Код документа: RU2081876C1
Изобретение касается, в первую очередь, новых мостиковых хиральных металлоценов, которые могут быть выгодно использованы для получения высокомолекулярного полиэтилена или полимеров высших α -олефинов с заданной степенью тактичности.
Высокомолекулярный полиэтилен пригоден для изготовления полых тел и прессованных изделий, в то время как полимеры с заданной тактичностью могут быть применены, к примеру, в качестве стеклопластика и для изготовления кровельных покрытий.
Мостиковые металлоцены в комбинации с алюмоксанами являются высокоактивными стереоспецифическими катализаторами для производства полиолефинов (патент США N 4769510). Каталитические свойства этой системы и структура полученного полимера могут быть установлены, в основном, по структуре лигандной системы на центральном атоме металлоцена. При этом наряду с электронными и стерическими факторами большую роль играет симметрия лигандной системы (New. J. Chem. 102 (1990) 499).
Если при полимеризации такого I-олефина, как пропилен, используются ахиральные металлоцены, то образуется атактический полипропилен.
Если при полимеризации пропилена используются хиральные металлоцены с C2-симметричной лигандной системой, такие как мостиковые бис-инденил-системы или мостиковые замещенные бис-циклопентадиенил-системы, то образуется изотактический полипропилен (европейский патент A 185918).
Если при полимеризации пропилена используются такие металлоцены с C5-симметричной лигандной системой, как мостиковые циклопентадиенил-флуоренил-системы, то образуется синдиотактический полипропилен (европейский патент A351391).
Если при полимеризации пропилена применяют хиральные металлоцены с несимметричной лигандной системой, такие как мостиковые циклопентадиенил-инденил-системы, то образуются изоблок-структуры (патент Германии OS 3829075).
Таким образом, для полимеризации олефинов большой интерес представляет использование широких структурных вариантов мостиковых металлоценов в качестве катализаторов.
До настоящего времени были известны мостиковые металлоцены, для которых в качестве p-лигандов выступали циклопентадиенил/ циклопентадиенил-, циклопентадиенил/инденил-, циклопентадиенил/ флуоренил- и инденил/инденил-комбинации, так же как и их замещенные производные (J. Organomet. Chem. 288 (1985) 63, EP-A 316155).
При синтезе инденил/инденил- и циклопентадиенил/циклопентадиенил-комплексов всегда образуются две структурно-изомерные формы: рацемическая и мезо-форма. Содержание изомеров составляет, как правило, 1:1. Разделение этих обеих форм препаративно дорого и во многих случаях частично или вообще невозможно. Кроме того, выход желаемой рацемической формы в результате этого очень незначителен.
Для стереоспецифической полимеризации I-олефинов в качестве катализаторов должны быть применены чистые рацематы, так как мезо-формы полимеризуются неспецифически.
Задача, которая может быть разрешена с помощью данного изобретения, состоит, таким образом, в том, чтобы найти новые классы соединений хиральных металлоценов, благодаря которым можно было бы отказаться от дорогостоящего отделения мезо-формы.
Таким образом, изобретение касается соединений
формулы I:
R1 остаток
При этом "алкил" означает линейный или разветвленный алкил и галоген - фтор, хлор, бром или йод, предпочтительно хлор.
В формуле I предпочтительным является то, что М1 означает титан, цирконий или гафний, М2 означает углерод или кремний, R4 и R5 одинаковы и означают водород или C1-C4-алкилгруппу, р равно 1 или 2, R2 означает водород или C1-C4-алкилгруппу и остатки R3 одинаковы и означают галоген или C1-C4-алкилгруппу.
Особо предпочтительным является, что М1 цирконий, М2 означает углерод или кремний, R4 и R5 одинаковы и означают метил или этил, р равно 1, R2 означает водород или метильную группу и остатки R3 одинаковы и означают хлор или метил.
В качестве предпочтительных представителей металлоценов согласно изобретению могут быть названы изопропилиден (9-флуоренил)-(1-инденил)циркондихлорид и диметилсилил (9-флуоренил)-(1-инденил)циркондихлорид.
Металлоцены являются хиральными и при синтезе получаются в виде рацематов. Из симметричных исходных не может образовываться нежелательная мезо-форма. При полимеризации олефинов в качестве компонента катализатора предпочтительно вводить рацемат. Также в качестве катализатора полимеризации можно применять чистую R- или S-форму.
Разделение стереоизомеров, в принципе, известно.
Данное изобретение, кроме того, касается способа получения металлоценов I, отличающегося тем, что:
а) при взаимодействии соединения формулы II
Лигандная система формулы VI может быть превращена по известным методам (J. Organomet. Chem. 288 (1985) 63) в металлоцендихлориды и действием алкилирующих агентов, например литийалкилов, по известным в литературе методам (J. Amer. Chem. Soc. 95 (1973) 6263) к металлоценам общей формулы I по схеме, представленной ниже.
Инденил-анион получен депротонированием соответствующего индена или замещенного индена (получение см. в варианте б)) сильным основанием в вышеуказанных растворителях. Для этого пригодны бутиллитий, гидрид натрия, гидрид калия, амид натрия или элементарные натрий или калий.
После гидролитической обработки реакционной смеси лигандную систему формулы VI можно изолировать и очистить, применяя экстракцию, перекристаллизацию или колоночную хроматографию.
Вариант способа б) для соединений формулы I, где
R1 остаток
В замещенные бензофульвены их превращают по известным в литературе методам взаимодействием с кетонами нижеприведенной формулы и основаниями, такими как метилат натрия в этаноле (Bull. Soc. Chim. Fr. 11 (1973), 3092; Bull. Soc. Chim. Fr. 3 (1967)987; J. Org. Chem. 55 (1990) 247). Затем их вводят в реакцию с анионом флуорена, который может быть замещенным, в инертном растворителе при мольрном соотношении от 0,5 1 до 1 0,5, предпочтительно - 1 1. В качестве растворителей подходят алифатические или ароматические углеводороды или эфиры. Особенно предпочтительны тетрагидрофуран, диэтиловый эфир и толуол. Можно сначала взять бензофульвен или флуоренил-компоненты и затем добавить к ним другие компоненты, предпочтительно бензофульвен прикапывать к флуоренил-компоненту. Температура реакции лежит в интервале от -78 до +120oC, предпочтительно в интервале от -40 до +40oC. Время реакции составляет от 1 до 100 часов, предпочтительно от 8 до 24 часов.
Флуоренил-анион получается депротонированием коммерчески приготовленного производного флуорена сильным основанием в вышеприведенных растворителях. Пригодными являются бутиллитий, гидрид натрия, гидрид калия, амид натрия и элементарные натрий и калий.
Лигандные системы формулы VI после гидролитической обработки можно изолировать и очистить, применяя экстракцию, перекристаллизацию или колоночную хроматографию.
Металлоцены формулы I пригодны в качестве компонентов катализатора для полимеризации олефинов.
Данное изобретение, таким образом, касается также применения металлоценов в качестве компонента катализатора полимеризации олефинов.
В качестве катализатора полимеризации олефинов предпочтительно применяется алюмоксан формулы
(A)
Остатки R предпочтительно одинаковы и означают метил, изобутил, фенил или бензил, особо предпочтителен метил.
Если остатки R различны, то они содержат предпочтительно метил и водород или альтернативно метил и изобутил, причем водород или, соответственно, изобутил предпочтительно содержатся в количестве от 0,01 до 40% (число остатков R).
Алюмоксан может быть получен различными методами по известным способам. Один из методов заключается в том, что соединение алюминий-углеводорода и/или соединение гидридалюминия-углеводорода взаимодействует с водой (газообразной, твердой, жидкой или связанной, например в виде кристаллической воды) в инертном растворителе. Для получения алюмоксана с различными алкильными группами R взаимодействию с водой подвергают соответственно требуемому составу два различных алюминийалкила
Точная структура алюмоксана A и B не известна.
Независимо от метода получения изменяющийся состав всех растворов алюмоксанов является общим в расчете на непрореагировавшее исходное соединение алюминия, которое представлено в свободной форме или в виде аддукта.
Представляется возможным предактивировать металлоцен перед реакцией полимеризации с алюмоксаном формулы A и/или B. Благодаря этому полимеризационная активность отчетливо повышается и улучшается морфология частиц.
Предактивирование соединения переходного металла производят в растворе. При этом предпочтительно металлоцен растворить в растворе алюмоксана в инертном углеводороде. В качестве инертного углеводорода пригоден алифатический или ароматический углеводород. Предпочтительно применять толуол.
Концентрация алюмоксана в растворе лежит в интервале от примерно 1 мас. до границы насыщения, предпочтительно от 5 до 30 мас. смотря по обстоятельствам, в расчете на общий раствор. Металлоцен можно применять в равной концентрации, предпочтительнее все же использовать его в количестве от 10-4 до 1 моль на моль алюмоксана. Время предактивирования составляет от 5 минут до 60 часов, предпочтительно от 5 до 60 минут. Работают при температуре от -78 до 100oC, предпочтительно от 0 до 70oC.
Металлоцен также можно предполимеризировать или наносить на носитель. Для предполимеризации предпочтительно применять олефин(ы) (или один из них), используемый(мые) в полимеризации.
Предпочтительными носителями являются, к примеру, силикагель, окись алюминия, твердые алюмоксаны и другие неорганические носители. Пригодным носителем является также порошок полиолефина в тонкоизмельченной форме.
Кроме того, вместо или наряду с алюмоксаном в качестве катализатора применяются соли формулы RXH4-XBR'4 или формулы R3RHBR'4. При этом X 1, 2 или 3, R алкил или арил, одинаковые или различные, и R' арил, который также может быть фторированным или перфторированным. В этом случае катализатор состоит из продукта реакции металлоцена с одним из указанных соединений (см. европейский патент A 277004).
Полимеризацию или сополимеризацию проводят известным способом в растворе, суспензии или в газовой фазе, непрерывно или периодически, одно- или многоступенчато при температуре от 0o до 150oC, предпочтительнее от 30o до 80oC. Полимеризуются или сополимеризуются олефины формулы Ra-CH CH-Rb. В этой формуле Ra и Rb одинаковы или различны и означают атом водорода или алкильный остаток с 1-4 атомами C.
Преимущественно полимеризуют пропилен и этилен.
В качестве регулятора молекулярной массы в случае необходимости добавляют водород. Общее давление полимеризационной системы составляет от 0,5 до 100 бар. Предпочтительно проводить полимеризацию в технически особо интересном интервале давлений от 5 до 64 бар.
При этом металлоцен применяется в концентрации, рассчитанной на переходный металл, от 10-3 до 10-8, предпочтительно от 10-4 до 10-7 моль переходного металла на дм3 растворителя или, соответственно на дм3 объема реактора. Алюмоксан применяется в концентрации от 10-5 до 10-1 моль, предпочтительно 10-4-10-2 моль на дм3 растворителя или, соответственно, на дм3 объема реактора. Но принципиально возможны также более высокие концентрации.
Если проводить полимеризацию в суспензии или в растворе, то применяется инертный растворитель, используемый в способе при пониженном давлении по Циглеру. Работают, к примеру, в алифатическом или циклоалифатическом углеводороде; в качестве такого растворителя можно назвать бутан, пентан, гексан, гептан, изоктан, циклогексан, метилциклогексан.
Кроме того, можно использовать бензиновую или гидрированную фракцию дизельного масла. Пригоден также толуол. Предпочтительно полимеризовать в жидком полимере.
Если применяют инертные растворители, то мономеры дозируют в газообразном или жидком виде.
Продолжительность полимеризации любая.
Все нижеследующие операции в случае, если ничего другого не указано, проводятся в атмосфере аргона.
Пример 1. Изопропилиден (9-флуоренил)-1-инден
(1)
Раствор 10,2 г (60,2 ммоль) флуорена и 65 мл тетрагидрофурана смешивали при комнатной температуре с 24,1 мл (60,2 ммоль) 2,5 М раствора бутиллития в гексане. По окончании кипятили еще в
течение 1 часа с обратным холодильником. 9,9 г (60,2 ммоль) бензофульвена (получение по Annalen 347 (1906) 257) растворили в 50 мл тетрафурана, и в течение 4 часов прикапывали его при комнатной
температуре к красному раствору литий-флуорена. По окончании раствор в течение 16 часов перемешивали при комнатной температуре и еще 2 часа кипятили с обратным холодильником. Темно-коричневую смесь
вылили в лед и экстрагировали метиленхлоридом. Объединенные органические фракции сушили сульфатом натрия и досуха упарили. Остаток хроматографировали на 550 г кизельгеля элюентом из
гексана/метиленхлорида, причем содержание метиленхлорида в процессе хроматографирования постепенно повышали от 3 до 8%
Прежде всего элюировалось 6 г смеси, состоящей из флуорена и
бензофульвена. В конце элюировалось 2,8 г (14%) соединения 1 (бесцветное вещество).
Выход 14% (18% в расчете на прореагировавший эдукт)
1H-ЯМР-спектр (CDCl3): 7,0-8,1 (12, м, аром.-H), 6,0 (1, т, инд.-H), 4,75 (1, с, флу-H), 3,42 (2, д, инд-H2), 1,20 (6, с, CH3).
Пример 2. Изопропилиден-(9-флуоренил)-1-иден (1)
Аналог примера 1, только раствор бензофульвена в течение 4 часов прикапывали к раствору литий-флуорена при кипячении. По окончании перемешивали при комнатной температуре в течение 17 часов и далее
кипятили 4 часа с обратным холодильником. Обработка такая же, как в примере 1. Хроматографированием на колонке получено 3,2 г соединения 1 (бесцветный кристаллический порошок).
Выход 17% (22% в расчете на прореагировавший эдукт).
Пример 3. Изопропилиден-(9-флуоренил)-1-инден (1)
Аналог примера 1, только раствор бензофульвена прикапывали к раствору
литий-флуорена в течение 20 минут при -78oC. Смесь в течение 17 часов нагревалась до комнатной температуры и 1 час перемешивалась при комнатной температуре. Обработка такая же, как и в
примере 1. Колоночным хроматографированием выделено 9,8 г соединения I в форме белого кристаллического порошка.
Выход 51%
Пример 4.
[Изопропилиден-(9-флуоренил)-(1-инденил)]циркондихлорид (2)
3,2 г (9,9 ммоль) лигандной системы 1 суспендировали в 45 мл диэтилового эфира и смешали при комнатной температуре с 8,7 мл (21,8
ммоль) 2,5 М раствора бутиллития в гексане, причем суспензия сразу же растворилась и приобрела светло-желтую окраску. После перемешивания в течение 21 часа при комнатной температуре получившуюся
оранжевую суспензию смешали с 8 мл гексана. Оранжеовоокрашенный осадок отсосали на стеклянном фильтре N 3, промыли гексаном и в течение 6 часов сушили в вакууме масляного насоса. Светло-красный
порошок суспендировали в 30 мл толуола и при 0oC смешали с 2,3 г (9,9 ммоль) ZrCl4. После 30- минутного перемешивания при комнатной температуре образовавшийся осадок
отфильтровали, промыли 10 мл толуола и высушили в вакууме масляного насоса. Получено 4,4 г комплекса 2 в виде красно-фиолетового порошка.
Выход сырого продукта 92%
Для
дальнейшей очистки соединения осадок при -30oC размешали с небольшим количеством тетрагидрофурана, чтобы растворить примеси.
Выход чистого продукта 30%
Масс-спектр
(прямой ввод, ЭИ (70 эВ), Cl (изобутан)): 480 М+ (корректный распад).
1H-ЯМР спектр (CDCl3): 6,7-8,1 (12, аром-Н), 6,50 (1, дд, β-инд-Н), 6,07 (1, д, a-инд-Н), 2,92 (3, с, CH2), 2,60 (3, с, CH3).
Пример 5. [Изопропилиден-(9-флуоренил)-(1-инденил)] циркондихлорид (2)
3,0 г (9,3 ммоль) лигандной
системы 1 аналогично примеру 1 смешали в диэтиловом эфире с бутиллитием и обработали. Однако дилитиевую соль добавили к суспензии из 2,0 (8,4 ммоль) ZrCl4 в 40 мл толуола при -78o
C. Смесь в течение 80 минут нагревалась до 0oC и еще 30 минут перемешивалась при 0oC. Красно-фиолетовый осадок отфильтровали, высушили в вакууме масляного насоса и при -40oC перемешали с 10 мл ТГФ, чтобы растворить примеси. Красно-фиолетовую суспензию отфильтровали на стеклянном фильтре N 3. После высушивания в вакууме масляного насоса получено 1,6 г комплекса 2
в виде красно-фиолетового порошка.
Выход 40% (корректный1H-ЯМР-спектр и масс-спектр).
Пример 6. Диметилсилил-(9-флуоренил)-1-инден (3)
Раствор из
10 г (60,2 ммоль) флуорена в 100 мл тетрагидрофурана при комнатной температуре смешали с 24 мл (60,2 ммоль) 2,5 М раствора бутиллития в гексане и еще 30 минут кипятили с обратным холодильником.
Красный раствор медленно прикапывали при комнатной температуре к 23,2 г (180 ммоль) диметилдихлорсилана, растворенного в 150 мл тетрагидрофурана. После 16-часового перемешивания при комнатной
температуре растворитель удалили и оставшееся желтоватое масло освободили в вакууме масляного насоса от избытка диметилдихлорсилана. Желтоватое твердое вещество растворили в 100 мл тетрагидрофурана и
при комнатной температуре медленно смешали с 60,2 ммоль литий-инденила, полученного из 7,6 г (60,2 моль) индена и 60 моль бутиллития в 100 мл тетрагидрофурана. После 16-часового перемешивания при
комнатной температуре смесь вылили в лед, нейтрализовали и экстрагировали диэтиловым эфиром. Осадок, оставшийся после удаления растворителя, хроматографировали на кизельгеле 60. Прежде всего элюентом
из гексана/этилацетата (10 1) элюировалась смесь, состоящая из индена и флуорена. Далее следовал продукт 3 и, наконец, соединение диметилсилил-бис-(9-флуорен). Для дальнейшей очистки смешанную фракцию
еще раз хроматографировали элюентом, состоящим из гексана/диэтилового эфира (40 1). В общем получили 1,9 г чистого соединения 3 в виде белого порошка.
Выход 10%
1
H-ЯМР-спектр (CDCl3): 2 изомера с двойными связями (A B 2 1), 7,0-7,9 (аром-Н), 6,82 (м, инд-H, A), 6,20 (т, инд-H, B), 6,32 (дд, инд-H, A), 4,17 (с, флу-H, B), 4,05 (с, флу-H, A), 3,57 (и,
инд-H, A), 3,40 (д, инд-Н, В), многочисленные сигналы CH3-группы в области 0-1 м.д.
Пример 7. [Диметилсилил-(9-флуоренил)-(1-инденил)] циркондихлорид (4) 1,84 г (5,44 ммоль) лигандной системы 3 растворили в 20 мл диэтилового эфира и при комнатной температуре медленно смешали с 5,44 мл (13,6 моль) 2,5 М раствора бутиллития в гексане. После 4-часового перемешивания оранжево-желтую суспензию смешали с гексаном и отфильтровали на стеклянном фильтре N 3. Оранжево-желтый порошок промыли 10 мл гексана и долго сушили в вакууме масляного насоса. 1,16 г (5,0 моль) ZrCl4 суспендировали в 20 мл CH2Cl2 и при -78oC смешали с дилитиевой солью. Смесь в течение 2 часов нагревали до комнатной температуры и отфильтровали на стеклянном фильтре N 3. Твердое вещество промыли еще 5 мл CH2Cl2 и высушили в вакууме масляного насоса. Получено 1,2 г комплекса 4 в виде розово-окраженного порошка.
Выход сырого продукта 46%
Для полной очистки комплекса сырой продукт перемешивали при 0oC с небольшим количеством тетрагидрофурана, причем примеси переходили в
раствор.
Выход чистого продукта 25%
Масс-спектр (прямой ввод, ЭИ (80 эВ)): 496 М+ (корректный распад, корректный изотопный образец).1H-ЯМР-спектр
(CDCl3) 6,9-8,1 (м, 12, аром-Н), 6,77 (дд, 1, b-инд-Н), 5,95 (д, 1, a-инд-Н, 1,55 (с.3, CH3), 1,27 (c, 3, CH3).
Пример 8.
[Диметилсилил-(9-флуоренил)-(1-инденил)]гафнийдихлорид (5)
1,50 г (4,43 моль) лигандной системы 3 растворили в 20 мл диэтилового эфира и аналогично примеру 7 ввели в реакцию с бутиллитием и
обработали. По окончании аналогично примеру 7 при -78oC дилитиевую соль смешали с 1,42 г (4,43 ммоль) HfCl4 в метиленхлориде и обработали. В качестве сырого продукта получено 1,
09 г комплекса 5 в виде красного порошка.
Выход сырого продукта 42%
Для очистки порошок перемешивали при -10oC с небольшим количеством ТГФ.
Выход
чистого продукта 20%
Масс-спектр (прямой ввод, ЭИ (80 эВ)): 587 М+ (ср.180Hf, корректный распад, корректный изотопный образец).1H-ЯМР-спектр (CDCl3): 7,0-8,1 (м, 12, аром-Н), 6,61 (дд, 1, b-инд-Н), 5,89 (д, 1, a-инд, Н), 1,53 (с, 3, CH3), 1,25 (с, 3, CH3).
Примеры полимеризации
Пример А.
Сухой реактор объемом 16 дм3 промыли азотом и при 20oC наполнили 10 дм3 безароматической бензиновой фракции с интервалом кипения 100-120oC. Затем газовую
камеру промывали от азота путем 5-кратного закачивания этилена до давления 2 бар и сброса давления. Затем добавили 30 см3 толуольного раствора метилалюмоксана (соответствующие 45 ммоль Al,
молекулярная масса после криоскопического определения 750 г/моль).
Реакционную смесь нагревали при перемешивании в течение 15 минут при 60oC, и добавлением этилена при скорости перемешивания 250 об./мин установили общее давление 5 бар.
Параллельно с этим в 20 см3 толуольного раствора метилалюмоксана растворили 1,3 мг диметилсилил (9-флуоренил)-(1-инденил)циркондихлорида и на 15 минут оставили предактивироваться. Затем этот раствор добавили в реактор, полимеризационную систему выдерживали при температуре до 70oC при соответствующем охлаждении в течение 1 часа. Общее давление в течение этого времени держали путем соответствующей подпитки этиленом 5 бар.
Получено 140 г полиэтилена. Коэффициент вязкости составлял 380 см3/г.
Пример В. Сухой реактор объемом 16 дм3 промыли азотом и наполнили 10 дм3 жидкого пропилена. Затем добавили 30 см3 толуольного раствора метилалюмоксана (соответствующие 45 ммоль Al, степень олигомеризации n 16), и реакционную смесь 15 минут перемешивали при 30oC.
Параллельно с этим в 20 см3 толуольного раствора метилалюмоксана (30 моль Al) растворили 30,4 мг изопропилиден (9-флуоренил)-(1-инденил)циркондихлорида и оставили на 15 минут предактивироваться.
Затем раствор добавили в реактор, путем подвода тепла температура полимеризации поднималась до 70oC (4oC/мин), и полимеризационная система при охлаждении выдерживалась 1 час при 70oC. Полимеризацию остановили добавлением 20 мл изопропанола. Избыток мономера слили. Получено 170 г высоковязкого, липкого масла.
Мостиковые хиральные металлоцены, получаемые по изобретению, применяют в качестве компонента катализаторов
полимеризации олефинов. Металлоцены имеют формулу (I), где М1 предпочтительно означает титан, цирконий или гафний, R1 означает остаток