH_3$) tạo **PP**; vinyl clorua ($X = Cl$) tạo **PVC**; stiren ($X = C_6H_5$) tạo **PS** (polistiren). Vì phản ứng không tách ra phân tử nhỏ nào, khối lượng monomer đã phản ứng luôn bằng đúng khối lượng polymer tạo thành — đây là cơ sở của mọi phép tính khối lượng/hiệu suất trong bài toán trùng hợp. Điều kiện phản ứng (nhiệt độ, áp suất, xúc tác) không chỉ quyết định phản ứng có xảy ra hay không, mà còn ảnh hưởng tới **cấu trúc mạch** của polymer tạo thành — liên hệ ngược lại kiến thức Chương 1. Cùng là PE, nhưng khi trùng hợp etilen ở áp suất cao, mạch polymer hình thành nhiều nhánh phụ ngắn hơn, tạo ra loại PE mềm, dẻo, gọi tắt là PE tỉ trọng thấp (dùng làm túi nilon, màng bọc thực phẩm); còn khi trùng hợp ở áp suất thấp với xúc tác đặc biệt, mạch polymer gần như thẳng hoàn toàn, sắp xếp khít nhau hơn, tạo ra loại PE tỉ trọng cao, cứng và chịu lực tốt hơn (dùng làm can nhựa, ống nước cứng). Đây là minh chứng rõ ràng cho việc điều kiện phản ứng trùng hợp không chỉ là "công thức nấu ăn" mà thực sự định hình tính chất vật liệu cuối cùng.