Катализатор на основе мостикового бис(фенокси-иминного) комплекса, способ его приготовления и процесс полимеризации этилена с его использованием

Катализатор на основе мостикового бис(фенокси-иминного) комплекса, способ его приготовления и процесс полимеризации этилена с его использованием

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области химической промышленности, в частности к созданию более стойких к полярным средам, высокоактивных гомогенных катализаторов, позволяющих получать линейные, высококристаллические высоко- и сверхвысокомолекулярные ПЭ.

Известны катализаторы полимеризации этилена на основе бис(фенокси-иминных) комплексов с диарильными мостиками общей формулы:

где М=Zr, Hf.

[1. Woodman P.R., Minslow J.J., Hitchcock P.В., Scott P. Non-planar co-ordination of C₂-symmetric biaryl-bridged Schiff-base ligands: well expressed chiral ligand environments for zirconium. H. Chem. Soc. Dalton Trans., 1999, 4069-4076], где описан только синтез катализаторов.

В патенте [2. Fujimoto, Makino Т., Tokimitsu. JP 308843, C07C 251/16, C07F 11/00, C08A 4/69, 2002] показано, что мостиковый комплекс хрома с бис(фенокси-иминным) лигандом строения

с активатором AlEt₂Cl при полимеризации этилена имеет очень низкую активность (68 г_ПЭ/ммоль_кат.·ч).

Наиболее близкой по технической сущности к настоящему изобретению является работа [3. Ishii S.-I., Mitani M., Saito J., Matsuura S., Furuyama R., Fujita T. Ethylene Polymerization Behavior of Polymethylene-Bridged Bis(Phenoxy-Imine)Zr Complexes. Stud. Surf. Sci. Catal. 2002, V.145, P.49-54] по исследованию серии катализаторов на основе хлорида циркония, содержащих полиметиленовые мостики и имеющих общую формулу:

где R - 1-адамантил, n=2...6 или R=кумил, n=4, 6.

При полимеризации этилена на таких комплексах в присутствии МАО активность каталитических систем возрастает с увеличением количества метиленовых звеньев в мостике до n=4 и 6. Исследователями показано, что в случае, когда R=1-адамантил, а n=6 с увеличением температуры полимеризации от 25 до 50 и 75°С активность возрастает (время полимеризации - 5 мин), соответственно от 2640 до 9580 и 10780 кг_ПЭ/моль_кат.·ч, при этом ММ полиэтилена изменяется от 45000 до 39000 и 23000. В случае, когда R=кумил и n=6, в аналогичных условиях активность меняется от 9060 до 58380 и 103800 кг_ПЭ/моль_кат.·ч, a MM - от 38000 до 15000 и 9000. На наш взгляд, присутствие в структуре комплекса мостиковой связи сказывается на сверхвысокой активности катализатора. Известно, что активность практически всех комплексов Zr резко снижается с течением времени полимеризации, поэтому ни в одной из зарубежных публикаций не приводится кинетических кривых процесса (например, полимеризации этилена). В частности, в рассматриваемой работе время реакции ограничено 5 мин, а активность рассчитывается за час. Основным недостатком таких катализаторов является низкая ММ получаемых полимеров, а при сверхвысокой активности образуются не полимерные продукты, а олигомеры.

Как отмечено в работе [4. R.Furuyama, J.Saito, M.Mitani, H.Makio, H.Yanaka, T.Fuhita. Polyolefin structural control using phenoxy-imine ligated group 4 transition metal complex catalysts. E-Polymers, 2003, No.021, P.1-25] MM полиолефинов, получаемых с использованием комплексов Zr, можно увеличить за счет использования в качестве сокатализаторов Al(i-С₄Н₉)₃/Ph₃СВ(С₆F₅)₄ вместо МАО, однако при этом резко (почти на два порядка) снижается активность процесса полимеризации, что приводит к потере всего преимущества в активности мостикового каталитического комплекса.

Таким образом, бис(фенокси-иминные) комплексы циркония с полиметиленовыми мостиками, синтезированные и проверенные в условиях полимеризации этилена, не позволяют получать полимер с ММ, характерными для высокомолекулярных соединений.

Изобретение решает задачу синтеза новых мостиковых бинарных бис(фенокси-иминных) комплексов титана для осуществления высокоэффективной полимеризации этилена с получением высоко- и сверхвысокомолекулярных полиэтиленов.

Задача решается за счет использования бинарных (двойных) бис(фенокси-иминных) комплексов, содержащих присоединенные к иминному азоту фенильные группы, связанные попарно метиленовым (-СН₂-) мостиком, и имеющих общую структуру

где R¹=кумил, изоборнил; R²=Me, кумил.

В качестве сокатализатора используют метилалюмоксан (МАО).

Полимеризацию проводят при давлениях этилена 0.1-0.8 МПа и температурах 30-80°С. В качестве углеводородных растворителей применяют, например, толуол, н-гексан, бензин и др.

Молекулярную массу (MM) определяют вискозиметрически в растворе декалина при 135°С; в зависимости от величины ММ навеска полимера для определения характеристической вязкости [η] полимера колеблется от 0.007 до 0.001 г. ММ рассчитывают по формуле [5. Chiang R. J.Polym.Sci. 1959. V.36. P.91]:

[η]=6.2·10^-4 M^0.73

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Синтез комплекса бис{дихлорид[4,4'-бис(имино(3,5-дикумил-салицилиден))-дифенилметан]титана (IV)} (А)

1.1. Синтез лиганда

Смесь 0.361 г (1 ммоль) 3,5-дикумилсалицилового альдегида, 15 мл метанола, 0.100 г (0.5 ммоль) 4,4'-диаминодифенилметана кипятят при перемешивании с обратным холодильником 4 ч до исчезновения исходных веществ по ТСХ. Из охлажденной реакционной смеси отфильтровывают осадок оранжевого цвета 0,485 г (98%), т.пл.>250°С. ИК спектр, ν, см^-1: 1618 (N=C). Спектр ЯМР ¹H, δ, м.д, CCl₄: 1.65-1.67 с (24Н, 8СН₃), 3.90 с (2Н, СН₂), 6.92-7.28 м (32Н, 32Н_аром), 8.43 с (2Н, 2CH=N), 13.00 с (2Н, 2OН). Найдено, %: С 85.84; Н 6.94; N 3.11. C₆₃H₆₂N₂O₂. Вычислено, %: С 86.07; Н 7.40; N 3.18.

1.2. Синтез комплекса А.

Смесь 0.221 г (0.25 ммоль) лиганда, 10 мл абсолютного хлористого метилена, 1.84 г (0.25 ммоль) раствора TiCl₂(OⁱPr)₂ в абсолютном толуоле (0.153 моль/л) перемешивают под аргоном 5 ч. Растворители отгоняют в вакууме, остаток выдерживают в вакууме масляного насоса при температуре 100°С 1.5 ч и перекристаллизовывают из смеси гексан/СН₂Cl₂. Получают 0.372 г (75%) темно-фиолетового порошка. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д., CDCl₃: 1.15-2.05 с (66Н, 22СН₃), 3.60-4.00 м (10Н, 2СН₂, 3СН, 30Н), 6.52-8.48 м (68Н, 64Н_аром., 4·N=CH). Найдено, %: С 74.37; Н 6.44; N 2.25; Cl 6.95. С₁₂₆Н₁₂₀Cl₄Н₄O₄Ti₂·3С₃Н₈O. Вычислено, %: С 74.65; Н 6.68; N 2.58; Cl 6.53.

2. Полимеризация этилена

Полимеризацию этилена проводят в стальном автоклаве с мешалкой емкостью 150 мл, в который в токе аргона загружают 44.7 мл толуола, 4.2·10^-4 моль МАО в 0.3 мл толуола и 8.4·10^-7 моль комплекса А в ампуле, который смывают 5 мл толуола.

Полимеризацию проводят в течение 1 ч при температуре 30°С при давлении этилена 0.3 МПа. Процесс прерывают добавлением в реакционную смесь этилового спирта. Полученную суспензию полимера фильтруют, дважды промывают свежими порциями спирта и сушат при 60°С в вакууме до постоянной массы.

Выход ПЭ 18.65 г, активность 74000 кг_ПЭ/моль_кат.·МПа·ч, М_η=2700·10³, температура плавления полимера Т_пл=142°С, теплота плавления ΔН_пл=239.0 Дж/г.

Пример 2.

Синтез комплекса бис{дихлорид[4,4'-бис(имино(3-(1,7,7-триметилбицикло-[2.2.1]гептан-2-ил)-5-метилсалицилиден))дифенилметан]титана(IV)} (Б)

1.1. Синтез лиганда.

Смесь 0.544 г (2 ммоль) 2-гидрокси-5-метил-3-(1,7,7-триметилбицикло-[2.2.1]гептан-2-ил)бензальдегида, 10 мл метанола, 0.198 г (1 ммоль) 4,4'-диаминодифенилметана, 10 мг муравьиной кислоты (99%) кипятят при перемешивании с обратным холодильником 10 ч до исчезновения исходных веществ по ТСХ. Из охлажденной реакционной смеси отфильтровывают светло-желтый осадок 0.652 г (93%.), т.пл. 179-181°С. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д., CCl₄: 0.78 с (6Н, 2СН₃). 0.84 с (6Н, 2СН₃), 0.89 с (6Н, 2СН₃), 1.30-2.20 м (14Н, 2СН 6СН₂), 2.28 с (6Н, 2СН₃), 3.38 т (2Н, 2СН), 3.99 с (2Н, СН₂), 6.78 с (2Н, 2H_аром.), 7.21 с (2Н, 2Н_аром.), 7.45 с (8Н, 8Н_аром.), 8.57 с (2Н, 2CH=N), 13.37 с (2Н, 2OН). ИК спектр, ν, см^-1: 1616 (C=N). Найдено, %: С 83.26; Н 8.24; N 3.90. М⁺ 678.41449. C₄₉H₅₈N₂O₂. Вычислено, %: C 83.24; Н 8.27; N 3.96. M⁺ 678.41850.

7.2. Синтез комплекса Б.

Смесь 0.333 г (0.47 ммоль) лиганда, 5 мл абсолютного хлористого метилена, 3.100 г (0.47 ммоль) раствора TiCl₂(OⁱPr)₂ в абсолютном толуоле (0.158 моль/л) перемешивают в атмосфере аргона 6 ч. Хлористый метилен отгоняют в вакууме водоструйного насоса, затем толуол в вакууме масляного насоса при температуре 100°С. Остаток выдерживают в вакууме масляного насоса при температуре 100°С 1.5 ч. Получают 0.295 г (76%) черно-коричневого порошка. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д., CDCl₃: 0.74 с (6Н), 0.78-0,85 м (16Н), 1.25-2.50 м (16Н), 3.40-3.65 м (2Н), 3.99 с (2Н, СН₂), 6,82-7,45 м (12Н), 8.60 с (2Н). Найдено, %: С 71.42; Н 7.30; Cl 8.84; N 3.32. C₉₈H₁₁₂Cl₄N₄O₄Ti₂. Вычислено, %: С 71.44; Н 6.85; Cl 8.61; N 3.40.

2. Полимеризация этилена

Полимеризацию проводят в условиях примера 1, но МАО загружают в количестве 4.9·10^-4 моль (0.33 мл), а катализатор Б - в количестве 0.00162 г (9.8·10^-7 моль).

Выход ПЭ 4.65 г, активность 15815 кг_ПЭ/моль_кат.·МПа·час, М_η=2200·10³, Т_пл=142°С, ΔН_пл=226.0 Дж/г.

Примеры 3-11.

Аналогичны примеру 1, но в условиях, представленных в таблице. Полученные результаты также отражены в таблице.

Примеры 12-13 (сравнительные).

Для контрольной проверки был синтезирован комплекс дихлорид {1,6-бис[имино(3-(1,7,7-триметилбицикло[2.2.1]гептан-2-ил)-5-метил-салицилиден)]гексан}титана(IV) (В), по структурной формуле практически аналогичный комплексу циркония, но содержащий в фенокси-группе в орто-положении по отношению к кислороду вместо кумила R¹=изоборнил, a R²=Me, т.е. по строению фенокси-группы идентичный катализатору Б, а по характеру мостиковой полиметиленовой связки - (СН₂)₆- - прототипу на основе Zr.

Структура комплекса В приведена ниже:

Сравнительные примеры аналогичны примеру 1, в условиях, представленных в таблице.

Полученные результаты также отражены в таблице.

Синтез комплекса дихлорид {1,6-бис[имино(3-(1,7,7-триметилбицикло[2.2.1]-гептан-2-ил)-5-метилсалицилиден)]гексан}титана(1У) (В)

1.1.Синтез лиганда

Смесь 0.544 г (2 ммоль) 2-гидрокси-5-метил-3-(1,7,7-триметилбицикло[2.2.1]-гептан-2-ил)бензальдегида, 10 мл метанола, 0.116 г (1 ммоль) 1,6-гексаметилен-диамина, 10 мг муравьиной кислоты (99%) кипятят при перемешивании с обратным холодильником 6 ч до исчезновения исходных веществ по ТСХ. Из охлажденной реакционной смеси отфильтровывают светло-желтый осадок 0.563 г (92%), т.пл. >250°С. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д, CCl₄: 0.77 с (6Н, 2СН₃), 0.82 с (6Н, 2СН₃), 0.87 с (6Н, 2СН₃), 1.35-2.11 м (22Н, 2СН, 10СН₂), 2.25 с (6Н, 2СН₃), 3.30 т (2Н, 2СН), 3.55 м (4Н, 2CH₂·N), 6.71 с (2Н, 2Н_аром), 7.03 с (2Н, 2Н_аром), 8.21 с (2Н, 2CH=N), 13.14 с (2Н, 2OН). ИК спектр, ν, см^-1: 1634 (C=N). Найдено, %: С 80.78; Н 9.64; N 4.41. М⁺ 624.46614. C₄₂H₆₀N₂O₂. Вычислено, %: С 80.72; Н 9.68; N 4.48. М⁺ 624.46548.

1.2. Синтез комплекса В

Смесь 0.156 г (0.25 ммоль) лиганда, 5 мл абсолютного хлористого метилена, 1.650 г (0.25 ммоль) раствора TiCl₂(OⁱPr)₂ в абсолютном толуоле (0.158 моль/л) перемешивают в атмосфере аргона 5 ч. Хлористый метилен отгоняют в вакууме водоструйного насоса, затем толуол в вакууме масляного насоса при температуре 100°С. Остаток выдерживают в вакууме масляного насоса при температуре 100°С 1.5 часа. Получают 0.168 г (78%) черно-красного порошка. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д., CDCl₃: 0.74 с (18Н), 0.78-1.82 м (26Н), 2.33 с (6Н), 3.40-3.65 м (2Н), 7.16 с (2Н), 7.24 с (2Н), 8.03 с (2Н). Найдено, %: С 68.02; Н 7.98; Cl 9.70; N 3.50. Мол. вес: 730; 746. C₄₂H₅₈Cl₂N₂O₂Ti. Вычислено, %: С 68.01; Н 7.88; Cl 9.56; N 3.78. Мол. вес: 741.70.

Таким образом, как показано в примерах 1-11, новые бинарные мостиковые бис(фенокси-иминные) комплексы TiCl₂, содержащие у иминного азота фенильные группы с метиленовой связкой, при полимеризации этилена позволяют получать с высокой активностью высоко- и сверхвысокомолекулярный линейный полиэтилен с повышенными температурными характеристиками.

Сравнительные примеры 12-13 показывают, что бис(фенокси-иминный) комплекс титана, содержащий полиметиленовый мостик (СН₂)_n (n=6), при отсутствии у иминного азота фенильной группы имеет низкую активность (приблизительно в 10-60 раз) по сравнению с предлагаемыми новыми мостиковыми бинарными бис(фенокси-иминными) комплексами на основе титана.

Технический результат - синтез новых высокоактивных гомогенных катализаторов, позволяющих получать линейный ПЭ с высокой и сверхвысокой ММ и повышенной температурой плавления (не менее 141-143°С).

Таблица
№ примера	Комплекс	Кол-во комплекса, мкмоль	MAO:Ti, моль:моль	Рэ, МПа	Tпол., °С	τопыта, мин	Выход ПЭ, г	Активность,	Mη ·10-3	Tпл., °С	ΔНпл., Дж/г
3	А	0.76	500	0.3	30	5	2.64	138950	1050	141.7	253
4	А	0.72	500	0.3	30	15	6.35	117590	1300	142.0	238
5	А	0.89	500	0.5	50	60	19.20	43150	3250	141.2	239
6*	А	1.06	250	0.8	70	60	20.93	24690	2820	142.0	230
7	Б	0.98	500	0.1	30	60	1.42	14490	2565	142.0	225
8	Б	1.0	1000	0.3	30	60	3.90	13000	1865	143.0	233
9	Б	1.86	500	0.3	50	60	7.60	13620	1540	143.0	232
10	Б	1.79	500	0.3	70	60	7.05	13130	850	144.0	246
11*	Б	1.73	500	0.3	80	60	5.50	10600	345	142.0	247
12 контр.	В	3.56	250	0.3	30	60	1.35	1264		140.0	226
13 контр.	В	3.84	250	0.3	50	60	1.64	1424	530	141.0	211
* Пример 6 - в среде н-гексана, пример 11 - в среде бензина

1. Катализатор для процесса полимеризации этилена на основе мостикового бис(фенокси-иминного) комплекса переходного металла, отличающийся тем, что он представляет собой бинарный мостиковый бис(фенокси-иминный) комплекс титана общей формулы

где R¹=кумил, изоборнил; R²=Ме, кумил.

2. Способ приготовления катализатора для процесса полимеризации этилена на основе мостикового бис(фенокси-иминного) комплекса переходного металла по п.1 взаимодействием дииминного лиганда с соединением переходного металла, отличающийся тем, что в качестве компонентов для приготовления дииминного лиганда используют 4,4'-диамонодифенилметан и метил- или кумилпроизводные 3-кумил- или 3-изоборнилсалицилового альдегида, а в качестве соединения переходного металла используют диизопропоксидихлород титана TiCl₂(OⁱPr)₂.

3. Процесс полимеризации этилена в среде углеводородного растворителя в присутствии катализатора на основе мостикового бис(фенокси-иминного) комплекса переходного металла, отличающийся тем, что используют катализатор по п.1 или катализатор, приготовленный по п.2 в сочетании с сокатализатором.

4. Процесс по п.3, отличающийся тем, что полимеризацию проводят при давлении этилена 0,1-0,8 МПа и температуре 30-80°С, в качестве углеводородного растворителя применяют, например, толуол, н-гексан, бензин, а в качестве сокатализатора используют, например, метилалюмоксан.