Патент на изобретение №2167879
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) КАТАЛИЗАТОР ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ОЛЕФИНОВ В ВИДЕ АЗАБОРОЛИНИЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ МЕТАЛЛОВ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИ--ОЛЕФИНА (ВАРИАНТЫ)
(57) Реферат: Описывается новый катализатор полимеризации олефинов в виде азаборолинильных комплексов металлов общей формулы (I), где L -лиганд формулы (II), где L’ – циклопентадиенил, пентаметилциклопентадиенил; X – галоген, М – титан, цирконий или гафний; R1 – алкил C1-C12; R2 – алкил C1-C12; R3 – водород, n = 0, 1, 2, 3; Lв– необязательно основание Льюиса. Описывается также способ получения поли--олефина (варианты). Технический результат – повышение активности катализатора и возможность его использования в очень малых количествах. 3 с. и 12 з.п.ф-лы, 4 табл. Изобретение относится к катализаторам, используемым для гомо- и сополимеризации этилена и других олефиновых углеводородов. В особенности, изобретение относится к катализаторам, содержащим переходный металл, соединенный -связью с лигандом, содержащим азаборолиновое кольцо. До настоящего времени полиолефины получали прямым способом с использованием обычной каталитической системы Циглера. Эти катализаторы обычно состоят из соединений переходного металла и одного или нескольких металлоорганических соединений. Например, полиэтилен получают с использованием катализаторов Циглера, таких как трихлорид титана и диэтилалюминий хлорид или смесь тетрахлорида титана, окситрихлорида ванадия и триэтилалюминия. Стоимость таких катализаторов невысока, однако они характеризуются низкой активностью, что приводит к необходимости использовать их при высоких концентрациях. В результате иногда необходимо удалять остаток катализатора из полимера, что значительно повышает стоимость продукта. Чтобы исключить отрицательное влияние примеси катализатора, необходимо добавлять нейтрализующие реагенты и стабилизаторы. Если не удается удалить остаточное количество катализатора в полимере, то это приводит к желтому или серому окрашиванию полимера, а также к снижению устойчивости к ультрафиолетовому излучению и стабильности во времени. Например, присутствие хлорсодержащих примесей может вызвать коррозию оборудования для переработки полимера. Более того, использование катализаторов Циглера приводит к получению полимера с широким молекулярно-массовым распределением, что в некоторых случаях применения полимера является нежелательным, например при формовании литьем под давлением. Использование катализатора Циглера не обеспечивает достаточно высокой степени введения сомономеров -олефинов, что не позволяет контролировать плотность полимера. Чтобы получить полимер определенной плотности, необходимо использовать значительное избыточное количество сомономера. При этом достигают очень низкой степени введения либо вовсе невозможно введение многих высших -олефинов, таких как 1-октен. Несмотря на то, что после изобретения каталитической системы Циглера, она была значительно усовершенствована, в настоящее время эти катализаторы заменяются на недавно разработанные каталитические системы, содержащие металлоцены. Обычно в состав этих катализаторов входит соединение переходного металла, которое содержит один или несколько циклопентадиенильных кольцевых лигандов. Катализаторы Циглера на основе смеси металлоценов с металлоорганическими соединениями, такими как триалкилалюминий, которые используются в обычных катализаторах Циглера, обладают низкой активностью. Однако смесь металлоценов с алюминоксанами в качестве сокатализатора проявляет очень высокую активность. Активность последних так высока, что нет необходимости в удалении остатков катализатора из полимера. Более того, использование катализаторов, содержащих металлоцены, позволяет получить высокомолекулярные полимеры с узким молекулярно-массовым распределением. При этом достигают высокой степени введения в качестве сомономеров -олефинов. Однако использование катализаторов, содержащих металлоцены, при более высоких температурах приводит к получению низкомолекулярных полимеров. Таким образом, эти катализаторы применимы для полимеризации этилена в газовой фазе или в эмульсии, причем процесс полимеризации проводят при 80-95oC. Однако эти катализаторы практически не активны при полимеризации этилена в растворе при температуре приблизительно от 150 до 250oC. Полимеризация этилена в растворе является более предпочтительной, так как обеспечивает получение полимера в широком диапазоне молекулярной массы и плотности, а также позволяет использовать широкий выбор различных сомономеров. Полимеризация в растворе позволяет также получить полимеры, которые можно использовать в различных областях. Например, могут быть получены как полиэтилены (PE) с высокой молекулярной массой и высокой плотностью, используемые в качестве защитной пленки для упаковки продуктов питания, так и сополимеры этилена с низкой плотностью, характеризующиеся высокой прочностью и высокой ударной вязкостью. Нами найден новый класс катализаторов на основе соединений со структурой азаборолинового кольца, содержащих переходные металлы. Катализаторы согласно изобретению обладают необычайно высокой активностью и, следовательно, их можно использовать в очень малых количествах. Такие катализаторы обеспечивают высокую степень введения сомономеров в полимер. Высокая активность указанных катализаторов при более высоких температурах позволяет предположить, что они могут быть использованы при полимеризации этилена в растворе. Мы обнаружили также, что чувствительность мономеров в процессе полимеризации в присутствии катализаторов согласно изобретению по отношению к водороду значительно выше по сравнению с другими катализаторами. В связи с этим при полимеризации мономеров в присутствии катализаторов согласно иэобретению незначительное изменение содержания водорода в реакционной смеси оказывает существенное влияние на молекулярный вес образующегося полимера. Катализаторы согласно изобретению характеризуются общей формулой где L – лиганд формулы где L’ означает L, Cp, Cp’, инденил, флуоренил, NR2, OR или галоген, L может быть связан с L’ мостиковой связью, X означает галоген, NR2, OR или алкил C1-C12, М означает титан, цирконий или гафний, R означает алкил C1-C12 или арил C6-C12, R1 означает R, алкарил C6-C12, аралкил C6-C12, водород или Si(R)3, R2 означает R1, галоген, COR, COOR, SOR, или SOOR, R3 означает R2, OR, N(R)2, SR или конденсированная циклическая система, Cp означает циклопентадиенил, Cp’ означает пентаметилциклопентадиенил, n = 0 – 3. Лиганд L’ предпочтительно означает Cp, Cp’ или L, так как такие соединения обладают высокой активностью и их легко получить. Группа X является предпочтительно галогеном и наиболее предпочтительно хлором, так как эти соединения более доступны. Группа R предпочтительно является алкилом C1-C4, группа R1 предпочтительно является алкилом C3-C12 или арилом, группа R2 является предпочтительно трет-бутилом или триметилсилилом и группа R3 является предпочтительно водородом или метилом, так как эти соединения легче получить. Примеры группы R3, содержащей конденсированные кольца, могут быть представлены следующими формулами: Металл М предпочтительно представляет собой цирконий, так как циркониевые катализаторы сочетают в себе высокую активность со стабильностью. По выбору группа L может быть связана с группой L’ мостиком. В качестве групп, образующих мостиковые связи с обоими лигандами, можно использовать метилен, этилен, 1,2-фенилен, диметилсилил, диэтилсилил, дифенилсилил и метилфенилсилил. Обычно катализатор содержит только один мостик. Предполагают, что мостиковая связь с лигандами изменяет геометрию структуры вокруг каталитически активного атома переходного металла, что приводит к увеличению каталитической активности и улучшению других свойств, таких как степень введения сомономера и термическая устойчивость. Lв в общей формуле факультативно может означать основание Льюиса, которое добавляют в реакционную смесь вплоть до эквимолярного количества (по отношению к М). Использование основания Льюиса, в основном, нежелательно, так как приводит к снижению каталитической активности. Однако включение основания Льюиса в состав катализатора повышает его стабильность и, таким образом, включение основания Льюиса может быть целесообразным в зависимости от конкретного процесса полимеризации, в котором будет использован катализатор. В качестве основания можно использовать растворитель, остающийся после получения азаборолинсодержащего соединения или основание можно добавить отдельно, чтобы увеличить стабильность катализатора. Например, в качестве основания можно использовать простые эфиры, такие как диэтиловый эфир, дибутиловый эфир, тетрагидрофуран, 1,2-диметоксиэтан, сложные эфиры, такие как н-бутилфталат, этилбензоат и этил-п-анизат, третичные амины, такие как триэтиламин и фосфины, такие как триэтилфосфин, трибутилфосфин и трифенилфосфин. Катализаторы согласно изобретению можно получить с использованием коммерческих исходных соединений. Специфические исходные соединения, коммерчески не доступные, можно получить по хорошо известным в литературе методикам, примеры которых приведены ниже. Предшественник азаборолинсодержащего лиганда получают путем взаимодействия дианиона аллиламина (который образуется из аллиламина в присутствии сильного основания) с алкилдигалогенидом бора (J. Schulze, G. Schmidt, J. Organomet. Chem., 1980, 193, p.83). В качестве сильных оснований можно использовать соединения алкил лития, такие как н-бутиллитий, метиллитий и гидриды, такие как гидрид натрия и гидрид калия. К одному молю аллиламина добавляют два моля основания. Реакцию проводят при комнатной температуре в течение нескольких часов в углеводородном растворителе, таком как пентан или гексан. Для стабилизации алкиллития к аллиламину добавляют тетраметилэтилен в мольном соотношении 1:1. Продукт реакции может быть выделен под вакуумом и очищен дистилляцией. Следующей стадией, описанной в литературе, является взаимодействие полученного продукта с основанием, таким как соединение лития с пространственно затрудненной структурой, например с тетраметилпиперидидом лития. В результате образуется азаборолиниланион (G.Schmidt et al., Chem. Ber., 1982, 115, p. 3830): Завершающей стадией является охлаждение продукта, полученного на второй стадии, до (-60)oC и добавление MX4 и MCpX3. Реакционную смесь нагревают до комнатной температуры и реакцию заканчивают, когда реагенты растворяются и LiX выпадает в осадок: где Так как обычно катализатор используют в сочетании с металлоорганическим сокатализатором, предпочтительно использовать растворитель, в котором растворяют оба катализатора. Например, если сокатализатором является метилалюминийоксан (МАО), то в качестве растворителя можно использовать толуол, ксилол, бензол или этилбензол. Другими подходящими сокатализаторами являются соединения алкилалюминия общей формулы AlR’x(R2)3-x, где 1 Получение бис(1-трет-бутил-2-метил-5-1,2-азаборолинил)цирконий дихлорида и (1-трет-бутил-2-метил-5-1,2-азаборолинил)цирконий трихлорида Для получения 2-метил-1-трет-бутил-1,2-азаборолинил лития готовят раствор 0,438 г (3,2 ммоль) 2-метил-1-трет-бутил-3-1,2-азаборолина (полученного по методу J. Schultze and G. Schmid: J. Organomet. Chem. 1980, 193, 83-91) в 6 мл сухого тетрагидрофурана (ТГФ) и добавляют по каплям при (-78)oC к раствору 2,2,6,6-тетраметилпиперидида лития (3,2 ммоль, полученного при взаимодействии эквимолярных количеств 2,2,6,6-тетраметилпиперидина и раствора н-бутиллития/гексана в 10 мл тетрагидрофурана (ТГФ). Холодную смесь в бане нагревают до 10oC в течение 1,5 ч, после чего растворители отгоняют в вакууме. Желтый маслянистый осадок обрабатывают 35 мл толуола и получают желтую эмульсию, которую охлаждают до (-60)oC, и добавляют 0,37 г (1,6 ммоль) хлорида циркония (IV) при интенсивном перемешивании. Смесь в бане нагревают до комнатной температуры, и реакционную смесь перемешивают в течение ночи. Растворитель отгоняют в вакууме, осадок обрабатывают 30 мл толуола и отфильтровывают от хлорида лития. Толуоловый фильтрат упаривают, липкий желтый осадок экстрагируют гексаном (2 раза по 15 мл) и отфильтровывают. После упаривания гексанового фильтрата получают 0,14 г желтого твердого продукта. По данным 1H ЯМР полученный продукт содержит смесь двух необходимых соединений в соотношении 2:3. ПРИМЕР 2 Получение (5-циклопентадиенил)(1-трет-бутил-2-метил-5-1,2-азаборолинил)цирконий дихлорида СПОСОБ А 0,49 г (3,5 ммоль) 2-метил-1-трет-бутил-3-1,2-азаборолина растворяют в 20 мл ТГФ и получают раствор 2-метил-1-трет-бутил-1,2-азаборолинил лития как описано выше. Этот раствор добавляют по каплям при помощи шприца при перемешивании к охлажденному до (-35)oC раствору 0,93 г (3,52 ммоль) циклопентадиенилцирконий трихлорида в 50 мл ТГФ. Смесь в бане нагревают до комнатной температуры, реакционную смесь перемешивают в течение ночи. Растворители отгоняют в вакууме, осадок экстрагируют 35 мл толуола и отфильтровывают. Осадок промывают 10 мл толуола и объединенные фильтраты упаривают. Посредством перемешивания полученного желтого клейкого осадка с 25 мл сухого гексана получают бежевое твердое вещество и светло-желтый супернатант. После фильтрования и высушивания осадка получают 0,77 г продукта в виде рыжевато-коричневого аморфного порошка. По данным 1H ЯМР необходимый продукт содержит некоторое количество примесей. СПОСОБ Б 2-Метил-1-трет-бутил-1,2-азаборолинил литий получают путем добавления 0,438 г (3,2 ммоль) 2-метил-1-трет-бутил-3-1,2-азаборолина (полученного по методу J. Shultze and G. Schmid, J. Organomet. Chem., 1980, 193, 83-91) в 10 мл сухого толуола к охлажденному до (-78)oC раствору 2,2,6,6-тетраметилпиперидида лития (3,2 ммоль), полученному при взаимодействии эквимольных количеств 2,2,6,6-тетраметипиперидина и н-бутиллития/гексана в 15 мл ТГФ. Растворители отгоняют в вакууме до 1/3 первоначального объема, раствор охлаждают до (-78)oC и добавляют 35 мл сухого толуола. В полученный прозрачный желтый раствор подают по соединительной трубке 0,84 г (3,2 ммоль) циклопентадиенилцирконий трихлорида при интенсивном перемешивании. Смесь в бане нагревают до комнатной температуры и перемешивают в течение ночи. Реакционную смесь отфильтровывают, фильтрат упаривают до получения сухого остатка. К твердому остатку добавляют 20 мл толуола, затем фильтрованием желтый фильтрат отделяют от темного нерастворимого осадка. После упаривания фильтрата получают 0,34 г желтого аморфного порошка, 1H ЯМР спектр которого соответствует спектру необходимого продукта. ПРИМЕРЫ 3-11 Полимеризация этилена на азаборолинил циркониевых катализаторах Этилен полимеризуют с использованием катализатора, полученного в соответствии со способом A примера 2. Полимеризацию проводят в автоклаве объемом 1,7 л, снабженном мешалкой, при 80-110oC. 840 мл сухого, не содержащего кислорода толуола загружают в чистый, сухой, не содержащий кислорода реактор. Для полимеризации используют 10 мас.% раствор в толуоле МАО (фирмы Ethyl Corporation). Для получения требуемого соотношения, указанного в нижеследующей таблице, необходимое количество МАО добавляют при помощи шприца при 30oC. Реактор нагревают до необходимой температуры и добавляют этилен в количестве, достаточном для установления в реакторе давления 150 psig. Реактор уравновешивают при необходимой температуре и давлении. Раствор катализатора получают растворением 0,100 г продукта в 100 мл толуола. В реактор сначала вводят сокатализатор, а затем отдельно катализатор. Для инициирования полимеризации используют определенное количество этого раствора, содержащее указанное в таблице количество катализатора. В процессе получения полимера в реакторе поддерживают постоянное давление 150 psig посредством подачи в него, по мере необходимости, потока этилена. К концу 1 часа (или ранее, если активность очень высока) поток этилена останавливают и реактор быстро охлаждают до комнатной температуры. Реактор открывают и полимер отфильтровывают от толуола. Продукт высушивают в вакуум-сушильном шкафу в течение ночи и взвешивают. В таблице 1 приведены условия проведения реакции, а результаты полимеризации представлены в таблице 2. Индекс расплава полимера определяют в соответствии ASTM D-1238, режим E и режим F. МI2 – индекс расплава, определенный при нагрузке 2,16 кг (режим Е). МI20 – индекс расплава, определенный при нагрузке 21,6 кг (режим F). MFR представляет собой отношение МI20 к МI2. Плотность полимера определяют в соответствии с ASTM D-1505. Молекулярно-массовое распределение полимера определяют с использованием гель-проницающей хроматографии на хроматографе Waters 150 C при 135oC, используя в качестве растворителя 1,2,4-трихлорбензол. Для характеристики молекулярно-массового распределения используют средневесовую молекулярную массу (Mw) и отношение Mw/Mn (среднечисловая молекулярная масса). Из таблицы 2 видно, что при использовании предлагаемых в данном изобретении катализаторов получают полимеры с широким диапазоном молекулярных масс, поскольку эти катализаторы обладают повышенной чувствительностью к водороду. ПРИМЕРЫ 12 и 13 Полимеризацию в растворе проводят в автоклаве из нержавеющей стали объемом 2,0 л, снабженном мешалкой, при 150oC. 1,0 л сухого, не содержащего кислорода ISOPAR G (фирмы Exxon Chemical Company) загружают в чистый, сухой, не содержащий кислорода реактор. Затем реактор уравновешивают при 150oC. Посредством подачи достаточного количества этилена в реакторе устанавливают парциальное давление 150 psig. Водород или сомономеры не добавляют. Раствор катализатора, получение которого описано в примере 2, смешивают с 10%-ным раствором метилалюминийоксана (МАО) в толуоле (реактив фирмы Albemarle Corporation используют без дальнейшей очистки). Смесь перемешивают в течение 15 мин. Для инициирования полимеризации в реактор вводят 10 мл полученной смеси. В таблице 3 указаны количества катализатора и МАО, содержащиеся в 10,0 мл смеси, а также условия проведения полимеризации. Посредством подачи этилена в реакторе поддерживают постоянное давление. По истечении 15 мин поток этилена останавливают, реакционную смесь переносят в сосуд, содержащий раствор антиоксиданта в Isopar G. Раствор охлаждают до комнатной температуры в течение ночи. Фильтрованием в вакууме полимер отделяют от растворителя, высушивают в вакуум-сушильном шкафу в течение ночи и взвешивают. Масса полимера составляет 12,1 г. MI2 полученного полимера составляет 118 г/мин. Дополнительные характеристики полученного полимера приведены в таблице 2. ПРИМЕРЫ 14-18 Эмульсионную полимеризацию проводят аналогично способу, описанному в примерах 3-11. При этом используют катализатор, получение которого описано в примере 1. Условия проведения полимеризации приведены в таблице 3. Свойства полученных полимеров представлены в таблице 4. Из приведенной таблицы видно, что катализатор обладает высокой активностью и позволяет получать полимер с высокой степенью кристалличности и плотностью. Низкие значения MFR указывают на то, что полимер имеет узкое молекулярно-массовое распределение. Формула изобретения
где L – лиганд формулы (II) L’ – циклопентадиенил, пентаметилциклопентадиенил; X – галоген; M – титан, цирконий или гафний; R1 – алкил C1 – C12; R2 – алкил C1 – C12; R3 – водород; n = 0, 1, 2, 3; Lв – необязательно основание Льюиса. 2. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что лиганд L’ – циклопентадиенил или пентаметилциклопентадиенил, X – хлор, M – цирконий, R1 – алкил C3 – C12, R2 – трет-бутил, R3 – водород. 3. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что он представляет собой (1-трет-бутил-2-метил-n5-1,2-азаборолинил)цирконий трихлорид. 4. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что M – цирконий. 5. Способ получения поли--олефина, включающий полимеризацию –-олефинового мономера в присутствии катализатора в виде азаборилинильного комплекса металла, отличающийся тем, что используют катализатор по п.1. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что полимеризацию проводят в присутствии катализатора указанной формулы, в которой X – хлор. 7. Способ по п.5, отличающийся тем, что полимеризацию проводят в присутствии катализатора указанной формулы, в которой M – цирконий. 8. Способ по п.5, отличающийся тем, что полимеризацию проводят в присутствии катализатора указанной формулы, в которой R1 – алкил C3 – C12. 9. Способ по п.5, отличающийся тем, что используют катализатор, в котором R2 – трет-бутил. 10. Способ по п.5, отличающийся тем, что полимеризацию проводят в присутствии смеси указанного катализатора с металлоорганическим сокатализатором, содержащей 0,01 – 100000,0 моль сокатализатора на 1 моль указанного катализатора. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что в качестве металлоорганического сокатализатора используют метилалюмоксан. 12. Способ по п.5, отличающийся тем, что полимеризацию проводят в присутствии смеси указанного катализатора с кислой солью, содержащей некоординационный инертный анион, при содержании ее в смеси около 0,01 – 100000,0 моль на 1 моль указанного катализатора. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что кислая соль представляет собой соединение, выбранное из группы, включающей литий тетракис (пентафторфенил)борат, литий тетракис (пентафторфенил)алюминат, анилиний тетракис (пентафторфенил)борат, N,N-диметиланилиний тетракис (пентафторфенил)борат, тритил тетракис (пентафторфенил)борат или их смеси. 14. Способ получения поли--олефина, включающий полимеризацию -алефинового мономера в присутствии катализатора в виде азаборолинильного комплекса металла, отличающийся тем, что используют катализатор общей формулы где L – лиганд формулы L’ – циклопентадиенил или пентаметилциклопентадиенил; X – хлор; M – цирконий; R1 – алкил C3 – C12; R2 – трет-бутил; R3 – водород; n = 0, 1, 2, 3; Lв – необязательно основание Льюиса. 15. Способ по п.14, отличающийся тем, что катализатор представляет собой (1-трет-бутил-2-метил-n5-1,2-азаборолинил)цирконий трихлорид. РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 19.03.2002
Номер и год публикации бюллетеня: 5-2004
Извещение опубликовано: 20.02.2004
|
||||||||||||||||||||||||||