CN102060946B - 含有苯基的n,n配位的镍乙烯聚合催化剂及制备和应用 - Google Patents

含有苯基的n,n配位的镍乙烯聚合催化剂及制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一类含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂,该催化剂由于苯基的存在而使催化剂金属中心的电子云密度和金属中心周围的空间位阻效应发生变化,进而使得该催化剂在助催化剂氯化二乙基铝的存在下,催化乙烯聚合具有较高的活性(可达到107gPE/(molNi?h?Bar),所得的聚合物具有较高的支化度(可达119个支链/1000C)。因此,在聚乙烯工业中具有很好的应用前景。

Description

含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂及制备和应用
技术领域
本发明属于高分子技术领域,涉及一类用于乙烯聚合的催化剂,尤其涉及一类含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂;本发明同时还涉及该催化剂的制备方法及其在乙烯聚合中的应用。
背景技术
目前,全世界每年聚乙烯和聚丙烯的产量已超过70Mt,这些聚合物在很大程度上改善了人们的日常生活。而高活性烯烃聚合催化剂的发现对合成新的聚合物起了关键性的作用。1995年,Brookhart课题组对α-二亚胺镍、钯催化剂独特催化特性的发现对烯烃聚合的发展产生了巨大的推动作用。由于后过渡金属具有低的亲氧性,能够催化具有某种官能团的极性单体聚合,而且它们还能制得具有某种支链结构的聚合物,近几年来引起了人们广泛的兴趣。
由于后过渡金属催化剂的合成,目前研究最多的主要是对水杨醛亚胺、α-二亚胺及吡啶二亚胺为配体的研究,而且大部分工作集中于在这些催化剂的基体上引入不同的取代基(包括吸电子、供电子基团)对其催化性能的影响(包括催化活性、热稳定性、聚合产物的分子量和规整度等)。
对于α-二亚胺型催化剂,Johnson等认为在苯胺上引入大的取代基,其空间效应以及它们对正方平面络合物实际顶点的空间定位对单体的聚合反应是非常关键的,在催化乙烯聚合时可表现出较高的催化活性,因此,本发明就合成了一类含有苯基的α-二亚胺镍乙烯聚合催化体系,并应用于乙烯聚合。
发明内容
本发明的目的在于提供一类含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂。
本发明的另一目在于是提供一类含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述催化剂在乙烯聚合中的应用。
(一)含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂
本发明涉及的含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂,其结构为:
Figure 2010105933577100002DEST_PATH_IMAGE001
其中,R1、R2、R3为氢、C1~C5 烷基、苯基。
(二)含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂的制备
本发明涉及的含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂的制备方法,包括以下工艺步骤:
(1)苯基取代的苯胺类物质的制备
以PEG-400为溶剂,以醋酸钯为催化剂,在碳酸钾存在的条件下,将苯硼酸与卤代芳烃以1:1.0~1:1.5的摩尔比混合,于20~100℃下反应10~48小时;反应完全后用乙醚萃取,无水硫酸镁干燥,过滤,浓缩,硅胶柱层析分离得苯基取代的苯胺类物质。
所述卤代芳烃为4-溴-2-甲基苯胺,4-溴-2-乙基苯胺,2,6-二甲基-4-溴苯胺,2-甲基-4,6-二溴苯胺。
醋酸钯的用量为苯硼酸摩尔量的0.5~5%。
碳酸钾的用量为卤代苯胺摩尔量的1~3倍。
(2)含有苯基的具有对称希夫碱结构的配体的制备
以无水甲醇为溶剂,以无水甲酸为催化剂,将苯基取代的苯胺类物质与2,3-丁二酮以2:1~3:1的摩尔比混合,于40~60℃下回流反应12~48小时后,除去溶剂,析出固体沉淀,用甲醇洗涤,得粗产品,然后用C2H5OH/CHCl3混合溶剂重结晶,真空干燥得配体。
催化剂无水甲酸的用量为2,3-丁二酮摩尔量的2~10倍。
所述C2H5OH/CHCl3混合溶剂中,C2H5OH与CHCl3的体积比为20:1~1:1。
(3)后过渡金属镍(Ⅱ)配合物催化剂的制备
在氮气保护下,以二氯甲烷为溶剂,将含有苯基的具有对称希夫碱结构的配体与NiBr2-DME以1:1~1:2的摩尔比混合,在室温下搅拌反应8~24小时后,过滤悬浮液,所得母液在真空下除去溶剂后,用乙醚洗涤,真空干燥,得到粉末状固体配合物。
(三)在乙烯聚合中的应用
本发明涉及的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂,由于苯基的存在而使催化剂金属中心的电子云密度和金属中心周围的空间位阻效应发生变化,进而使得此催化剂在助催化剂氯化二乙基铝的存在下,催化乙烯聚合具有较高的活性,所得的聚合物具有较高的支化度。
大量实验证明,在乙烯聚合反应中,反应温度控制在0~100℃,反应时间为5~30分钟,催化剂的用量为40~100umol/L时,该催化体系催化乙烯聚合具有较高的催化活性(可达到107gPE/(mol Ni•h•Bar),而且得到的聚乙烯具有较高的支化度(可达119个支链/1000C)。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明聚乙烯催化体系及其性能作进一步说明。
实施例中使用的原料和试剂:所有金属有机反应都在N2保护下进行,溶剂均经干燥除氧处理,二氯甲烷和邻二氯苯(分析纯),用4Å分子筛预干燥后在N2气氛下经CaH2回流,使用前蒸出。甲苯、乙醚(分析纯),经分子筛脱水后氮气保护下加入金属钠回流,使用前蒸出。 高纯N2和聚合级乙烯单体使用前除氧干燥。 无水甲醇、乙醇、三氯甲烷(分析纯),直接使用。 DME(1,2-二甲氧基乙烷) (分析纯),用4Å分子筛干燥。2,3-丁二酮、4-溴-2-甲基苯胺、4-溴-2-乙基苯胺、2,6-二甲基-4-溴苯胺、2-甲基-4,6-二溴苯胺、醋酸钯、无水溴化镍、氯化二乙基铝(0.9M的甲苯溶液),均为Aldrich公司产品,苯硼酸为北京汇研瑞科产品。 NiBr2-DME的合成参见文献Ward, L. G. L.; Pipal, J. R. Inorganic Syntheses. 1972, 13, 162。
实施例 1
(1)2-甲基-4-苯基苯胺的合成:依次将醋酸钯(0.06mmol,0.0135g)、苯硼酸(4.5mmol,0.5487g)、4-溴-2-甲基苯胺(3mmol,0.5582g)和碳酸钾(6mmol,0.8293g)加入到5mL的聚乙二醇-400溶剂中,在室温下反应24小时,反应后用乙醚萃取,萃取液用无水硫酸镁干燥,过滤,浓缩后采用硅胶柱层析分离得到2-甲基-4-苯基苯胺0.5122g。产率为93.16%。1H NMR(400MHz ,CDCl3):δ=2.28(s,3H),3.69(s,2H),6.79(d,J = 8.0Hz,1H),7.34(m,3H),7.46(m,2H),7.61(m,2H);13C NMR (400 MHz, CDCl3):δ=17.47,115.18,122.48,125.58,126.09,126.38,128.56,129.15,131.57,141.27,144.03。
(2)配体(4-Ph-2-MePh)2DABMe的合成:将2-甲基-4-苯基苯胺0.4581g(2.5mmol)和2,3-丁二酮0.1076g(1.25mmol)溶解于20mL无水甲醇中,在搅拌下滴加0.2mL无水甲酸,在50℃下反应24小时后,除去溶剂得到粗产品,将粗产品用C2H5OH/CHCl3(体积比10:1)重结晶,真空干燥得到淡黄色晶体0.4673g。产率为89.74%。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ=2.17(s,6H),2.21(s,6H),6.75(d,J = 8.4Hz,2H),7.33(m,2H),7.46(m,8H),7.63(m,4H) ;13C NMR (400 MHz,CDCl3):δ=15.71,17.95,118.15,125.07,126.80,126.86,127.35,128.71,129.16,136.88,140.95,148.75,167.82。
(3)配合物NiBr2(4-Ph-2-MePh)2DABMe的合成:在氮气保护下,向100mL干燥的反应管中加入上述配体0.4166g(1mmol),再加入NiBr2-DME 0.3220g(1mmol)和已处理好的二氯甲烷30mL,反应在室温下搅拌16小时,过滤悬浮液,母液在真空下除去溶剂,残留物用乙醚(3×16mL)洗涤三次,真空干燥后得到棕黄色粉末状固体配合物0.4813g,产率为75.78%。
(4)乙烯聚合:将带有磁搅拌子的250mL聚合瓶真空-氮气循环置换三次,在氮气气氛下,加入50mL甲苯溶液,再通入乙烯,使乙烯充分吸收直至饱和,然后用带有刻度的注射器将助催化剂氯化二乙基铝(DEAC)(3.3mL,0.9M,n(Al)/ n(Ni)=600)加入反应瓶中,设定温度为20℃并维持反应搅拌15分钟后,经注射器加入溶解好镍催化剂(5mmol)的邻二氯苯溶液,调节乙烯通入量使聚合体系的压力维持在0.02MPa。 在20℃下,将乙烯聚合反应进行10分钟后,加入5%酸化甲醇终止反应,再加入100mL甲醇振荡,沉淀出聚合产物。 沉淀静置24小时后过滤,用无水甲醇充分洗涤,60 ℃真空干燥48小时,得聚乙烯2.0593g,活性为1.2356×107g PE/(mol Ni•h•Bar)。
(5)聚合产物经差热分析(DSC)和凝胶渗透色谱(GPC)分析,熔点(Tm)为98℃,重均分子量为7.13×104,数均分子量为4.05×104,分子量分布1. 76,支化度为36个支链/1000C。
实施例 2
(1)2-乙基-4-苯基苯胺的合成:依次将醋酸钯(0.06mmol,0.0135g)、苯硼酸(4.5mmol,0.5487g)、4-溴-2-乙基苯胺(3mmol,0.6002g)和碳酸钾(6mmol,0.8293g)加入到5mL聚乙二醇-400的溶剂中,在室温下反应24小时,反应后用乙醚萃取,萃取液用无水硫酸镁干燥,过滤,浓缩后采用硅胶柱层析分离得到2-乙基-4-苯基苯胺0.5364g,产率为90.64%。1H NMR(400MHz ,CDCl3):δ =1.34(t,3H),2.62(q,J =7.6Hz,2H),3.68(s,2H),6.78(d,J = 8.0Hz,1H),7.34(m,3H),7.44(m,2H),7.58(m,2H) ;13C NMR (400 MHz,CDCl3):δ=13.03,24.14,115.65,125.46,126.11,126.44,127.18,128.24,128.57,131.77,141.45,143.45。
(2)配体(4-Ph-2-EtPh)2DABMe的合成:将2-乙基-4-苯基苯胺0.4932g(2.5mmol)和2,3-丁二酮0.1076g(1.25mmol)溶解于20mL无水甲醇中,在搅拌下滴加0.2mL无水甲酸,在50℃下反应24小时后,除去溶剂得到粗产品,将粗产品用C2H5OH/CHCl3(体积比10:1)重结晶,真空干燥得到淡黄色晶体0.4728g,产率为85. 08%。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ =1.15(s,6H),2.15(s,6H),2.52(q,J =7.6Hz,4H),6.66(d,J =7.6Hz,2H),7.26(m,2H),7.37(m,6H),7.44(m,2H),7.57(m,4H) ;13C NMR (400 MHz,CDCl3):δ=14.63,16.02,24.84,121.98,125.27,126.47,126.72,127.00,128.63,129.01,136.16,141.46,147.71,168.21。
(3)配合物NiBr2(4-Ph-2-EtPh)2DABMe的合成:在氮气保护下,向100mL干燥的反应管中加入上述配体0.4446g(1mmol),再加入NiBr2-DME 0.3220g(1mmol)和已处理好的二氯甲烷30mL,反应在室温下搅拌16小时,过滤悬浮液,母液在真空下除去溶剂,残留物用乙醚(3×16mL)洗涤三次,真空干燥后得到棕黄色粉末状固体配合物0.4957g,产率为74.75%。
(4)乙烯聚合:将带有磁搅拌子的250mL聚合瓶真空-氮气循环置换三次,在氮气气氛下,加入50mL甲苯溶液,再通入乙烯,使乙烯充分吸收直至饱和,然后用带有刻度的注射器将助催化剂氯化二乙基铝(DEAC)(3.3mL,0.9M,n(Al)/ n(Ni)=600)加入反应瓶中,设定温度为10℃并维持反应搅拌15 分钟后,经注射器加入溶解好镍催化剂(5 mmol)的邻二氯苯溶液,调节乙烯通入量使聚合体系的压力维持在0.02 MPa。 在10℃下,将乙烯聚合反应进行10 分钟后,加入5%酸化甲醇终止反应,再加入100 mL甲醇振荡,沉淀出聚合产物。 沉淀静置24小时后过滤,用无水甲醇充分洗涤,60 ℃真空干燥48小时,得聚乙烯3.2160g,活性为1. 9296×107gPE/(mol Ni•h•Bar)。
(5)聚合产物经差热分析(DSC)和凝胶渗透色谱(GPC)分析,重均分子量为1.83×105,数均分子量为1.20×105,分子量分布1.53,熔点为126℃,结晶度为10.17%,支化度为3个支链/1000C。
实施例 3
(1)2,6-二甲基-4-苯基苯胺的合成:依次将醋酸钯(0.06mmol,0.0135g)、苯硼酸(4.5mmol,0.5487g)、2,6-二甲基4-溴-苯胺(3mmol,0.6002g)和碳酸钾(6mmol,0.8293g)加入到5mL的聚乙二醇-400溶剂中,在室温下反应24小时,反应后用乙醚萃取,萃取液用无水硫酸镁干燥,过滤,浓缩后采用硅胶柱层析分离得到2,6-二甲基-4-苯基苯胺0.5386g。产率为91.01%。1H NMR(400MHz ,CDCl3):δ=2.15(s,6H),3.54(s,2H),7.13(m,3H),7.30(m,2H),7.47(m,2H);13C NMR (400 MHz,CDCl3):δ=17.37,121.91,125.99,126.43,126.95,128.52,130.92,141.43,142.24。
(2)配体(4-Ph-2,6-MePh)2DABMe的合成:将2,6-二甲基-4-苯基苯胺0.4933g(2.5mmol)和2,3-丁二酮0.1076g(1.25mmol)溶解于20mL无水甲醇中,在搅拌下滴加0.2mL无水甲酸,在50℃下反应24小时后,除去溶剂得到粗产品,将粗产品用C2H5OH/CHCl3(体积比10:1)重结晶,真空干燥得到淡黄色晶体0.4753g。产率为85.53%。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ=2.13(s,6H),2.15(s,6H),7.32(m,6H),7.47(m,4H),7.65(m,4H) ;13C NMR (400 MHz,CDCl3):δ=15.87,18.03,124.94,124.80,125.13,126.83,127.46,128.83,140.95,145.82,168.11。
(3)配合物NiBr2(4-Ph-2,6-MePh)2DABMe的合成:在氮气保护下,向100mL干燥的反应管中加入上述配体0.4446g(1mmol),再加入NiBr2-DME 0.3220g(1mmol)和已处理好的二氯甲烷30mL,反应在室温下搅拌16小时,过滤悬浮液,母液在真空下除去溶剂,残留物用乙醚(3×16mL)洗涤三次,真空干燥后得到棕黄色粉末状固体配合物0.4531g,产率为68.33%。
(4)乙烯聚合:将带有磁搅拌子的250mL聚合瓶真空-氮气循环置换三次,在氮气气氛下,加入50mL甲苯溶液,再通入乙烯,使乙烯充分吸收直至饱和,然后用带有刻度的注射器将助催化剂氯化二乙基铝(DEAC)(3.3mL,0.9M,n(Al)/ n(Ni)=600)加入反应瓶中,设定温度为40℃并维持反应搅拌15分钟后,经注射器加入溶解好镍催化剂(5mmol)的邻二氯苯溶液,调节乙烯通入量使聚合体系的压力维持在0.02MPa。 在40℃下,将乙烯聚合反应进行10 分钟后,加入5%酸化甲醇终止反应,再加入100mL甲醇振荡,沉淀出聚合产物。 沉淀静置24小时后过滤,用无水甲醇充分洗涤,60℃真空干燥48小时,得聚乙烯1. 6112g,活性为0. 9667×107gPE/(mol Ni•h•Bar)。
(5)聚合产物经凝胶渗透色谱(GPC)分析,重均分子量为6.02×104,数均分子量为3.35×104,分子量分布1. 80,支化度为119个支链/1000C。
实施例 4
(1)2-甲基-4,6-二苯基苯胺的合成:依次将醋酸钯(0.06mmol,0.0135g)、苯硼酸(4.5mmol,0.5487g)、2-甲基-4,6-二溴苯胺(3mmol,0.7948g)和碳酸钾(6mmol,0.8293g)加入到5mL的聚乙二醇-400溶剂中,在室温下反应24小时,反应后用乙醚萃取,萃取液用无水硫酸镁干燥,过滤,浓缩后采用硅胶柱层析分离得到2-甲基-4,6-二苯基苯胺0.6125g。产率为78.73%。1H NMR(400MHz ,CDCl3):δ=2.22(s,3H),3.70(s,2H),7.18(m,2H),7.32(m,4H),7.43(m,4H),7.50(m,2H);13C NMR (400 MHz,CDCl3):δ=18.08,122.78,126.19,126.44,126.95,127.25,127.77,128.35,128.60,128.86,129.24,131.03,139.74,141.13,141.18。
(2)配体(4,6-Ph-2-MePh)2DABMe的合成:将2-甲基-4,6-二苯基苯胺0.6484g(2.5mmol)和2,3-丁二酮0.1076g(1.25mmol)溶解于20mL无水甲醇中,在搅拌下滴加0.2mL无水甲酸,在50℃下反应24小时后,除去溶剂得到粗产品,将粗产品用C2H5OH/CHCl3(体积比10:1)重结晶,真空干燥得到淡黄色晶体0.5346g。产率为75.20%。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ=2.08(s,6H),2.39(s,6H),7.12(m,4H),7.24(m,4H),7.30(m,4H),7.36(m,8H),7.58(m,4H) ;13C NMR (400 MHz,CDCl3):δ=18.49,121.97,125.32,126.65,127.13,127.78,127.81,128.76,128.82,129.15,130.14,131.34,139.81,141.25,141.76,167.57。
(3)配合物NiBr2(4,6-Ph-2-MePh)2DABMe的合成:在氮气保护下,向100mL干燥的反应管中加入上述配体0.5688g(1mmol),再加入NiBr2-DME 0.3220g(1mmol)和已处理好的二氯甲烷30mL,反应在室温下搅拌16小时,过滤悬浮液,母液在真空下除去溶剂,残留物用乙醚(3×16mL)洗涤三次,真空干燥后得到棕黄色粉末状固体配合物0.5145g,产率为65.35%。
(4)乙烯聚合:将带有磁搅拌子的250mL聚合瓶真空-氮气循环置换三次,在氮气气氛下,加入50mL甲苯溶液,再通入乙烯,使乙烯充分吸收直至饱和,然后用带有刻度的注射器将助催化剂氯化二乙基铝(DEAC)(3.3mL,0.9M,n(Al)/ n(Ni)=600)加入反应瓶中,设定温度为40℃并维持反应搅拌15分钟后,经注射器加入溶解好镍催化剂(5mmol)的邻二氯苯溶液,调节乙烯通入量使聚合体系的压力维持在0.02MPa。 在40℃下,将乙烯聚合反应进行10分钟后,加入5%酸化甲醇终止反应,再加入100mL甲醇振荡,沉淀出聚合产物。 沉淀静置24小时后过滤,用无水甲醇充分洗涤,60℃真空干燥48小时,得聚乙烯2.0230g,活性为1. 2138×107gPE/(mol Ni•h•Bar)。
(5)聚合产物经差热分析(DSC)和凝胶渗透色谱(GPC)分析,熔点(Tm)为58℃,重均分子量为5.32×104,数均分子量为3.29×104,分子量分布1.62,支化度为113个支链/1000C。

Claims (10)

1.一类含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂,其结构为:
其中,R1为氢或甲基或苯基,R2为甲基,R3为苯基。
2.如权利要求1所述的含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂的制备方法,包括以下工艺步骤:
(1)苯基取代的苯胺类物质的制备:以PEG-400为溶剂,以醋酸钯为催化剂,在碳酸钾存在的条件下,苯硼酸与卤代芳烃以1:1.0~1:1.5的摩尔比混合,于20~100℃下反应10~48小时;反应完全后用乙醚萃取,无水硫酸镁干燥,过滤,浓缩,硅胶柱层析分离得苯基取代的苯胺类物质;
(2)含有苯基的具有对称希夫碱结构的配体的制备:以无水甲醇为溶剂,以无水甲酸为催化剂,将苯基取代的苯胺类物质与2,3-丁二酮以2:1~3:1的摩尔比混合,于40~60℃下回流反应12~48小时后,除去溶剂,析出固体沉淀,用甲醇洗涤,得粗产品,然后用C2H5OH/CHCl3混合溶剂重结晶,真空干燥得配体;
(3)后过渡金属镍(Ⅱ)配合物的制备:在氮气保护下,以二氯甲烷为溶剂,将含有苯基的具有对称希夫碱结构的配体与NiBr2-DME以1:1~1:2的摩尔比混合,在室温下搅拌反应8~24小时后,过滤悬浮液, 所得母液在真空下除去溶剂后,用乙醚洗涤,真空干燥,得到粉末状固体配合物。
3.如权利要求2所述的含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,醋酸钯的用量为苯硼酸摩尔量的0.5~5%。
4.如权利要求2所述的含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,碳酸钾的用量为卤代苯胺摩尔量的1~3倍。
5.如权利要求2所述的含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述卤代芳烃为4-溴-2-甲基苯胺,4-溴-2-乙基苯胺,2,6-二甲基-4-溴苯胺或2-甲基-4,6-二溴苯胺。
6.如权利要求2所述的含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,催化剂无水甲酸的用量为2,3-丁二酮摩尔量的2~10倍。
7.如权利要求2所述的含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,所述C2H5OH/CHCl3混合溶剂中,C2H5OH与CHCl3的体积比为20:1~1:1。
8.如权利要求1所述的含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂在乙烯聚合中的应用。
9.如权利要求8所述的含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂在乙烯聚合中的应用,其特征在于:其与助催化剂的摩尔比为1:200~1:1500。
10.如权利要求9所述的含有苯基的N,N配位的镍乙烯聚合催化剂在乙烯聚合中的应用,其特征在于:所述助催化剂为氯化二乙基铝或甲基铝氧烷。
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