CN105503939A - 邻甲氧基苯腙双核钛金属配合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物及其制备方法，以及该配合物作为催化剂在制备高分子量聚乙烯中的应用。该配合物的制备方法为邻甲氧基苯腙与二异丙基氨基锂(LDA)发生去氢反应后，再与二分之一摩尔量的TiX4(THF)2的四氢呋喃溶液反应得到。本发明制备的双核钛配合物催化剂制备简单，所用原料价廉易得，经甲基铝氧烷(MAO)或者改性的甲基铝氧烷(MMAO)的活化可用于催化乙烯聚合。实验结果表明，本发明采用的催化体系可用于制备高分子量的线性聚乙烯，所得大多数聚乙烯的重均分子量在一百万以上，熔点较高在133.4-134.8℃之间，分子量分布在1.90-3.33之间，催化活性为中等。
Description
技术领域
本发明涉及一种双核钛金属配合物，具体是一种邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物及其制备方法，以及其作为制备高分子量聚乙烯催化剂的应用。
背景技术
双核金属催化剂由于分子中同时含有两个中心金属原子，相互之间存在着特殊作用(即协同效应)，能对烯烃聚合催化剂的活性和聚合物的性能产生影响，所得聚合物的熔点、结晶度、分子量及分子量分布都有一定程度的改变(Massimiliano,etal,Chem.Rev.,2011,111,2450-2485)。例如茂金属烯烃聚合催化剂是一种很早被工业化的烯烃聚合催化剂，具有催化活性高，所得聚烯烃分子量分布窄等特点，因而加工性较弱。为了得到加工性能好的聚烯烃茂金属催化剂，人们通过采用特殊的聚合工艺或特殊结构的茂金属化合物，以制备宽峰或双峰分布的聚烯烃。许多双核茂金属催化剂被合成并用于烯烃聚合催化，大量的文献表明双核茂金属催化剂确实能改善聚合物的分子量分布，得到性能更为优异的聚烯烃材料(J.Q.Sun,etal.,Eur.Polym.J.,2008,44,2980-2985；冯作锋等，有机化学，2001，21(1)，33-40)。我国关于双核茂金属烯烃聚合催化剂的专利也较多。
相对而言，双核非茂金属催化剂还处于起步阶段，近年来虽有不少文章发表，但大多停留在化合物合成和分子结构鉴定上，催化机理、催化剂结构与催化活性的构效关系等还有待进一步研究[聂玉静等，工业催化，2010,18(1)，1008-1143；聂玉静等，工业催化，2010,18(2)，7-11]。国内关于双核非茂烯烃聚合催化剂专利的报道也较少：公开号为CN101143907B的专利报道了一种双核镍或者铜非茂烯烃聚合催化剂及其制备方法和应用，可用于催化降冰片烯加成聚合或甲基丙烯酸甲酯聚合反应，以使聚合物的机械性能和加工性能达到最佳；公开号为CN100528837C的专利合成了一种双核镍系非茂化合物及其制备方法和其在乙烯聚合催化中的应用，发现双核催化剂表现出与单核催化剂不同的催化性能，可使催化活性提高并改变聚合物的分子量等；公开号为CN1216083C的专利则报道了一种双核钛或镍的β-二酮类催化剂及其制备方法，其可用于间规聚苯乙烯的制备，并发现双核间的相互协同作用，使催化剂的聚合活性明显提高。综上所述，由于双核催化剂的诸多优点，必将成为今后的研究热点。因此，在本领域开发研制双核非茂金属催化剂，研究其在烯烃聚合催化方面的应用具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物及其制备方法，以及该配合物作为制备高分子量聚乙烯催化剂的应用。
本发明提供的一种邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物，结构式如下：
其中：
R1为氢，或者选自1-10个碳原子的烷基、芳基；R2、R3各自独立地分别为氢、卤素，或者选自1-10个碳原子的烷基、芳基、烷氧基。比如R1、R2、R3可分别为氢、甲基、乙基、丙基、丁基、苄基或者苯基等；R2、R3还可分别为甲氧基、氯原子、溴原子、碘原子等。
X为卤素，例如氯原子、溴原子、碘原子等。
本发明提供的一种邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物的制备方法，包括如下步骤：
(1)邻甲氧基苯腙配体的制备：
方法一：无溶剂法：向苯肼或取代的苯肼中加入等摩尔量的邻甲氧基(酰基)苯，搅拌反应，待所得熔融状的反应液固化，减压除去水；然后用合适的溶剂重结晶得到的固体即为目标配体。
方法二：将邻甲氧基(酰基)苯溶于乙醇中，于0℃下滴加等摩尔量的苯肼或取代的苯肼，反应液逐渐升至室温，继续搅拌反应隔夜，减压浓缩使固体生成，过滤，所得固体用合适的溶剂重结晶即为目标配体，反应方程式如下：
步骤(1)中所述邻甲氧基(酰基)苯可为邻甲氧基苯甲醛、邻甲氧基(乙酰基)苯、邻甲氧基(丙酰基)苯、邻甲氧基(丁酰基)苯、邻甲氧基(苯甲酰基)苯等。
步骤(1)中所述取代的苯肼可为2-氯苯肼、4-氯苯肼、2-溴苯肼、4-溴苯肼、2，4-二氯苯肼、2，4-二溴苯肼、2-甲基苯肼、4-甲基苯肼、2，4-二甲基苯肼、2-甲氧基苯肼、4-甲氧基苯肼、2，4-二甲氧基苯肼等。
(2)邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物的制备：
于0℃下，向配体邻甲氧基苯腙的四氢呋喃溶液中，加入等摩尔量的LDA，所得溶液逐渐升至室温，搅拌过夜；再于-78℃下，分次加入TiX4(THF)2，反应液逐渐升至室温，并隔夜搅拌；减压除去溶剂，加入二氯甲烷萃取过滤，减压除去二氯甲烷，得到的黑红色固体用合适的溶剂重结晶，即得到邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物，反应方程式为：
本发明配合物作为催化剂用于催化乙烯及其衍生物的聚合中，所用催化反应釜依次用氮气、乙烯气置换，使反应体系处于乙烯气体的环境中。首先加入溶剂甲苯，然后依次加入催化剂的甲苯溶液和助催化剂烷基铝氧烷(甲基铝氧烷MAO或者改性的甲基铝氧烷MMAO)，在给定条件下进行乙烯的催化聚合反应，反应完毕，加入盐酸终止反应，形成的聚合物沉淀过滤收集，用大量乙醇洗涤，烘干，称重。所得聚乙烯产品的分子量使用高温GPC和DSC的方法对所得聚乙烯的分子量、分子量分布和熔点进行测量。
本发明提供的同核型双核钛金属化合物，具有制备方法简单易行，所用原料价廉易得，产率高等特点；本发明配合物作为主催化剂与助催化剂烷基铝氧烷(如甲基铝氧烷MAO或者改性的甲基铝氧烷MMAO)组成催化剂体系，首次应用于乙烯聚合，催化剂的活性达到中等，最高为105gPE/mol(Cat.)·h-1；得到高分子量(重均分子量最高达到2.1×106g/mol)、熔点较高(在133.4-134.8℃之间)、分子量分布在1.90-3.33之间的聚乙烯。
附图说明
图1为本发明实施例1中所述的邻甲氧基苯腙双核钛金属配合物的晶体结构图；
图2为本发明实施例2中(1)和(2)所得聚乙烯的GPC曲线；
图3为本发明实施例2中(6)和(7)所得聚乙烯的GPC曲线。
具体实施方式
实施例1双核钛金属配合物的制备
(1)配体邻甲氧基苯腙的制备：
方法一：在Schlenk反应瓶中加入苯肼2.72g(20mmol)，于室温下分次加入等摩尔量的邻甲氧基苯甲醛(2.16g，20mmol)，反应放热，所得熔融状的反应液继续搅拌至固化，然后用热的正己烷重结晶得到的浅黄色晶状固体即为目标配体邻甲氧基苯甲醛苯腙(4.02g),产率为89％。
方法二：在Schlenk反应瓶中加入邻甲氧基苯甲醛(2.16g，20mmol)和20mL乙醇，于0℃下滴加等摩尔量的苯肼(2.72g，20mmol)，反应液逐渐升至室温，继续搅拌反应隔夜，减压浓缩使固体生成，过滤，所得固体用热的正己烷重结晶即为目标配体邻甲氧基苯甲醛苯腙(3.39g),产率为75％。
(2)二氯桥接的四(邻甲氧基苯甲醛苯腙)双核钛金属配合物的制备：
于0℃下，向配体化合物邻甲氧基苯甲醛苯腙(0.969g，4.28mmol)的约25ml四氢呋喃溶液中，加入等摩尔量的LDA(0.459g，4.28mmol)，所得桔红色溶液逐渐升至室温，搅拌过夜。于-78℃下，分次加入TiCl4(THF)2(0.711g，2.14mmol)，反应液逐渐升至室温，并隔夜搅拌。减压除去溶剂，加入二氯甲烷萃取过滤，滤液再减压除去溶剂，得到的黑红色固体用四氢呋喃重结晶，即可得到红色块状的催化剂邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物(0.49g),产率为40％。1HNMR(300MHz,CDCl3,ppm):δH(ppm)8.73,8.66,8.64,8.27,8.11,8.00,7.98(8H,Ph-H),7.64,7.56,7.44,7.36,7.34(8H,Ph-H),7.26(4H,Ph-H),7.12-6.85(20H,Ph-H),3.86,3.82(12H,d,OCH3),3.49-3.46(2H,m,OCH2CH3,solventEt2O),1.23-1.18(3H,t,OCH2CH3,solventEt2O)；13CNMR(75MHz；CDCl3；TMS):δC(ppm)157.5(PhO-C),147.1(CH＝N),135.2,134.0,131.7,130.0,128.3,127.8,126.5,124.6,123.7,122.2,121.7,120.6,113.4,111.6(Ph-C),56.2(OCH3)。
实施例2配合物作为催化剂在催化乙烯聚合中的应用(MAO作为助催化剂)
聚合条件选择：
10atm下，在MAO：催化剂的摩尔量比为1000：1时，改变温度，分别测试20℃，30℃，40℃，50℃时的活性，分别为1.2×105，1.5×105，1.2×105，1.0×105gPE/mol(Cat.)·h。在温度为30℃时，分别测试MAO：催化剂的摩尔量比为1500:1，2000:1，2500:1时的活性，分别为1.7×105，2.9×105，2.6×105gPE/mol(Cat.)·h。
(1)乙烯的聚合在体积为250ml的不锈钢压力釜中进行的，该压力釜连有缓冲的乙烯钢瓶，能够通过螺形钢管连续补充乙烯，从而使聚合反应过程中保持恒定压力(10atm压力下)。聚合釜经过充分干燥后，抽真空充氮气置换三次，乙烯置换三次，使反应瓶内处于乙烯气氛中。先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol)的甲苯溶液，和助催化剂MAO(1.37ml，1.46M)使Al/Ti＝1000，最后加入29ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在20℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.12g，活性为1.2×105gPE/mol(Cat.)·h。所得聚合物的重均分子量为2.1×106g/mol，分子量分布为2.90，熔点为134.8℃。
(2)装置和具体操作同(1)，使聚合釜内充满乙烯气氛后，先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol)的甲苯溶液、助催化剂MAO(1.37ml，1.46M)使Al/Ti＝1000，最后加入29ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在30℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.15g，活性为1.5×105gPE/mol(Cat.)·h。所得聚合物的重均分子量为1.1×106g/mol，分子量分布为2.05，熔点为134.7℃。
(3)装置和具体操作同(1)，使聚合釜内充满乙烯气氛后，先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol))的甲苯溶液、助催化剂MAO(1.37ml，1.46M)使Al/Ti＝1000，最后加入29ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在40℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.12g，活性为1.2×105gPE/mol(Cat.)·h。所得聚合物的重均分子量为0.71×106g/mol，分子量分布为2.70，熔点为133.6℃。
(4)装置和具体操作同(1)，使聚合釜内充满乙烯气氛后，先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol)的甲苯溶液、助催化剂MAO(1.37ml，1.46M)使Al/Ti＝1000，最后加入29ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在50℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.10g，活性为1.0×105gPE/mol(Cat.)·h。所得聚合物的重均分子量为0.67×106g/mol，分子量分布为1.90，熔点为133.8℃。
(5)装置和具体操作同(1)，使聚合釜内充满乙烯气氛后，先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol)的甲苯溶液、助催化剂MAO(2.06ml，1.46M)使Al/Ti＝1500，最后加入28ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在30℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.17g，活性为1.7×105gPE/mol(Cat.)·h。
(6)装置和具体操作同(1)，使聚合釜内充满乙烯气氛后，先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol)的甲苯溶液、助催化剂MAO(2.74ml，1.46M)使Al/Ti＝2000，最后加入27ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在30℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.29g，活性为2.9×105gPE/mol(Cat.)·h。所得聚合物的重均分子量为1.68×106g/mol，分子量分布为2.15，熔点为133.7℃。
(7)装置和具体操作同(1)，使聚合釜内充满乙烯气氛后，先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol)的甲苯溶液、助催化剂MAO(3.43ml，1.46M)使Al/Ti＝2500，最后加入26ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在30℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.26g，活性为2.6×105gPE/mol(Cat.)·h。所得聚合物的重均分子量为1.53×106g/mol，分子量分布为2.31，熔点为133.4℃。
实施例3配合物作为催化剂在催化乙烯聚合中的应用(MMAO作为助催化剂)
聚合条件选择：
10atm下，在温度为30℃时，分别测试MMAO：催化剂的摩尔量比为1000:1，1500：1，2000:1，2500:1时的活性，分别为2.4×104，5.4×104，4.4×104，3.0×104gPE/mol(Cat.)·h。在MMAO：催化剂的摩尔量比为1500：1时，改变温度，分别测试20℃，40℃，50℃时的活性，分别为5.2×104，4.8×104，4.4×104gPE/mol(Cat.)·h。
(1)乙烯的聚合在体积为250ml的不锈钢压力釜中进行的，该压力釜连有缓冲的乙烯钢瓶，能够通过螺形钢管连续补充乙烯，从而使聚合反应过程中保持恒定压力(10atm压力下)。聚合釜经过充分干燥后，抽真空充氮气置换三次，乙烯置换三次，使反应瓶内处于乙烯气氛中。先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol)的甲苯溶液、助催化剂MMAO(1.04ml，1.93M)使Al/Ti＝1000，最后加入29ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在30℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.02g，活性为2.4×104gPE/mol(Cat.)·h。所得聚合物的重均分子量为1.93×106g/mol，分子量分布为1.93，熔点为133.6℃。
(2)装置和具体操作同(1)，使聚合釜内充满乙烯气氛后，先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol))的甲苯溶液、助催化剂MMAO(1.56ml，1.93M)使Al/Ti＝1500，最后加入29ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在30℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.06g，活性为5.4×104gPE/mol(Cat.)·h。所得聚合物的重均分子量为1.46×106g/mol，分子量分布为2.88，熔点为134.1℃。
(3)装置和具体操作同(1)，使聚合釜内充满乙烯气氛后，先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol)的甲苯溶液、助催化剂MMAO(2.08ml，1.93M)使Al/Ti＝2000，最后加入28ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在30℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.04g，活性为4.4×104gPE/mol(Cat.)·h。
(4)装置和具体操作同(1)，使聚合釜内充满乙烯气氛后，先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol)的甲苯溶液、助催化剂MMAO(2.60ml，1.93M)使Al/Ti＝2500，最后加入27ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在30℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.03g，活性为3.0×104gPE/mol(Cat.)·h。
(5)装置和具体操作同(1)，使聚合釜内充满乙烯气氛后，先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol)的甲苯溶液，和助催化剂MMAO(1.56ml，1.93M)使Al/Ti＝1500，最后加入29ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在20℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.05g，活性为5.2×104gPE/mol(Cat.)·h。所得聚合物的重均分子量为1.5×106g/mol，分子量分布为2.49，熔点为134.4℃。
(6)装置和具体操作同(1)，使聚合釜内充满乙烯气氛后，先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol))的甲苯溶液、助催化剂MMAO(1.56ml，1.93M)使Al/Ti＝1500，最后加入29ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在40℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.05g，活性为4.8×104gPE/mol(Cat.)·h。所得聚合物的重均分子量为1.32×106g/mol，分子量分布为2.16，熔点为134.4℃。
(7)装置和具体操作同(1)，使聚合釜内充满乙烯气氛后，先注入50ml甲苯，再依次加入20ml溶解了钛配合物(2.3mg，2μmol)的甲苯溶液、助催化剂MMAO(1.56ml，1.93M)使Al/Ti＝1500，最后加入29ml甲苯，使反应体系的总体积约为100ml。在50℃下进行反应，反应30min后，用盐酸终止反应，得到的聚合物沉淀，过滤，用大量乙醇洗涤，烘干，得产物0.04g，活性为4.4×104gPE/mol(Cat.)·h。所得聚合物的重均分子量为1.32×106g/mol，分子量分布为3.33，熔点为134.8℃。
Claims (7)
1.一种邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物，特征在于，其结构式如下：
其中：
R1为氢，或者独立地分别选自1-10个碳原子的烷基、芳基；R2、R3各自独立地分别为氢、卤素，或者选自1-10个碳原子的烷基、芳基、烷氧基；X为卤素。
2.如权利要求1所述的一种邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物，其特征在于，所述的R1为氢、甲基、乙基、丙基、丁基、苄基或者苯基；R2、R3各自独立地分别为氢、甲基、乙基、丙基、丁基、苄基、苯基、甲氧基、氯原子、溴原子、碘原子等；X为氯原子、溴原子或碘原子。
3.一种邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用无溶剂法，向苯肼或取代的苯肼中加入等摩尔量的邻甲氧基(酰基)苯，搅拌反应，待所得熔融状的反应液固化，减压除去水；然后用合适的溶剂重结晶得到的固体即为目标配体；
(2)于0℃下，向配体邻甲氧基苯腙的四氢呋喃溶液中，加入等摩尔量的LDA，所得溶液逐渐升至室温，搅拌过夜；再于-78℃下，分次加入TiX4(THF)2，反应液逐渐升至室温，并隔夜搅拌；减压除去溶剂，加入二氯甲烷萃取过滤，减压除去二氯甲烷，得到的黑红色固体用合适的溶剂重结晶，即得到邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物。
4.一种邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物的制备方法，包括如下步骤：
(1)将邻甲氧基(酰基)苯溶于乙醇中，于0℃下滴加等摩尔量的苯肼或取代的苯肼，反应液逐渐升至室温，继续搅拌反应隔夜，减压浓缩使固体生成，过滤，所得固体用合适的溶剂重结晶即为目标配体；
(2)于0℃下，向配体邻甲氧基苯腙的四氢呋喃溶液中，加入等摩尔量的LDA，所得溶液逐渐升至室温，搅拌过夜；再于-78℃下，分次加入TiX4(THF)2，反应液逐渐升至室温，并隔夜搅拌；减压除去溶剂，加入二氯甲烷萃取过滤，减压除去二氯甲烷，得到的黑红色固体用合适的溶剂重结晶，即得到邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物。
5.如权利要求3或4所述的一种邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物的制备方法，步骤(1)中所述邻甲氧基(酰基)苯为邻甲氧基苯甲醛、邻甲氧基(乙酰基)苯、邻甲氧基(丙酰基)苯、邻甲氧基(丁酰基)苯或邻甲氧基(苯甲酰基)苯。
6.如权利要求3或4所述的一种邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物的制备方法，步骤(1)中所述取代的苯肼为2-氯苯肼、4-氯苯肼、2-溴苯肼、4-溴苯肼、2，4-二氯苯肼、2，4-二溴苯肼、2-甲基苯肼、4-甲基苯肼、2，4-二甲基苯肼、2-甲氧基苯肼、4-甲氧基苯肼或2，4-二甲氧基苯肼。
7.如权利要求1或2所述的邻甲氧基苯腙的双核钛金属配合物作为催化剂在制备高分子量聚乙烯中的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171205 Termination date: 20210108 |