CN105646741B - 一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，属于金属有机与高分子材料合成领域。解决现有的茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法条件复杂、成本高的问题。该方法先将二苯甲酮在强碱作用下与环戊二烯反应，然后再与醇回流反应，得到二苯基富烯；然后将芴与强碱金属反应，得到金属芴盐，将金属芴盐与二苯基富烯反应，得到9‑(2，4‑环戊二烯‑1‑二苯亚甲基)‑9H芴；最后将9‑(2，4‑环戊二烯‑1‑二苯亚甲基)‑9H芴和强碱金属反应，再与无水四氯化锆反应，得到茂锆型烯烃聚合催化剂。本发明的制备方法条件比较温和，合成方法成本低，有助于实现催化剂的产业化生产。

Description

一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法
技术领域
本发明属于金属有机与高分子材料合成领域，具体涉及一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法。
背景技术
聚丙烯是近年来发展最快的一种聚烯烃树脂，其关键因素在于催化剂技术的飞速发展。催化剂在聚丙烯生产技术中起着举足轻重的作用，催化体系对聚丙烯产品的性能(如相对分子质量及其分布、产品形态、无规聚合物含量等)、转化率、生产条件(如操作温度)及产品中催化剂的残余量等均产生重要的影响。
在聚丙烯催化剂研究开发方面，提高催化剂的活性和定向能力以及改进催化剂的生产经济性一直是研究开发的重点。茂金属催化剂具有单活性中心的特性，可以更精确地控制聚合物产品的相对分子质量及其分布、晶体结构以及共聚单体在聚合物分子链上的插人方式。生产的茂金属聚丙烯(mPP)具有相对分子质量分布窄、结晶度低、微晶较小、透明性和光泽度优良、冲击强度和韧性优异等特点，耐辐射和绝缘性能好，与其他树脂的相容性较好。近年来茂金属催化剂在聚丙烯生产中的应用得到了较快发展,目前mPP已经实现了工业化生产。
用茂金属催化剂生产丙烯共聚物是烯烃聚合领域一个重要的发展方向。采用茂金属催化剂可以合成出许多Z-N催化剂难于合成的新型丙烯共聚物，如丙烯-苯乙烯的无规和嵌段共聚物，丙烯与长链烯烃、环烯烃及二烯烃的共聚物等。用茂金属催化剂生产无规共聚物时，共聚单体的随机插人性很好，可以制备共聚单体含量很高的无规共聚物，有潜力开发出高性能的低温热封材料。Exon公司采用双茂金属催化剂在单反应器中制备了双峰分布的丙烯一乙烯共聚物，其加工温度范围大约为26℃，比常用的丙烯共聚物的加工温度范围(约15℃)宽，克服了单峰mPP树脂加工温度范围窄的缺点，在生产BOPP薄膜时拉伸更 均匀且不易破裂，可以在低于传统聚丙烯加工温度下生产性能良好的聚丙烯薄膜。
ExxonMobil公司、LyondellBasell公司、Dow化学公司和iFan公司(现属于Total石化公司)是mPP催化剂开发的领先者，目前已开发出第二代mPP催化剂，一些公司已开始工业化生产mPP。然而，由于知识产权壁垒、催化剂价格昂贵以及传统Z-N催化剂的不断改进，mPP催化剂发展还相当缓慢，尚未得到大规模推广应用。据最乐观估计，到2010年mPP的市场份额仅为5％。当前mPP催化剂市场主要由LyondellBasell公司、ExxonMobil公司和Total石化公司控制。
我国自1993年开始茂金属催化剂及mPP的研制开发。目前国内对mPP的研究仅限于实验室研究阶段,尚未有工业化的报道。1993年A.Razavi,J.L.Atwood报道了二苯亚甲基(环戊二烯)(9-芴基)二氯化锆的合成(J.Organomet.Chem.459，117)，但是该方法使用甲基锂作为反应试剂，以及乙醚作为反应溶剂，价格昂贵且难以操作，并且得到的产品中含有很大量无机盐如LiCl、ZrCl4等，产品纯度不理想。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法条件复杂、成本高的问题，而提供一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法。
本发明提供一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，该方法包括：
步骤一：将二苯甲酮在强碱作用下与环戊二烯反应，然后再与醇回流反应，得到二苯基富烯；
步骤二：将芴与强碱金属反应，得到金属芴盐，然后将金属芴盐与步骤一得到的二苯基富烯反应，得到9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴；
步骤三：将步骤二得到的9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴和强碱金属反应，再与无水四氯化锆反应，得到茂锆型烯烃聚合催化剂；
所述的茂锆型烯烃聚合催化剂的结构式如下：
优选的是，所述步骤一强碱为氢氧化钾、乙酸钠、甲醇钠、乙醇钠、碳酸钠或碳酸钾。
优选的是，所述步骤一中二苯甲酮、强碱和环戊二烯的摩尔比为(1～2)：(2～5)：1。
优选的是，所述步骤一反应温度为0～100℃，反应时间30min～7d。
优选的是，所述步骤二中的强碱金属为甲基锂、正丁基锂、正己基锂、仲丁基锂、苯基锂、二异丙基氨基锂或六甲基二硅基胺基锂。
优选的是，所述步骤二芴、强碱金属和二苯基富烯的摩尔比为1：(1～2)：(1～2)。
优选的是，所述步骤二中芴与强碱金属的反应温度为0℃～150℃，反应时间为30min～24h。
优选的是，所述步骤二中金属芴盐与二苯基富烯的反应温度为-20℃～50℃，反应时间为30～48h。
优选的是，所述步骤三9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴、强碱金属和无水四氯化锆的摩尔比为(1～3)：(2～3)：1。
优选的是，所述步骤三9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴和强碱金属的反应温度为-78℃～50℃，反应时间为1～48h。
本发明的有益效果
本发明提供一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，该方法先将二苯甲酮在强碱作用下与环戊二烯反应，然后再与醇回流反应，得到二苯基富烯；然后将芴与强碱金属反应，得到金属芴盐，将金属芴盐与二苯基富烯反应，得到9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴；最后将9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴和强碱金属反应，再与无水四氯化锆反应，得到茂锆型烯烃聚合催化剂。与现有技术相对比，该制备方法条件比较温和，合成方法成本低，有助于 实现催化剂的产业化生产，为国内在该类型催化剂的研究和发展，特别是产业化提供良好的技术支持；有助于开发新型具有特殊功能的烯烃聚合物材料的研究和开发，特别是新型聚丙烯材料、乙烯辛烯共聚材料等类型的新型聚合材料的开发。
附图说明
图1为本发明实施例1制备得到的二苯亚甲基(环戊二烯)(9-芴基)二氯化锆的核磁氢谱图。
具体实施方式
本发明提供一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，该方法包括：
步骤一：将二苯甲酮在强碱作用下与环戊二烯反应，然后再与醇回流反应，得到二苯基富烯；
步骤二：将芴与强碱金属反应，得到金属芴盐，然后将金属芴盐与步骤一得到的二苯基富烯反应，得到9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴；
步骤三：将步骤二得到的9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴和强碱金属反应，再与无水四氯化锆反应，得到茂锆型烯烃聚合催化剂；
所述的茂锆型烯烃聚合催化剂的结构式如下：
按照本发明，将二苯甲酮在强碱作用下与环戊二烯反应，所述的反应温度优选为0～100℃，反应时间优选30min～7d，在反应之前，优选先将二苯甲酮溶于有机溶剂中，反应经过监测原料反应完全后抽滤，得到的固体用醇洗涤后，再用醇回流反应，所述的回流反应温度优选为0～100℃，反应时间优选为5min～24h，冷却抽滤后得到的固体真空干燥得到二苯基富烯；所述的有机溶剂没有特殊限制，能溶解二苯甲酮即可，优选选自甲醇、乙醇、二氯甲烷、四氢呋喃、乙腈、乙酸乙酯、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、甲苯或者N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种；所述的强碱优选为氢氧化钾、乙酸钠、甲醇钠、乙醇钠、 碳酸钠或碳酸钾；所述二苯甲酮、强碱和环戊二烯的摩尔比优选为(1～2)：(2～5)：1。
按照本发明，在第一有机溶剂中，将将芴与强碱金属反应，所述的反应温度优选为0℃～150℃，反应时间优选为30～24h，得到金属芴盐，将金属芴盐与二苯基富烯在第二有机溶剂中发生加成反应，所述的反应温度优选为-20℃～50℃，反应时间优选为30min～48h，再后处理得到9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴；所述的强碱金属优选为甲基锂、正丁基锂、正己基锂、仲丁基锂、苯基锂、二异丙基氨基锂或六甲基二硅基胺基锂。所述的第一溶剂和第二溶剂没有特殊限制，可以相同，也可以不同，优选选自甲醇、乙醇、二氯甲烷、四氢呋喃、乙腈、乙酸乙酯、乙二醇二甲醚、乙醚、二乙二醇二甲醚、甲苯或者N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种；所述芴、强碱金属和二苯基富烯的摩尔比优选为1：(1～2)：(1～2)。
按照本发明，将上述得到的9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴和强碱金属在第三有机溶剂中反应，所述的反应温度优选为-78℃～50℃，反应时间优选为1～48h，再与无水四氯化锆反应，所述的反应温度优选为-78℃～50℃，反应时间优选为1～48h，得到茂锆型烯烃聚合催化剂即二苯亚甲基(环戊二烯)(9-芴基)二氯化锆；所用第三有机溶剂优选选自二氯甲烷、四氢呋喃、乙醚、乙腈、乙酸乙酯、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、甲苯、正己烷、正戊烷中的一种或几种；所述的强碱金属优选选自甲基锂、正丁基锂、正己基锂、仲丁基锂、苯基锂、二异丙基氨基锂或六甲基二硅基胺基锂；所述的9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴、强碱金属和无水四氯化锆的摩尔比优选为(1～3)：(2～3)：1。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，实施例中涉及到原料均为商购。
实施例1
步骤一、二苯基富烯的合成
在500mL圆底烧瓶中，加入约200mL二环戊二烯，油浴加热至160℃蒸馏，蒸馏出的环戊二烯在-78℃保存。
在1L的圆底烧瓶中，加入500mL无水乙醇，甲醇钠(41g，759mmol)，二苯甲酮(125g，686mmol)以及环戊二烯(100mL，1212mmol)，混合物室温搅拌7天，抽滤，所得固体用50mL无水乙醇洗涤，并用200mL无水甲醇回流一小时，冷却后抽滤，所得固体用约75mL甲醇洗涤，真空干燥，得到橙色固体二苯基富烯127g，产率80％。1H NMR(300MHz,CDCl3)δ:7.82(d,J＝7.4Hz,1H),7.57(d,J＝7.3Hz,1H),7.41(t,J＝7.2Hz,1H),7.33(td,J＝7.4,1.1Hz,1H),3.93(s,1H).
步骤二：9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴的合成
在1L的圆底烧瓶中，加入化合物4芴(83g，500mmol)溶于500mL无水甲苯中，冰浴下向其中加入n-BuLi(2.4mol/L，208mL)，混合物Ar气保护性加热回流反应4h，反应完后静置冷却降温至室温，析出的固体Ar下过滤(或者Ar下转移除去上清液，用干燥正己烷洗涤再转移除去上清液)；得到的芴锂盐固体用干燥乙醚500mL溶解，缓慢加入化合物3二苯基富烯(115g，500mmol)的300mL无水乙醚溶液中，混合物在50℃下搅拌反应30h，TLC检测反应完毕后抽滤析出的固体，再用少量乙醚洗涤得灰白固体80g，产率41％，可以直接用于下一步合成。
步骤三：二苯亚甲基(环戊二烯)(9-芴基)二氯化锆的合成
在250mL圆底烧瓶中，将化合物5(12g，30mmol)溶于100mL干燥的乙醚中，Ar保护下冷却至-78℃，向其中滴加MeLi(0.75mol/L，80mL，60mmol)，滴加完毕后升温至室温反应12h，减压除去溶剂，得到黄橙色粉末中加入200mL正己烷，再加入无水氯化锆(7.0g，30mmol)，混合物室温搅拌2h，再加热回来3h，冷却至室温，抽滤，固体用正己烷洗涤(50mL×2)，固体用干燥乙酸乙酯200mL溶解，混合物抽滤，滤液减压除去溶剂，再二氯甲烷50mL溶解残留物，抽滤，得固体5.8g，产率35％。图1为本发明实施例1制备得到的二苯亚甲基(环戊二烯)(9-芴基)二氯化锆的核磁氢谱图。1H NMR(500MHz,CDCl3)δ：8.23(d,J＝8.4Hz,1H),7.96(d,J＝7.9Hz,1H),7.89(d,J＝7.9Hz,1H),7.65–7.58(m,1H),7.47(td,J＝7.6,1.3Hz,1H),7.37(td,J＝7.6,1.3Hz,1H),7.32(t,J＝7.3Hz,1H),7.09–7.01(m,1H),6.50–6.39(m,2H),5.83(t,J＝2.7Hz,1H).图1说明本发明成功制备得到了二苯亚甲基(环戊二烯)(9-芴基)二氯化锆。
实施例2
步骤一、二苯基富烯的合成
在500mL圆底烧瓶中，加入约200mL二环戊二烯，油浴加热至160℃蒸馏，蒸馏出的环戊二烯在-78℃保存。
在1L的圆底烧瓶中，加入500mL无水甲醇，甲醇钠(41g，759mmol)，二苯甲酮(125g，686mmol)以及环戊二烯(100mL，1212mmol)，混合物在100℃下搅拌30min，抽滤，所得固体用50mL无水甲醇洗涤，并用200mL无水甲醇回流一小时，冷却后抽滤，所得固体用约75mL甲醇洗涤，真空干燥，得到橙色固体二苯基富烯106g，产率67％。1H NMR(300MHz,CDCl3)δ:7.82(d, J＝7.4Hz,1H),7.57(d,J＝7.3Hz,1H),7.41(t,J＝7.2Hz,1H),7.33(td,J＝7.4,1.1Hz,1H),3.93(s,1H).
步骤二：9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴的合成
在1L的圆底烧瓶中，加入化合物4芴(83g，500mmol)溶于500mL无水甲苯中，冰浴下向其中加入n-BuLi(2.4mol/L，208mL)，混合物Ar气保护性加热回流反应4h，反应完后静置冷却降温至室温，析出的固体Ar下过滤(或者Ar下转移除去上清液，用干燥正己烷洗涤再转移除去上清液)；得到的芴锂盐固体用干燥四氢呋喃500mL溶解，缓慢加入化合物3二苯基富烯(115g，500mmol)的300mL无水四氢呋喃溶液中，混合物在35℃下搅拌反应36h，TLC检测反应完毕后抽滤析出的固体，再用少量乙醚洗涤得灰白固体103g，产率53％，可以直接用于下一步合成。
步骤三：二苯亚甲基(环戊二烯)(9-芴基)二氯化锆的合成
在250mL圆底烧瓶中，将化合物5(12g，30mmol)溶于100mL干燥的乙醚中，Ar保护下冷却至-78℃，向其中滴加n-BuLi(1.6mol/L，28mL，60mmol)，滴加完毕后升温至室温反应12h，减压除去溶剂，得到黄橙色粉末中加入200mL正己烷，再加入无水氯化锆(7.0g，30mmol)，混合物室温搅拌2h，再加热回来3h，冷却至室温，抽滤，固体用正己烷洗涤(50mL×2)，固体用干燥乙酸乙酯200mL溶解，混合物抽滤，滤液减压除去溶剂，再二氯甲烷50mL溶解残留物，抽滤，得固体5.8g，产率35％。1H NMR(500MHz,CDCl3)δ：8.23(d,J＝8.4Hz,1H),7.96(d,J＝7.9Hz,1H),7.89(d,J＝7.9Hz,1H),7.65–7.58(m,1H),7.47(td,J＝7.6,1.3Hz,1H),7.37(td,J＝7.6,1.3Hz,1H),7.32(t,J＝7.3Hz,1H),7.09–7.01(m,1H),6.50–6.39(m,2H),5.83(t,J＝2.7Hz,1H).
实施例3
步骤一、二苯基富烯的合成
在500mL圆底烧瓶中，加入约200mL二环戊二烯，油浴加热至160℃蒸馏，蒸馏出的环戊二烯在-78℃保存。
在1L的圆底烧瓶中，加入500mL乙二醇二甲醚，碳酸钾(331g，2400mmol)，二苯甲酮(125g，686mmol)以及环戊二烯(100mL，1212mmol)，混合物在0℃下搅拌3天，加入乙醚500mL分液，有机相饱和食盐水洗，无水硫酸镁干燥，减压除去溶剂，所得固体用50mL无水乙醇洗涤，并用200mL无水甲醇回流一小时，冷却后抽滤，所得固体用约75mL甲醇洗涤，真空干燥，得到橙色固体二苯基富烯131g，产率82％。1H NMR(300MHz,CDCl3)δ:7.82(d,J＝7.4Hz,1H),7.57(d,J＝7.3Hz,1H),7.41(t,J＝7.2Hz,1H),7.33(td,J＝7.4,1.1Hz,1H),3.93(s,1H).
步骤二：9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴的合成
在1L的圆底烧瓶中，加入化合物4芴(83g，500mmol)溶于800mL无水甲苯中，冰浴下向其中加入n-BuLi(1.6mol/L，312mL)，混合物Ar气保护性加热回流反应4h，反应完后静置冷却降温至室温，析出的固体Ar下过滤(或者Ar下转移除去上清液，用干燥正己烷洗涤再转移除去上清液)；得到的芴锂盐固体用干燥乙醚800mL溶解，缓慢加入化合物3二苯基富烯(115g，500mmol)的300mL无水乙醚溶液中，混合物在-20℃搅拌反应48h，TLC检测反应完毕后抽滤析出的固体，再用少量乙醚洗涤得灰白固体112g，产率57％，可以直接用于下一步合成。
步骤三：二苯亚甲基(环戊二烯)(9-芴基)二氯化锆的合成
在250mL圆底烧瓶中，将化合物5(12g，30mmol)溶于100mL干燥的乙醚中，Ar保护下冷却至-78℃，向其中滴加MeLi(0.75mol/L，80mL，60mmol)，滴加完毕后升温至室温反应12h，减压除去溶剂，得到黄橙色粉末中加入200mL正己烷，再加入无水氯化锆(7.0g，30mmol)，混合物室温搅拌2h，再加热回来3h，冷却至室温，抽滤，固体用正己烷洗涤(50mL×2)，固体用干燥二氯甲烷200mL溶解残留物，抽滤，滤液旋干得固体7.6g，产率46％。 1H NMR(500MHz,CDCl3)δ：8.23(d,J＝8.4Hz,1H),7.96(d,J＝7.9Hz,1H),7.89(d,J＝7.9Hz,1H),7.65–7.58(m,1H),7.47(td,J＝7.6,1.3Hz,1H),7.37(td, J＝7.6,1.3Hz,1H),7.32(t,J＝7.3Hz,1H),7.09–7.01(m,1H),6.50–6.39(m,2H),5.83(t,J＝2.7Hz,1H)。

Claims (9)

1.一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括：
步骤一：将二苯甲酮在强碱作用下与环戊二烯反应，然后再与醇回流反应，得到二苯基富烯；
步骤二：将芴与强碱金属有机化合物反应，得到金属芴盐，然后将金属芴盐与步骤一得到的二苯基富烯反应，得到9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴；
步骤三：将步骤二得到的9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴和强碱金属有机化合物反应，再与无水四氯化锆反应，得到茂锆型烯烃聚合催化剂；
所述的茂锆型烯烃聚合催化剂的结构式如下：
所述步骤二中的强碱金属有机化合物为甲基锂、正丁基锂、正己基锂、仲丁基锂、苯基锂、二异丙基氨基锂或六甲基二硅基胺基锂。
2.根据权利要求1所述的一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤一强碱为氢氧化钾、甲醇钠或乙醇钠。
3.根据权利要求1所述的一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤一中二苯甲酮、强碱和环戊二烯的摩尔比为(1～2)：(2～5)：1。
4.根据权利要求1所述的一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤一反应温度为0～100℃，反应时间30min～7d。
5.根据权利要求1所述的一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二芴、强碱金属有机化合物和二苯基富烯的摩尔比为1：(1～2)：(1～2)。
6.根据权利要求1所述的一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中芴与强碱金属有机化合物的反应温度为0℃～150℃，反应时间为30min～24h。
7.根据权利要求1所述的一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中金属芴盐与二苯基富烯的反应温度为-20℃～50℃，反应时间为30～48h。
8.根据权利要求1所述的一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤三9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴、强碱金属有机化合物和无水四氯化锆的摩尔比为(1～3)：(2～3)：1。
9.根据权利要求1所述的一种茂锆型烯烃聚合催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤三9-(2，4-环戊二烯-1-二苯亚甲基)-9H芴和强碱金属有机化合物的反应温度为-78℃～50℃，反应时间为1～48h。
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