DE102005040939A1

DE102005040939A1 - Neuer Katalysator für den Metatheseabbau von Nitrilkautschuk

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Publication number: DE102005040939A1
Application number: DE200510040939
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr. Obrecht; Julia Maria Müller; Oskar Prof. Dr. Nuyken; Heinz Prof. Dr. Berke; Ludek Dr. Meca
Original assignee: Universitaet Zuerich; Lanxess Deutschland GmbH; Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Universitaet Zuerich; Lanxess Deutschland GmbH; Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-03-01
Also published as: CN1935855A

Abstract

Bereitgestellt werden neue Ruthenium- oder Osmium-basierte Katalysatoren, die gleichzeitig einen gegebenenfalls substituierten Imidazolidin-Liganden sowie einen Carben-Liganden, der einen Phosphin-Rest trägt, aufweisen, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung zum Metathese-Abbau von Nitrilkautschuk.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft neue Ruthenium- oder Osmium-basierte Katalysatoren, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung zum Metathese-Abbau von Nitrilkautschuk.
Hydrierter Nitrilkautschuk, abgekürzt auch als „HNBR" bezeichnet, wird durch Hydrierung von Nitrilkautschuk, abgekürzt auch als „NBR" bezeichnet, hergestellt.
Unter Nitrilkautschuk werden Kautschuke verstanden, bei denen es sich um Copolymere aus mindestens einem ungesättigten Nitril und mindestens einem konjugierten Dien und möglicherweise weiteren Comonomeren handelt.
Hydrierter Nitrilkautschuk ist ein Spezialkautschuk, der über eine sehr gute Hitzebeständigkeit, eine hervorragende Beständigkeit gegen Ozon und Chemikalien sowie eine ausgezeichnete Ölbeständigkeit verfügt.
Die vorgenannten physikalischen und chemischen Eigenschaften des HNBR gehen einher mit sehr guten mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer hohen Abriebfestigkeit. Aus diesem Grund hat HNBR breite Verwendung in den verschiedensten Anwendungsgebieten gefunden. HNBR wird beispielsweise eingesetzt für Dichtungen, Schläuche, Riemen und Dämpfungselemente im Automobilsektor, ferner für Statoren, Bohrlochdichtungen und Ventildichtungen im Bereich der Ölförderung sowie auch für zahlreiche Teile der Elektroindustrie, des Maschinen- und Schiffsbaus.
Am Markt kommerziell erhältliche HNBR Typen weisen üblicherweise eine Mooney-Viskosität (ML 1 + 4 @100 °C) im Bereich von 55 bis 105 auf, was einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts M_w, (Bestimmungsmethode: Gelpermeationschromatographie (GPC) gegen Polystyroläquivalente) im Bereich von ca. 200.000 bis 500.000 entspricht. Die dabei zu messenden Polydispersitätsindizes PDI (PDI = M_w/M_n, wobei M_w das Gewichtsmittel und M_n das Zahlenmittel des Molekulargewichts darstellt), die eine Aussage über die Breite der Molekulargewichtsverteilung liefern, liegen häufig bei einem Wert von 3 oder darüber. Der Restdoppelbindungsgehalt liegt üblicherweise in einem Bereich von 1 bis 18 % (bestimmt durch IR-Spektroskopie).
Der Verarbeitbarkeit von HNBR sind durch die relativ hohe Mooney-Viskosität starke Beschränkungen auferlegt. Für viele Anwendungen wäre ein HNBR Typ wünschenswert, der ein niedrigeres Molekulargewicht und damit eine niedrigere Mooney-Viskosität besitzt. Dies würde die Verarbeitbarkeit entscheidend verbessern.
In der Vergangenheit wurden zahlreiche Versuche unternommen, die Kettenlänge von HNBR durch Abbau zu verkürzen. Dieser Abbau erfolgte beispielsweise über den mechanischen Weg durch sogenannte Mastikation, z. B. auf einem Walzwerk. Prinzipiell möglich ist auch der chemische Abbau durch Umsetzung mit starken Säuren. Dieser chemische Abbau hat jedoch den Nachteil, dass funktionelle Gruppen wie Carbonsäure- und Ester-Gruppen in das Molekül eingebaut werden und zusätzlich die Mikrostrukur des Polymers substanziell geändert wird. All diese Änderungen bringen Nachteile für die Anwendungen mit sich.
Die Herstellung von HNBR mit niedrigen Molmassen, entsprechend einer Mooney Viskosität (ML 1 + 4 bei 100°C) in einem Bereich kleiner 55 bzw. einem Zahlenmittel des Molekulargewichts von M_n < 200.000 g/mol, ist mittels etablierter Herstellungsverfahren nicht möglich, da einerseits bei der Hydrierung von NBR ein sprunghafter Anstieg der Mooney Viskosität erfolgt und andererseits die Molmasse des für die Hydrierung einzusetzenden NBR-Feedstocks nicht beliebig reduziert werden kann, da sonst die Aufarbeitung in den zur Verfügung stehenden großtechnischen Anlagen wegen zu hoher Klebrigkeit nicht mehr möglich ist. Die niedrigste Mooneyviskosität eines NBR-feedstocks, die ohne Schwierigkeiten in einer etablierten großtechnischen Anlage aufarbeitbar ist, liegt bei ca. 30 Mooney-Einheiten (ML 1 + 4 bei 100°C). Die Mooney-Viskosität des hydrierten Nitrilkautschuks, der mit einem solchen NBR-Feedstock erhalten wird, liegt in der Größenordnung von 55 Mooneyeinheiten (ML 1 + 4 bei 100°C).
Im bekannten Stand der Technik wird dieses Problem gelöst, indem man das Molekulargewicht des Nitrilkautschuks vor der Hydrierung durch Abbau auf Mooneywerte (ML 1 + 4 bei 100°C) von weniger als 30 Mooney-Einheiten bzw. ein Zahlenmittel des Molekulargewichts von M_n < 70.000 g/mol reduziert. Den Abbau des Molekulargewichts erreicht man hierbei durch Metathese, wobei üblicherweise bei dieser Metathesereaktion niedermolekulare 1-Olefine zugesetzt werden. Die Metathesereaktion wird zweckmäßigerweise im gleichen Lösungsmittel wie die Hydrierreaktion (in situ) durchgeführt, damit man den abgebauten NBR-Feedstock nach Beendigung der Abbaureaktion nicht aus dem Lösungsmittel isolieren muss, bevor man ihn der nachfolgenden Hydrierung unterwirft. Für die Katalyse der Metathese-Abbaureaktion verwendet man Metathesekatalysatoren, die gegenüber polaren Gruppen, insbesondere gegenüber Nitrilgruppen, tolerant sind.

Beschrieben wird diese Herstellung von HNBR mit niedrigen Mooney-Werten beispielsweise in der WO-A-02/100941 sowie der WO-A-02/100905. In der WO-A-02/100905 wird ein Verfahren beschrieben, welches den Abbau von Nitrilkautschuk-Ausgangspolymeren durch Olefinmetathese und eine anschließende Hydrierung umfasst. Hierbei wird ein Nitrilkautschuk in einem ersten Schritt in Gegenwart eines Co-Olefins und eines speziellen Komplexkatalysators auf Osmium-, Ruthenium-, Molydän- oder Wolfram-Basis umgesetzt und in einem zweiten Schritt hydriert. Erhältlich sind gemäß WO-A-02/100941 auf diesem Weg hydrierte Nitrilkautschuke mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts (Mw) im Bereich von 30.000 bis 250.000, einer Mooney-Viskosität (ML 1 + 4 @100 °C) im Bereich von 3 bis 50 und einem Polydispersitätsindex PDI von kleiner 2.5.

Metathesekatalysatoren sind unter anderem bekannt aus WO-A-96/04289 und WO-A-97/06185. Sie besitzen die folgende prinzipielle Struktur:

worin M für Osmium oder Ruthenium steht, R und R¹ organische Reste mit großer struktureller Variationsbreite darstellen, X und X₁ anionische Liganden sind und L sowie L₁ neutrale Elektronen-Donoren darstellen.

Derartige Katalysatoren sind geeignet für Ringschlussmetathesen (RCM), Kreuzmetathesen (CM) und Ringöffnungsmetathesen (ROMP). Für die Durchführung des Abbaus von Nitrilkautschuk sind die genannten Katalysatoren aber nicht zwangsläufig geeignet.

Mit einigen Katalysatoren aus der Gruppe der „Grubbs (I) Katalysatoren" gelingt die Durchführung der Metathese von Nitrilkautschuk. Geeignet ist z.B. ein Ruthenium-Katalysator mit bestimmten Substituentenmustern, wie z.B. der nachfolgend dargestellte Katalysator Bis(tricyclohexylphosphin) benzyliden-rutheniumdichlorid.

Nach der Hydrierung weisen die Kautschuke ein sehr niedrigeres Molekulargewicht sowie eine enge Molekulargewichtsverteilung auf (WO-A-02/100941, WO-A-03/002613).

Aus US 2004/0110888 A1 sind auch Vulkanisate auf Basis dieser niedermolekularen HNBR-Kautschuke bekannt.

US 2004/0127647 A1 beschreibt Blends auf der Basis niedermolekularer HNBR-Kautschuke mit bi- bzw. multimodaler Molekulargewichtsverteilung sowie Vulkanisate dieser Kautschuke.

Aus WO-A-00/71554 ist ferner eine Gruppe von Katalysatoren bekannt, die in der Fachwelt als „Grubbs (II) Katalysatoren" bezeichnet werden. Verwendet man einen solchen „Grubbs(II) Katalysator" wie z.B. 1,3-bis(2,4,6-trimethylphenyl)-2-imidazolidenyliden)(tricyclohexylphosphin)ruthenium(phenylmethylen)dichlorid für die NBR-Metathese, gelingt diese sogar ohne Verwendung eines Co-Olefins. Nach der anschließenden Hydrierung, die in-situ durchgeführt wird, weist der hydrierte Nitrilkautschuk niedrigere Molekulargewichte und eine engere Molekulargewichtsverteilung (PDI) auf als bei Verwendung von Katalysatoren des Grubbs-(I)-Typs (US-A-2004/0132891).

Grubbs (II) Katalysator

Die Verwendung der mit Grubbs-(II)-Katalysator abgebauten Nitrilkautschuke für Klebstoffzusammensetzungen sind beispielsweise in der US 2004/0132906-A1 beschrieben.

Die genannten Verfahren zum Metatheseabbau von Nitrilkautschuk und die hierfür verwendeten Katalysatoren haben den Nachteil, dass Lösungen dieser Katalysatoren, insbesondere in Gegenwart von Luftsauerstoff, instabil sind und immer frisch angesetzt werden müssen.

Bekannt sind darüber hinaus in der Fachwelt Katalysatoren, die nachfolgend als Piers-(I)-Katalysatoren bezeichnet werden und nachfolgende Struktur besitzen (siehe z.B. Angew. Chem. Int. Ed. 2004,43, 6161–6165):

Piers (I) Katalysator wobei R beispielsweise für iso-Propyl- oder Cyclohexyl-Reste steht und A ein Anion ist.

Aus eigenen Untersuchungen ergab sich jedoch, dass derartige Piers (I) Katalysatoren bei der NBR-Metathese nicht zu einem Abbau des Nitrilkautschuks führen, sondern ausschließlich zu einer NBR-Vergelung. Hierdurch wird der Nitrilkautschuk unbrauchbar.

Ausgehend vom Stand der Technik bestand daher die Aufgabe, einen Katalysator zur Verfügung zu stellen, der einen Abbau von Nitrilkautschuk ermöglicht, ohne dass eine Vergelung beobachtet wird, und der außerdem eine verbesserte Lagerstabilität in Lösung aufweist.

Überraschenderweise konnte diese Aufgabe gelöst werden durch neue spezielle Katalysatoren, die einen Imidazolidin-Liganden sowie gleichzeitig einen Carben-Liganden mit einem Phosphin-Rest tragen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Katalysator der allgemeinen Formel (I)

wobei
M Ruthenium oder Osmium bedeutet,
X¹ und X² gleich oder verschieden sein können und anionische Liganden darstellen,
R¹, R² und R³ gleich oder verschieden sind und organische Reste darstellen,
Im einen gegebenenfalls substituierten Imidazolidinrest darstellt und
A ein Anion darstellt.

Diese Katalysatoren der allgemeinen Formel (I) mit einem Imidazolidin-Liganden sowie einem Carben-Liganden, der einen Phosphin-Rest aufweist, sind aus dem Stand der Technik bisher nicht bekannt. Sie lassen sich erfolgreich zum Metathese-Abbau einsetzen, d.h. es wird einen Abbau des Nitrilkautschuks erreicht, ohne dass eine Vergelung beobachtet wird. Dies ist umso erstaunlicher, als für die zuvor beschriebenen Piers-(I)-Katalysatoren keine Eignung für den Einsatz zum Metathese-Abbau von Nitrilkautschuken festgestellt werden konnte. Darüber hinaus bilden die erfindungsgemäßen Katalysatoren auch bei gegebenenfalls erhöhten Temperaturen eine stabile Lösung in den typischerweise verwendeten Lösungsmitteln, insbesondere in Chlorbenzol. Eine Verfärbung von Katalysator-Lösungen bei längerem Stehenlassen oder erhöhter Temperatur, welches üblicherweise auf Deaktivierung oder Zersetzung hindeutet, konnte nicht beobachtet werden.

X¹ und X²:

In den Katalysatoren der allgemeinen Formel (I) können X¹ und X² gleich oder verschieden und beispielsweise Wasserstoff, Halogen, Pseudohalogen, C₁-C₂₀-Alkyl, Aryl, C₁-C₂₀-Alkoxy, Aryloxy, C₃-C₂₀-Alkyldiketonat, Aryldiketonat, C₁-C₂₀-Carboxylat, Arylsulfonat, C₁-C₂₀-Alkylsulfonat, C₁-C₂₀-Alkylthiol, Arylthiol, C₁-C₂₀-Alkylsulfonyl oder C₁-C₂₀-Alkylsulfinyl-Reste darstellen.

Die vorgenannten Reste als Bedeutungen von X¹ und X² können ferner durch ein oder mehrere weitere Reste substituiert sein, beispielsweise durch Halogen, bevorzugt Fluor, C₁-C₁₀-Alkyl, C₁-C₁₀-Alkoxy oder Aryl-Reste, wobei auch die letzteren Reste gegebenenfalls wiederum durch ein oder mehrere Substituenten substituiert sein können, die aus der Gruppe umfassend Halogen, bevorzugt Fluor, C₁-C₅-Alkyl, C₁-C₅-Alkoxy und Phenyl ausgewählt sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform bedeuten X und X¹ Halogen, Benzoat, C₁-C₅-Carboxylat, C₁-C₅-Alkyl, Phenoxy, C₁-C₅-Alkoxy, C₁-C₅-Alkylthiol, Arylthiol, Aryl und C₁-C₅-Alkylsulfonat, In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind X und X¹ beide gleichzeitig Halogen, CF₃COO, CH₃COO, CFH₂COO, (CH₃)₃CO, (CF₃)₂(CH₃)CO, (CF₃)(CH₃)₂CO, PhO, MeO, EtO, Tosylat, Mesylat oder Trifluormethansulfonat. Insbesondere stehen X und X¹ gleichzeitig für Chlor.

P(R¹R²R³):

In der allgemeinen Formel (I) sind die Reste R¹, R² und R³ im Rest P(R¹R²R³) gleich oder verschieden und können geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₃₀-Alkyl, C₅-C₃₀-Cylcoalkyl oder Aryl darstellen, wobei die C₁-C₃₀-Alkylreste gegebenenfalls durch ein oder mehrere Doppel- oder Dreifachbindungen oder auch ein oder mehrere Heteroatome, bevorzugt Sauerstoff oder Stickstoff, unterbrochen sein können.

Als Rest P(R¹R²R³) sind für die erfindungsgemäßen Katalysatoren der allgemeinen Formel (I) beispielsweise Triphenylphosphin, Tricyclopentadienylphosphin, Tricyclohexylphoshin, Tricyclopentylphosphin und Triisopropylphosphin geeignet.

Im:

Der Imidazolidinrest (Im) in der allgemeinen Formel (I) weist üblicherweise eine Struktur der allgemeinen Formeln (IIa) oder (IIb) auf,

wobei
R⁴, R⁵, R⁶, R⁷ gleich oder verschieden sein können und Wasserstoff, C₁-C₂₀-Alkyl, C₂-C₂₀ Alkenyl, C₂-C₂₀-Alkinyl, Aryl, C₁-C₂₀-Carboxylat, C₁-C₂₀-Alkoxy, C₂-C₂₀-Alkenyloxy, C₂-C₂₀-Alkinyloxy, Aryloxy, C₂-C₂₀-Alkoxycarbonyl, C₁-C₂₀-Akylthio, Arylthio, C₁-C₂₀-Alkylsulfonyl, C₁-C₂₀-Alkylsulfonat, C₆-C₂₀-Arylsulfonat und C₁-C₂₀-Alkylsulfinyl bedeuten.

Gegebenenfalls kann einer oder mehrere der Reste R⁴, R⁵, R⁶, R⁷ unabhängig voneinander durch einen oder mehrere Substituenten, vorzugsweise C₁-C₁₀-Alkyl, C₁-C₁₀-Alkoxy oder Aryl substituiert sein, wobei diese vorgenannten Substituenten wiederum durch ein oder mehrere Reste, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe Halogen, C₁-C₅-Alkyl, C₁-C₅-Alkoxy und Phenyl substituiert sein können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katalysatoren bedeuten R⁴ und R⁵ unabhängig voneinander Wasserstoff, Aryl, besonders bevorzugt Phenyl, geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₁₀-Alkyl, besonders bevorzugt Propyl oder Butyl, oder bilden zusammen einen Cycloalkyl- oder Aryl-Rest, wobei alle vorgenannten Reste gegebenenfalls wiederum durch ein oder mehrere weitere Reste substituiert sein können, ausgewählt aus der Gruppe umfassend geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₁₀-Alkyl, C₁-C₁₀-Alkoxy, Aryl und eine funktionelle Gruppe ausgewählt aus der Gruppe von Hydroxy, Thiol, Thioether, Keton, Aldehyd, Ester, Ether, Amin, Imin, Amid, Nitro, Carbonsäure, Disulfid, Carbonat, Isocyanat, Carbodiimid, Carboalkoxy, Carbamat und Halogen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katalysatoren sind die Reste R⁶ und R⁷ gleich und verschieden und bedeuten geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₁₀-Alkyl, Aryl, besonders bevorzugt Phenyl, C₁-C₁₀-Alkylsulfonat, besonders bevorzugt Methansulfonat, C₆-C₁₀-Arylsulfonat, besonders bevorzugt p-Toluolsulfonat. Gegebenenfalls sind die vorgenannten Reste als Bedeutungen von R⁶ und R⁷ substituiert durch einen oder mehrere weitere Reste ausgewählt aus der Gruppe umfassend geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₅-Alkyl, C₁-C₅-Alkoxy, Aryl und eine funktionelle Grupppe ausgewählt aus der Gruppe von Hydroxy, Thiol, Thioether, Keton, Aldehyd, Ester, Ether, Amin, Imin, Amid, Nitro, Carbonsäure, Disulfid, Carbonat, Isocyanat, Carbodiimid, Carboalkoxy, Carbamat und Halogen.

Besonders bevorzugte Imidazolidinreste (Im) haben die nachfolgenden Strukturen (IIIa–f):

A:

In der allgemeinen Formel (I) ist A ist ein Anion, bevorzugt aus der Gruppe der Halogenide, der Pseudohalogenide, der komplexen Anionen sowie aus der Gruppe der nicht koordinierenden Anionen.

Als Halogenid kann A Fluorid, Chlorid, Bromid oder Jodid bedeuten.

Als Pseudohalogenid kann A beispielsweise Cyanid, Rhodanid, Azid, Cyanurat und Thiocyanurat bedeuten.

A kann ferner ein komlexes Anion wie Perchlorat, Tetrafluoroborat, Tetrafluoroaluminat, Hexafluorophosphat, Hexafluoroarsenat, Hexafluoroantimonat oder Hexachloroantimonat darstellen.

A kann auch ein nichtkoordinierendes Anion wie Tetrakis[pentafluorphenyl]borat, Pentakis[pentafluorphenyl]phosphat, Tetrakis[3,5-trifluormethylphenyl]borat, Pentakis[3,5-trifluormethylphenyl]phosphat oder Pentakis[pentafluorphenyl]cyclohexadienylanion darstellen.

Besonders bevorzugte Katalysatoren sind die der nachfolgenden Strukturen (IVa–c):

wobei
R¹, R², R³ geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₃₀-Alkyl, C₅-C₁₀ Cylcoalkyl oder Aryl darstellen, wobei die C₁-C₃₀-Alkylreste gegebenenfalls durch ein oder mehrere Doppel- oder Dreifachbindungen oder auch ein oder mehrere Heteroatome, bevorzugt Sauerstoff oder Stickstoff, unterbrochen sein können und
A die für die allgemeine Formel (I) genannten Bedeutungen besitzt.

Ganz besonders bevorzugt sind Katalysatoren der allgemeinen Formeln (IVa–c), wobei
der Rest P(R¹R²R³) Triisopropylphosphin, Triphenylphosphin, Tricyclopentadienylphosphin, Tricyclohexylphoshin oder Tricyclopentylphosphin bedeutet und
A Bromid, Tetrafluoroborat, Tetrakis(3,5-trifluoromethylphenyl)borat oder Tetrakis[pentafluorophenyl]borat darstellt.

Diese Katalysatoren der allgemeinen Formel (I) eignen sich hervorragend zur Verwendung zum Metathese-Abbau von Nitrilkautschuk.

Gegenstand der Erfindung ist somit ferner ein Verfahren zum Metathese-Abbau von Nitrilkautschuken, wobei man einen Nitrilkautschuk einer Metathese-Reaktion in Gegenwart eines Katalysators der allgemeinen Formel (I) unterwirft.

Reaktionsbedingungen der Metathese:

Die Menge des für die Metathese eingesetzten Katalysators der allgemeinen Formel (I) hängt von der Natur sowie katalytischen Aktivität des speziellen Katalysators ab. Die Menge an eingesetztem Katalysator, bezogen auf den eingesetzten Nitrilkautschuk, beträgt 5 bis 1.000 ppm Edelmetall, bevorzugt von 10–500 ppm, insbesondere von 25–250 ppm.

Die NBR-Metathese wird üblicherweise in Gegenwart eine Co-Olefins durchgeführt, bei dem es sich bevorzugt um ein geradkettiges oder verzweigtes C₂-C₁₆-Olefin handelt. Geeignet sind beispielsweise Ethylen, Propylen, Isobuten, Styrol, 1-Hexen oder 1-Octen. Bevorzugt wird 1-Hexen oder 1-Octen verwendet. Sofern dieses Co-Olefin flüssig ist (wie beispielsweise 1-Hexen), liegt die Menge des Co-Olefins bevorzugt in einem Bereich von 0,2–20 Gew.% bezogen auf den eingesetzten NBR. Sofern das Co-Olefin ein Gas ist, wie beispielsweise Ethylen, wird die Menge des Co-Olefins so gewählt, dass sich im Reaktionsgefäß ein Druck im Bereich von 1 × 10⁵ Pa–1 × 10⁷ Pa einstellt, bevorzugt ein Druck im Bereich von 5,2 × 10⁵ Pa bis 4 × 10⁶ Pa.

Die Metathese-Reaktion kann in einem geeigneten Lösungsmittel durchgeführt werden, welches den eingesetzten Katalyator nicht deaktiviert und die Reaktion auch nicht in irgendeiner anderen Weise negativ beeinflusst. Bevorzugte Lösungsmittel umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, Dichlormethan, Benzol, Toluol, Methylethylketon, Aceton, Tetrahydrofuran, Tetrahydropyran, Dioxan und Cyclohexan. Das besonders bevorzugte Lösungsmittel ist Chlorbenzol. In manchen Fällen, wenn das Co-Olefin selbst als Lösungsmittel fungieren kann, so z.B. bei 1-Hexen, kann auch auf den Zusatz eines weiteren zusätzlichen Lösungsmittels verzichtet werden.

Die Konzentration des eingesetzten Nitrilkautschuks in der Reaktionsmischung der Metathese ist nicht kritisch, aber es ist natürlich zu beachten, dass die Reaktion nicht durch eine viel zu hohe Viskosität der Reaktionsmischung und die damit verbundenen Mischungsprobleme negativ beeinflusst werden sollte. Bevorzugt liegt die Konzentration des NBR in der Reaktionsmischung im Bereich von 1 bis 20 Gew.%, besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 15 Gew.%, bezogen auf die gesamte Reaktionsmischung.

Der Metathese Abbau wird üblicherweise bei einer Temperatur im Bereich von 20 °C bis 150°C durchgeführt, bevorzugt im Bereich von 30 bis 100 °C, insbesondere im Bereich von 50 bis 90 °C.

Die Reaktionszeit hängt von einer Reihe von Faktoren ab, beispielweise vom Typ des NBR, der Art des Katalysators, der verwendeten Katalysator-Konzentration und der Reaktionstemperatur. Tpyischerweise ist die Reaktion innerhalb von drei Stunden unter normalen Bedingungen beendet. Der Fortschritt der Metathese kann durch Standard-Analytik überwacht werden, z.B. durch GPC oder Bestimmung der Viskosität.

Nitrilkautschuke:

Als Nitrilkautschuke („NBR") können in die Metathese-Reaktion Polymere eingesetzt werden, welche Wiederholungseinheiten mindestens eines konjugierten Diens, mindestens eines α,β-ungesättigten Nitrils und gegebenenfalls einer oder mehrerer weiterer copolymerisierbarer Monomere enthalten.

Das konjugierte Dien kann von jeder Natur sein. Bevorzugt werden (C₄-C₆) konjugierte Diene eingesetzt. Besonders bevorzugt sind 1,3-Butadien, Isopren, 2,3-Dimethylbutadien, Piperylen oder Gemische daraus. Insbesondere bevorzugt sind 1,3-Butadien und Isopren oder Gemische daraus. Ganz besonders bevorzugt ist 1,3-Butadien.

Als α,β-ungesättigtes Nitril kann jedes bekannte α,β-ungesättigte Nitril eingesetzt werden, bevorzugt sind (C₃-C₅)-α,β-ungesättigte Nitrile wie Acrylnitril, Methacrylnitril, Ethacrylnitril oder Mischungen davon. Besonders bevorzugt ist Acrylnitril.

Einen besonders bevorzugten Nitrilkautschuk stellt somit ein Copolymer aus Acrylnitril und 1,3-Butadien dar.

Daneben können noch weitere dem Fachmann bekannte Monomere eingesetzt werden wie z.B. α,β-ungesättigte Carbonsäuren oder deren Ester. Bevorzugt sind dabei Fumarsäure, Maleinsäure, Acrylsäure, Methacrylsäure als Säuren und deren Ester Butylacrylat, Butylmethacrylat, Ethylhexylacrylat und Ethylhexylmethacrylat. Andere Monomere, die eingesetzt werden können, sind ungesättigte Dicarbonsäuren oder Derivate davon, wie Ester oder Amide. Bevorzugt sind Methacrylsäure, Fumarsäure, Butylacrylat und 2-Ethylhexylacrylat.

Die Anteile an konjugiertem Dien und α,β-ungesättigtem Nitril in den einzusetzenden NBR-Polymeren können in weiten Bereichen schwanken. Der Anteil des oder der Summe der konjugierten Diene liegt üblicherweise im Bereich von 40 bis 90 Gew.% und bevorzugt im Bereich von 65 bis 75 Gew.%, bezogen auf das Gesamtpolymer. Der Anteil des oder der Summe der α,β-ungesättigten Nitrile liegt üblicherweise bei 9,9 bis 60 Gew.-%, bevorzugt bei 15 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtpolymer. Die zusätzlichen Monomere können in Mengen von 0,1 bis 40 Gew.%, bevorzugt 1 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtpolymer, vorliegen. Die Anteile aller Monomere summieren sich jeweils zu 100 Gew.% auf.

Die Herstellung der Nitrilkautschuke durch Polymerisation der vorgenannten Monomere ist dem Fachmann hinlänglich bekannt und in der Literatur (z.B. Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie Bd.14/1, Georg Thieme Verlag Stuttgart 1961) umfangreich beschrieben.

Die zur Metathese eingesetzten Nitrilkautschuke besitzen eine Mooney-Viskosität (ML 1 + 4 @100°C) im Bereich von 30 bis 70, bevorzugt von 30 bis 50. Dies entspricht einem Gewichtsmittel des Molekulargewicht M_w im Bereich von 200.000–500.000, bevorzugt im Bereich von 200.000–400.000. Die eingesetzten Nitrilkautschuke besitzen ferner eine Polydispersität PDI = M_w/M_n, wobei M_n das Zahlenmittel des Molekulargewichts darstellt, im Bereich von 2,0–6,0 und bevorzugt im Bereich von 2,0–4,0.

Die Bestimmung der Mooney-Viskosität erfolgt dabei gemäß ASTM Norm D 1646.

Abgebaute Nitrilkautschuke:

Die durch das erfindungsgemäße Metathese-Verfahren erhaltenen Nitrilkautschuke besitzen eine Mooney-Viskosität (ML 1 + 4 @100°C) im Bereich von 5–30, bevorzugt von 5–20 Dies entspricht einem Gewichtsmittel des Molekulargewicht M_w im Bereich von 10.000–200.000, bevorzugt im Bereich von 10.000–150.000. Die erhaltenen Nitrilkautschuke besitzen ferner eine Polydispersität PDI = M_w/M_n, wobei M_n das Zahlenmittel des Molekulargewichts darstellt, im Bereich 1,5–4,0 bevorzugt im Bereich von 1,7–3.

Hydrierung:

An das erfindungsgemäße Verfahren des Metathese-Abbaus kann sich eine Hydrierung der erhaltenen abgebauten Nitrilkautschuke anschließen. Diese kann in der dem Fachmann bekannten Art und Weise erfolgen.

Es ist möglich, die Hydrierung unter Einsatz homogener oder heterogener Hydrierkatalysatoren durchzuführen. Es ist ferner möglich, die Hydrierung in-situ durchzuführen, d.h. in dem gleichen Reaktionsgefäß, in dem zuvor auch der Metathese-Abbau erfolgte und ohne Notwendigkeit den abgebauten Nitrilkautschuk zu isolieren. Der Hydrierkatalysator wird einfach dem Reaktionsgefäß zugesetzt.

Geeignet ist beispielsweise die Umsetzung mit Wasserstoff unter Einsatz homogener Katalysatoren, wie z.B. dem als „Wilkinson"-Katalysator ((PPh₃)₃RhCl) bekannten sowie Tetrakis(triphenylphosphin)-rhodium-hydrid oder anderen.

Verfahren zur Hydrierung von Nitrilkautschuk sind bekannt. Rhodium, Ruthenium oder Titan werden üblicherweise als Katalysatoren verwendet, wobei aber auch Platin, Iridium, Palladium, Rhenium, Ruthenium, Osmium, Kobalt oder Kupfer entweder als Metall, oder aber bevorzugt in Form von Metallverbindungen eingesetzt werden können (siehe z.B.US-A-3,700,637, DE-A-2 539 132, EP-A-0 134 023, DE-OS-35 41 689, DE-OS-35 40 918, EP-A-0 298 386, DE-OS-35 29 252, DE-OS-34 33 392, US-A-4,464,515 und US-A-4,503,196).

Geeignete Katalysatoren und Lösungsmittel für eine Hydrierung in homogener Phase werden im folgenden beschrieben und sind auch aus DE-A-25 39 132 und der EP-A-0 471 250 bekannt Die selektive Hydrierung kann beispielsweise in Gegenwart eines Rhodium- oder Ruthemiumhaltigen Katalysators erreicht werden. Einsetzbar ist beispielsweise ein Katalysator der allgemeinen Formel (R¹ _mB)₁ M X_n, worin M Ruthenium oder Rhodium ist, R¹ gleich oder verschieden sind und eine C₁-C₈ Alkylgruppe, eine C₄-C₈ Cycloalkylgruppe, eine C₆-C₁₅ Aryl-Gruppe oder eine C₇-C₁₅ Aralkylgruppe darstellen. B ist Phosphor, Arsen, Schwefel oder eine Sulfoxid-Gruppe S=O, X ist Wasserstoff oder ein Anion, vorzugsweise Halogen und besonders bevorzugt Chlor oder Brom, 1 ist 2,3 oder 4, m ist 2 oder 3 und n ist 1,2 oder 3, bevorzugt 1 oder 3. Bevorzugte Katalysatoren sind Tris(triphenylphosphin)-rhodium(I)-chlorid, Tris(triphenylphosphin)-rhodium(III)-chlorid und Tris(dimethylsulfoxid)-rhodium(III)-chlorid sowie Tetrakis(triphenylphosphin)-rhodium-hydrid der Formel (C₆H₅)₃P)₄RhH und die entsprechenden Verbindungen, in denen das Triphenylphosphin ganz oder teilweise durch Tricyclohexylphosphin ersetzt wurde. Der Katalysator kann in kleinen Mengen benutzt werden. Eine Menge im Bereich von 0,01–1 Gew.%, bevorzugt im Bereich von 0,03–0,5 Gew.% und besonders bevorzugt im Bereich von 0,1–0,3 Gew.% bezogen auf das Gewicht des Polymers sind geeignet.

Üblicherweise ist es sinnvoll, den Katalysator zusammen mit einem Co-Katalysator zu verwenden, der ein Ligand der Formel R¹ _mB ist, wobei R¹, m und B die zuvor genannten Bedeutungen besitzen. Bevorzugt ist m gleich 3, B gleich Phosphor und die Reste R¹ können gleich oder verschieden sein. Bevorzugt handelt es sich um Co-Katalysatoren mit Trialkyl, Tricycloalkyl, Triaryl, Triaralkyl, Diaryl-monoalkyl, Diaryl-monocycloalkyl, Dialkyl-monoaryl, Dialkylmonocycloalkyl, Dicycloalkyl-monoaryl oder Dicyclalkyl-monoaryl-Resten.

Beispiele von Co-Katalysatoren finden sich beispielsweise in US-A-4,631,315. Bevorzugter Co-Katalysator ist Triphenylphosphin. Der Co-Katalysator wird bevorzugt in Mengen in einem Bereich von 0,3–5 Gew.%, bevorzugt im Bereich von 0,5–4 Gew.% eingesetzt, bezogen auf das Gewicht des zu hydrierenden Nitrilkautschuks. Bevorzugt ist ferner das Gewichtsverhältnis des Rhodium-haltigen Katalysators zum Co-Katalysator im Bereich von 1:3 bis 1:55, bevorzugt im Bereich von 1:5 bis 1:45. Bezogen auf 100 Gewichtsteile des zu hydrierenden Nitrilkautschuks werden geeigneterweise 0,1 bis 33 Gewichtsteile des Co-Katalyators, bevorzugt 0,5 bis 20 und ganz besonders bevorzugt 1 bis 5 Gewichtsteile, insbesondere mehr als 2 aber weniger als 5 Gewichtsteile Co-Katalysator bezogen auf 100 Gewichtsteile des zu hydrierenden Nitrilkautschuks eingesetzt.

Die praktische Durchführung dieser Hydrierung ist dem Fachmann aus US-A-6,683,136 hinlänglich bekannt. Sie erfolgt üblicherweise, indem man den zu hydrierenden Nitrilkautschuk in einem Lösungsmittel wie Toluol oder Monochlorbenzol bei 100–150 °C und einem Druck von 50– 150 bar für 2–10 h mit Wasserstoff beaufschlagt.

Unter Hydrierung wird im Rahmen dieser Erfindung eine Umsetzung der im Ausgangs-Nitrilkautschuk vorhandenen Doppelbindungen zu mindestens 50 %, bevorzugt 70–100%, besonders bevorzugt 80–100%, verstanden.

Bei Einsatz heterogener Katalysatoren handelt es sich üblicherweise um geträgerte Katalysatoren auf der Basis von Palladium geträgert z. B. auf Kohle, Kieselsäure, Calciumxoid, Bariumsulfat etc.

Nach Abschluss der Hydrierung erhält man einen hydrierten Nitrilkautschuk mit einer Mooney-Viskosität (ML 1 + 4 @100°C) im Bereich von 10–50, bevorzugt von 10–30. Dies entspricht einem Gewichtsmittel des Molekulargewicht M_w im Bereich von 20.00–400.000 g/mol, bevorzugt im Bereich von 20.000–200.000. Die erhaltenen hydriereten Nitrilkautschuke besitzen ferner eine Polydispersität PDI = M_w/M_n, wobei M_n das Zahlenmittel des Molekulargewichts darstellt, im Bereich von 1–5 und bevorzugt im Bereich von 1,5–3.

I Synthese von erfindungsgemäßen Katalysatoren

• [Dichloro(1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexylphosphoniocarben)]tetrafluoroborat (2) in B2;
• [Dichloro(1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexylphosphoniocarben)] [Tetrakis(3,5-trifluoromethylphenyl)borat] (3) in B3
• [Dichloro(4,5-dibutyl-1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexylphosphoniocarben)]tetrafluoroborat (6) in B8

B1 Carbido(dichloro)-1,3-dimesityldihydroimidazolyl-iden(tricyclohexylphosphin)ruthenium (1)
In ein 25ml Schlenkgefäss wurden (1,3-Dimesityldihydroimidazolyliden)(PCy₃) Cl₂Ru=CHPh (0.42 g; 0.5 mmol) und trans-3-Methylen-1,2-cyclopropandicarbonsäurediethylester (0.10 g; 0.5 mmol) vorgelegt. Unter Stickstoff als Schutzgas wurde trockenes CH₂Cl₂ (5 ml) dazugegeben und die rot-braune Lösung 12 Stunden gerührt. Danach wurde das Lösungsmittel der resultierenden orange-braunen Lösung im Hochvakuum abgezogen. Unter Stickstoff wurde der braune Rückstand in Hexan (2 ml) aufgenommen, 1 Stunde gerührt und dann filtriert. Zweimaliges Waschen des Rückstandes mit Hexan ergab Carbido(dichloro)-1,3-dimesityldihydroimidazolyliden(tricyclohexylphosphin)ruthenium (1) als hellbraunen Festkörper (0.23 g; 60 %).
¹H NMR (300 MHz, CDCl₃): δ 6.95 (s, 2H), 6.89 (s, 2H), 4.07 (m, 4H), 2.53 (s, 6H), 2.49 (s, 6H), 2.31 (breit s, 3H), 2.29 (s, 3H), 2.24 (s, 3H), 1.88, 1.62, 1.13 (alle m, 30 H).
³¹P NMR (121 MHz, CDCl₃): δ 34.7 (s). B2 [Dichloro(1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexylphosphoniocarben)]tetrafluoroborat (2)
Sämtliche Glasgeräte wurden in einem Ofen bei 160 °C getrocknet.
In einem 25 ml Schlenkgefäss wurde Verbindung (1) aus Beispiel B1 (0.15 g; 0.195 mmol) unter Stickstoff als Schutzgas vorgelegt. Dazu wurden im Vakuum 10 ml trockenes CH₂Cl₂ einkondensiert und danach die Reaktionsmischung auf Raumtemperatur aufgewärmt. [H(Et₂O)₂]BF₄ (0.027 ml; 0.195 mmol) wurde mit einer Spritze zugegeben, worauf die Farbe der Lösung nach grün-braun umschlug. Es wurde 2 Stunden gerührt und danach das Lösungsmittel im Ölpumpenvakuum abgezogen. Der ölige Rückstand wurde 1 Stunde lang unter Stickstoff mit 2ml Hexan extrahiert und filtriert. Nach weiterem zweimaligen Waschen mit Hexan wurde [Dichloro(1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexylphosphoniocarben)]tetrafluoroborat (2) als grün-brauner mikrokristalliner Festkörper erhalten (0.15 g; 90 %).
¹H NMR (300 MHz, CD₂Cl₂): δ 17.86 (d, J = 36 Hz, 1H), 7.11 (s, 4H), 4.21 (s, 4H), 2.40 (s, 6H), 2.38 (s, 12H), 2.34 (breit s, 3H), 1.82, 1.25 (all m, 30 H). B3 [Dichloro(1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexylphosphoniocarben)][Tetrakis(3,5-trifluoromethylphenyl)borat] (3)
Sämtliche Glasgeräte wurden in einem Ofen bei 160 °C getrocknet.
In einem 25 ml Schlenkgefäss wurde Verbindung 1 aus Beispiel B1 (0.231 g; 0.3 mmol) und [H(Et₂O)₂][B[3,5-(CF₃)₂C₆H₃]₄] (0.304 ml; 0.3 mmol) vorgelegt. Im Vakuum wurde trockenes CH₂Cl₂ (15 ml) einkondensiert und die Mischung danach auf Raumtemperatur aufgewärmt. Nach 2-stündigem Rühren wurde das Lösungsmittel im Ölpumpenvakuum abgezogen. Das verbleibende Öl wurde unter Stickstoff für 1 Stunde mit Hexan ausgezogen und das überstehende Lösungsmittel dekantiert. Das Waschen mit Hexan wurde einmal wiederholt. Es wurde [Dichloro(1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexylphosphoniocarben)][Tetrakis(3,5-trifluoromethyl phenyl)borat] (3) als grünlich-brauner Festkörper erhalten (0.46 g; 94 %).
¹H NMR (300 MHz, CD₂Cl₂): δ 18.08 (d, J = 38 Hz, 1H), 7.72 (m, 8H), 7.56 (s, 4H), 7.07 (s, 4H), 4.15 (s, 4H), 2.37 (s, 18H), 2.33 (breit s, 3H), 1.80, 1.24 (alle m, 30 H).
³¹P NMR (121 MHz, CDCl₃): δ 51.2 (breit).
Theoretische Gehalte für C₇₂H₇₂BCl₂F₂₄N₂PRu: C: 52.89%, H: 4.44%, N: 1.71%
Analytisch bestimmt: C: 52.92%, H: 4.35%, N: 1.73%.
B4: N,N-Dimesityldecan-5,6-diamin
In einem 150 ml Schlenkgefäss wurde N,N-Dimesitylethanediimin (2.92 g; 10 mmol) unter Stickstoff als Schutzgas in 30 ml THF gelöst und die Lösung auf –78 °C gekühlt. Danach wurde 1.6 M Butyllithium in Hexan (13.8 ml; 22 mmol) langsam zur enthaltenen Suspension bei –78 °C gegeben. Die Reaktionsmischung wurde innerhalb 1 Stunde auf –10 °C aufgewärmt und bei dieser Temperatur eine weitere Stunde gerührt. Danach wurde das Lösungsmittel abgezogen und 15 ml Diethylether und 10 ml Wasser im Eisbad dazugegeben. Die wässrige Schicht wurde mit zweimal 5 ml Ether extrahiert und die vereinten Extrakte über gepulvertem NaOH getrocknet. Nach Abziehen des Lösungsmittels hinterbleibt ein orangenes Öl. Das Rohprodukt wurde auf einer Kieselgelsäule (50 g) chromatographiert und mit Petrolether/Toluol (1:1) eluiert. Nach Abziehen des Lösungsmittels ergaben sich gelbe Kristalle des N,N-Dimesityldecan-5,6-diamins (2.67 g; 65 %).
¹H NMR (300 MHz, CDCl₃): δ 6.74 (s, 4H), 3.12 (breit s, 2H), 2.98 (breit s, 2H), 2.22 (s, 6H), 2.05 (s, 12H), 1.74 (m, 2H), 1.49 (m, 2H), 1.30 (m, 8H), 0.89 (t, J = 6.8 Hz, 6H).
¹³C NMR (75 MHz, CDCl₃): δ 141.9, 130.2, 129.6, 128.8, 58.0, 31.1, 29.5, 23.1, 20.5, 18.8, 14.1.
Theoretische Gehalte für C₂₈H₄₄N₂: C: 82.29%, H: 10.85%, N: 6.85%
Analytisch bestimmt: C: 82.20%, H: 10.66%, N: 6.91%
MS: m/z (%): 408 (1), 333 (3), 204 (100), 146 (85), 44 (92) B5: (4,5-Dibutyl-1,3-dimesityl-4,5-dihydroimidazolium]tetrafluoroborat
In einem 25 ml Rundkolben wurde N,N-Dimesityldecan-5,6-diamin aus Beispiel B3 (0.817 g; 2 mmol), NH₄BF₄ (0.21 g; 2 mmol) und Triethylorthoformat (0.42 ml; 2.5 mmol) gegeben. Die Reaktionsmischung wurde für 4 Stunden auf 130 °C unter einem ständigen Stickstoffstrom erhitzt. Das Abziehen des Lösungsmittels ergab ein braunes Öl, welches mit 2 ml Diethylether 1 Stunde gerührt wurde. Der Diethylether wurde abdekantiert und der Waschvorgang mit Diethylether zweimal wiederholt. Es ergaben sich dunkle Kristalle als Rohprodukt, welche einer Säulenchromatographie auf Kieselgel (15 g) unterworfen wurden. Nach Elution mit Essigsäureethylester und Abziehen des Lösungsmittels erhielt man das Dihydroimidazoliumsalz als hellbraunes Pulver (0.72 g; 71 %).
¹H NMR (300 MHz, CDCl₃): δ 8.50 (s, 1H), 7.00 (s, 2H), 6.98 (s, 2H), 4.20 (breit s, 2H), 2.35 (s, 6H), 2.33 (s, 6H), 2.31 (s, 6H), 1.80 (m, 4H), 1.31 (m, 8H), 1.14 (m, 2H), 0.86 (t, J = 6.9 Hz, 6H).
¹³C NMR (75 MHz, CDCl₃): δ 158.4, 140.4, 135.7, 134.4, 130.4, 128.9, 69.4, 32.9, 27.2, 22.3, 21.1,18.4,18.1,13.7.
MS: m/z (%): 419 (22), 361 (100), 305 (12), 280 (10), 146 (11), 135 (32), 57 (11).
B6: Dichloro(-4,5-dibutyl-1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricydohexylphosphin) (phenylcarben)ruthenium (4)
Eine Lösung von KO^tBu (0.133 g; 1.181 mmol) in 20 ml THF wurde in einer Glovebox zubereitet und aus der Box genommen. Das [4,5-Dibutyl-1,3-dimesityl-4,5-dihydroimidazolium] tetrafluoroborat aus Beispiel B4 (0.57 g; 1.125 mmol) wurde in 10 ml THF unter Stickstoff als Schutzgas gelöst und in ein 150 ml Schlenkgefäss gegeben. Die KO^tBu-Lösung wurde bei Raumtemperatur mit der braunen Lösung des [4,5-Dibutyl-1,3-dimesityl-4,5-dihydroimidazolium] tetrafluoroborats vereint. Die trübe, gelb-orange Lösung wurde 1 Stunde gerührt; danach wurde eine Lösung von (PCy₃)₂Cl₂Ru=CHPh (0.741 g; 0.9 mmol) in 40 ml Benzol mit einer Spritze zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde 1.5 Stunden auf 80 °C erhitzt und das Lösungsmittel anschliessend abgezogen. Der Rückstand wurde über eine Kieselgelsäule (10 g) chromatographiert und das Rohprodukt mit einer Petrolether/Diethylether-Mischung (4:1) als rote Zone eluiert. Das Lösungsmittel wurde abgezogen. Unter Stickstoff wurde das rote Öl bei 0 °C für 1 Stunde mit 2 ml Hexan ausgezogen und danach abfiltriert. Nach zweimaligem Waschen des Rückstandes mit Hexan wurde Dichloro(4,5-dibutyldihydroimidazolyliden)(tricydohexylphosphin)(phenylcarben) ruthenium (4) als rosa Festkörper (0.48 g; 55 %) erhalten.
¹H NMR (300 MHz, CD₂Cl₂): δ 19.14 (d, J = 132 Hz, 1H), 8.96 (breit s, 1H), 7.36 (breit s, 1H), 7.23–6.52 (m, 6H), 5.96, 5.71 (zwei breit s, 1H), 3.79 (breit s, 2H), 2.90–0.65 (m, 51H).
³¹P NMR (121 MHz, CD₂Cl₂): δ 27.6 (s).
¹³C NMR (75 MHz, CD₂Cl₂): δ 295.0, 221.7, 220.7, 151.8, 140.5, 139.4 (breit), 138.6, 137.8, 137.4, 135.4 (breit), 132.4 (breit), 130.8, 130.5, 129.8, 128.0 (breit), 71.7, 70.6, 69.3, 34.9, 34.5 (breit), 32.0 (breit), 29.7 (breit), 28.8, 28.6, 28.5, 28.4, 26.8, 23.6, 23.4, 22.5, 21.5, 21.3, 20.6, 19.5 (breit), 14.3, 14.2.
Theoretische Gehalte für C₅₄H₈₁Cl₂N₂PRu: C: 67.48%, H: 8.49%, N: 2.91%
Analytisch bestimmt: C: 67.29%, H: 8.30%, N: 2.95%.
B7: Carbido(dichloro)(4,5-dibutyl-1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexyl phosphin)ruthenium (5)
Dichloro(-4,5-dibutyldihydroimidazolyliden)(tricydohexylphosphin)(phenylcarben)ruthenium aus Beispiel B5 (0.48 g; 0.5 mmol) und trans-3-Methylen-1,2-cyclopropandicarbonsäurediethylester (0.10 g; 0.5 mmol) wurden in ein 25 ml Schlenkgefäss gegeben. Unter Stickstoff als Schutzgas wurde 5 ml trockenes CH₂Cl₂ hinzugefügt. Die erhaltene rot-braune Lösung wurde für 12 Stunden gerührt. Danach wurde die braune Lösung im Hochvakuum abgezogen. Der ölige Rückstand wurde für 1 Stunde unter Stickstoff mit 2 ml Hexan behandelt. Nach Filtration wurde zweimal mit Hexan gewaschen, wobei Carbido(dichloro)(4,5-dibutyl-1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclo hexylphosphin)ruthenium (5) als hellbrauner Festkörper erhalten wurde (0.35 g; 79 %).
¹H NMR (300 MHz, CDCl₃): δ 6.90 (pseudo t, J = 12 Hz, 4H), 3.91 (m, 1H), 3.79 (m, 1H), 2.53 (s, 3H), 2.51 (s, 3H), 2.50 (s, 3H), 2.48 (s, 3H), 2.31 (breit s, 3H), 2.28 (s, 3H), 2.24 (s, 3H), 1.98–1.48, 1.40–0.94 (alle m, 42 H), 0.85 (t, J = 6.9 Hz, 3H), 0.83 (t, J = 6.9 Hz, 3H).
³¹P NMR (121 MHz, CDCl₃): δ 34.0 (s).
¹³C NMR (75 MHz, CDCl₃): δ 480.8, 211.5, 210.3, 139.5, 139.1, 137.5, 137.4, 137.3, 136.8, 134.8, 129.8, 129.7, 129.5, 129.2, 70.5, 69.1, 34.4, 34.0, 31.2, 30.9, 29.2, 29.0, 27.9, 27.8, 27.7, 26.3, 22.7, 22.6, 21.6, 21.1, 20.9, 20.6, 20.2, 19.0, 13.8, 13.7.
Theoretische Gehalte für C₄₈H₇₅Cl₂N₂PRu: C: 65.29%, H: 8.56%, N: 3.17%
Analytisch bestimmt: C: 65.21%, H: 8.48%, N: 3.13% B8 [Dichloro(4,5-dibutyl-1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexyl phosphonio carben)]tetrafluoroborat (6)
Sämtliche Glasgeräte wurden in einem Ofen bei 160 °C getrocknet.
In einem 25 ml Schlenkgefäss wurde Carbido(dichloro)(4,5-dibutyl-1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexylphosphin)ruthenium (5) aus Beispiel B6 (0.31 g; 0.35 mmol) vorgelegt und 10 ml trockenes CH₂Cl₂ in Vakuum dazu kondensiert und unter Stickstoff die Mischung auf Raumtemperatur aufgewärmt. [H(Et₂O)₂]BF₄(0.048 ml; 0.35 mmol) wurde mit einer Spritze dazugegeben, worauf die Reaktionsmischung grün-schwarz wurde. Nach 2 Stunden Rühren wurde das Lösungsmittel in Ölpumpen Vakuum abgezogen. Der ölige Rückstand wurde unter Stickstoff 1 Stunde lang mit 2 ml Hexan behandelt und danach abfiltriert. Der Waschvorgang wurde einmal wiederholt, wobei Dichloro(4,5-dibutyl-1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexyl phosphoniocarben)]tetrafluoroborat (6) als dunkelgrüner mikrokristalliner Festkörper anfiel (0,32 g; 94 %).
¹H NMR (300 MHz, CD₂Cl₂): δ 19.83, 19.11, 18.44 (alle s, 1H), 7.66–6.90 (m, 4H), 4.84 (m, 1H), 3.72 (m, 1H), 2.80–2.18, 2.00–0.62 (beide m, 51H).
³¹P NMR (121 MHz, CDCl₃): δ 34.0 (s).
¹³C NMR (75 MHz, CDCl₃): δ 194.8, 143.4 (breit), 139.0 (breit), 137.7, 136.8, 135.9, 135.2, 134.9, 134.0, 130.9, 129.8, 128.7, 121.7, 68.1, 66.0 (breit), 32.9, 30.9, 30.3, 28.6, 27.1, 27.0, 26.9, 26.7, 25.8, 23.1, 22.9, 21.6, 20.6, 20.2, 14.2, 14.1, –0.1, –0.8
Theoretische Gehalte für C₄₈H₇₆BCl₂F₄N₂PRu: C: 59.38%, H: 7.89%, N: 2.89%
Analytisch bestimmt: C: 59.01%, H: 7.68%, N: 2.75%
II Stabilität des erfindungsgemäßen Katalysators aus Beispiel B3 [Dichloro(1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexylphosphoniocarben)] Tetrakis (3,5-tri fluormethylphenyl)borat (Ruthenium-Verbindung 3 aus Beispiel B3) im Vergleich mit 1,3-bis(2,4,6-trimethylphenyl)-2-imidazolidenyliden)(tricyclohexylphosphin)-Ruthenium(phenylmethylen)dichlorid ("Grubbs-(II)-Katalysator") in Lösung).
Die Stabilität der gelösten Katalysatoren wurden mittels NMR in Deuterochloroform (CDCl₃) und in Deuterobenzol (C₆D₆) bestimmt.
Hierbei wurde [Dichloro(1,3-dimesityldihydroimidazolyliden) (tricyclohexylphosphoniocarben)] [Tetrakis (3,5-trifluoromethylphenyl)borat] (erfindungsgemäße Ruthenium-Verbindung 3 aus Beispiel B3) mit 1,3-bis(2,4,6-trimethylphenyl)-2-imidazolidenyliden)(tricyclohexylphosphin)-ruthenium(phenylmethylen)dichlorid_(Grubbs-(II)-Katalysator) vergleichend untersucht. Der Grubbs-(II)-Katalysator wurde von Materia Inc. (Pasadena California/USA) käuflich erworben. Es wurden jeweils 0,01 molare Lösungen (4,2 mg Grubbs-(II)-Katalysator pro 0,5 ml Lösungsmittel und 8,2 mg Katalysator aus B3 pro 0,5 ml Lösungsmittel) eingesetzt wurden. Die Herstellung der Lösungen erfolgte ohne Schutzgas an der Luft. Mit den Lösungen wurden NMR-Röhrchen befüllt, die bei 24°C gelagert wurden. In einem zeitlichen Abstand von jeweils 30 min wurden die NMR-Röhrchen an der Luft geöffnet und heftig geschüttelt. Die Konzentrationsbestimmungen wurden stündlich durchgeführt.
In Deuterochloroform wurden folgende zeitlichen Abhängigkeiten der relativen Konzentrationen bestimmt:
Während der Standzeit der Katalysatorlösungen änderte sich die Farbe des Grubbs-(II)-Katalysators von violett nach orange-braun. Als Zersetzungsprodukt des Grubbs-(II)-Katalysators bildete sich Benzaldehyd. Die Lösung des erfindungsgemäßen Katalysators aus B3 war anfangs orange. Während der Standzeit der Lösung wurde die Farbe kaum erkennbar dunkler. Zersetzungsprodukte des erfindungsgemäßen Katalysators aus B3 waren mittels NMR nicht detektierbar.
In Deuterobenzol wurden folgende zeitlichen Abhängigkeiten der relativen Konzentrationen bestimmt:
Während der Standzeit der Katalysatorlösungen änderte sich die Farbe des Grubbs-(II)-Katalysators von violett nach dunkelbraun. Als Zersetzungsprodukt des Grubbs-(II)-Katalysators bildete sich Benzaldehyd. Die Lösung des erfindungsgemäßen Katalysators aus B3 war anfangs hellgrün. Während der Standzeit der Lösung des erfindungsgemäßen Katalysators aus B3 war keine Farbänderung zu beobachten. Zersetzungsprodukte des erfindungsgemäßen Katalysators aus B3 waren mittels NMR nicht detektierbar.
Die Untersuchungen zeigen, dass der erfindungsgemäße Katalysator aus B3 [Dichloro(1,3-dimesityldihydro-imidazolyliden)(tricyclohexyl-phosphoniocarben)] [Tetrakis (3,5-trifluoromethylphenyl)borat] in sauerstoffhaltigen Lösungsmitteln eine signifikant bessere Stabilität besitzt als entsprechende Lösungen des Grubbs-(II)-Katalysators.
III. Verwendung der erfindungsgemäßen Ru-Katalysatoren aus den Beispielen B2, B3 und B8 für den Metathese-Abbau von Nitrilkautschuken
Die nachfolgend beschriebenen Abbaureaktionen wurden unter Einsatz des Nitrilkautschuks Perbunan^® NT 3435 der Lanxess Deutschland GmbH durchgeführt. Dieser Nitrilkautschuk wies folgende charakteristischen Kenngrößen auf:

Acrylnitrilgehalt: 35 Gew.%

Mooneywert (ML 1 + 4 @100°C): 34 Mooneyeinheiten

Restfeuchte: 1,8 Gew.%

M_w: 240.000 g/mol

M_n: 100.000 g/mol

PDI (M_w/M_n): 2,4
Nachfolgend wird dieser Nitrilkautschuk mit NBR abgekürzt.
Für den Metatheseabbau wurden jeweils 293,3 g Chlorbenzol (nachfolgend „MCB" genannt/Firma Aldrich) verwendet, das vor Einsatz destilliert und bei Raumtemperatur durch Durchleiten von Luft mit Sauerstoff gesättigt wurde. Hierin wurden 40 g NBR während eines Zeitraums von 10 h bei Raumtemperatur gelöst. Zu den NBR-haltigen Lösung wurden jeweils 0,8 g (2 phr) 1-Hexen gegeben und zur Homogenisierung 30 min gerührt.
Für die Durchführung der Metathesereaktionen wurden die in den nachfolgenden Tabellen angegebenen Mengen der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Ru-Katalysatoren aus den Beispielen B2, B3 und B7 eingesetzt. Die Ru-Katalysatoren wurden hierfür jeweils in 20 g MCB bei Raumtemperatur ohne Verwendung von Schutzgas gelöst. Vor dem Einsatz von MCB für die Herstellung der Katalysatorlösungen wurde jeweils bei Raumtemperatur Luft durchgeleitet, um das Lösungsmittel mit Sauerstoff zu sättigen. Bei den Versuchsserien 1) und 2) erfolgte die Zugabe der Katalysatorlösungen zu den NBR-Lösungen in MCB sofort nach der Herstellung der Katalysatorlösungen. Bei der Versuchsserie 3) wurde die Katalysatorlösung vor der Verwendung 4 Tage bei 40°C gelagert.
Die Reaktionstemperaturen bei der Durchführung der Metathesereaktionen sind in den nachfolgenden Tabellen vermerkt. Nach den in den Tabellen angegebenen Reaktionszeiten wurden von den Reaktionslösungen jeweils ca. 5 ml Lösung entnommen und zur Abstoppung unmittelbar mit ca. 0,2 ml Ethylvinylether versetzt und anschließend mit 5 ml DMAc (N,N-Dimethylacetamid) der Firma Aldrich verdünnt. Von diesen Lösungen wurden jeweils 2 ml in ein GPC-Gläschen gegeben und mit DMAc auf 3 ml verdünnt. Vor Durchführung der GPC-Analyse wurden die Lösungen jeweils mittels eines 0,2μm-Spritzenfilters aus Teflon (Chromafil PTFE 0,2 μm; Firma Machery-Nagel) filtriert. Im Anschluss daran erfolgte die GPC-Analyse mit einem Gerät der Firma Fa. Waters (Mod. 510). Für die Analytik wurde eine Kombination von 4 Säulen der Polymer Laboratories verwendet: 1) PLgel 5μm Mixed-C, 300 × 7,5mm, 2) PLgel 5μm Mixed-C, 300 × 7,5mm, 3) PLgel 3μm Mixed-E, 300 × 7,5mm, und 4) PLgel 3μm Mixed-E, 300 × 7,5mm.
Die Kalibrierung der GPC-Säulen erfolgte mit linearem Poly(methylmethacrylat) der Firma Polymer Standards Services. Als Detektor wurde ein RI-Detektor der Firma Waters (Waters 410) verwendet. Die Analytik wurde mit einer Flussrate von 0,5 mL/min durchgeführt, wobei als Eluent DMAc verwendet wurde. Die Auswertung der GPC-Kurven erfolgte mit Software der Firma Millenium.
Mittels GPC-Analyse wurden folgende charakteristischen Kenngrößen sowohl für den NBR-Originalkautschuk (vor dem Abbau) als auch für die abgebauten Produkte bestimmt:
M_w [kg/mol]: Gewichtsmittel der Molmasse
M_n [kg/mol]: Zahlenmittel der Molmasse
PDI: Breite der Molmassenverteilung (M_w/M_n)
Mit den zuvor beschriebenen Ru-Verbindungen B2, B3 und B8 wurden drei Versuchsserien durchgeführt, in denen gezeigt wird, dass diese Ru-Verbindungen für die Katalyse des NBR-Abbaus geeignet sind: Versuchsserie 1) NBR-Metathese unter Verwendung von [Dichloro(1,3-dimesityldihydroimidazolyliden) (tricyclohexylphosuhoniocarben)]tetrafluoroborat (Ru-Katalysator (2) aus B2)

Tabellen 1a und 1b:
In der Versuchsserie 1) wird gezeigt, dass der erfindungsgemäße Ru-Katalysator (2) aus Beispiel B2 in einer mit Sauerstoff gesättigten MCB-Lösung den Metatheseabbau von NBR bei einer Reaktionstemperatur von 55 °C katalysiert. Der in der Versuchsserie 1) erhaltene abgebaute NBR ist gelfrei.
Versuchsserie 2) NBR-Metathese unter Verwendung von [Dichloro(1,3-dimesityldihydro-imidazolyliden) (tricyclohexyl-phosphoniocarben)] [Tetrakis (3,5-trifluoromethylphenyl)borat] (erfindungsgemäßer Ru-Katalysator (3) aus B3)
Tabellen 2a und 2b:
In der Versuchsserie 2) wird gezeigt, dass der erfindungsgemäße Ru-Katalysator (3) aus B3 in einer mit Sauerstoff gesättigten MCB-Lösung bei 55°C die Metathese von NBR katalysiert. Der in der Versuchsserie 2) erhaltene abgebaute NBR ist gelfrei.
Versuchsserie 3)
NBR-Metathese unter Verwendung von [Dichloro(4,5-dibutyl-1,3-dimesityldihydroimidazolyliden)(tricyclohexylphosphoniocarben)]tetrafluoroborat (erfindungsgemäßer Ru-Katalysator (6) aus B8)
Bei dieser Versuchsserie wurde die sauerstoffhaltige MCB-Lösung des erfindungsgemäßen Ru-Katalysators (6) aus B8 4 Tage vor Verwendung bei 40°C gelagert.
In der Versuchsserie 3) wird gezeigt, dass der erfindungsgemäße Ru-Katalysator (6) aus B8 in einer mit Sauerstoff gesättigten MCB-Lösung auch nach Lagerung der Katalysatorlösung bei 40°C über einen Zeitraum von 4 Tagen die Metathese von NBR bei 23°C katalysiert. Der in der Versuchsserie 3) erhaltene abgebaute NBR ist gelfrei.

Claims

Katalysator der allgemeinen Formel (I)
wobei M Ruthenium oder Osmium bedeutet, X¹ und X² gleich oder verschieden sein können und anionische Liganden darstellen, R¹, R² und R³ gleich oder verschieden sind und organische Reste darstellen, Im einen gegebenenfalls substituierten Imidazolidinrest darstellt und A ein Anion darstellt.
Katalysator gemäß Anspruch 1, wobei X¹ und X² in der allgemeinen Formel (1) gleich oder verschieden und beispielsweise Wasserstoff, Halogen, Pseudohalogen, C₁-C₂₀-Alkyl, Aryl, C₁-C₂₀-Alkoxy, Aryloxy, C₃-C₂₀-Alkyldiketonat, Aryldiketonat, C₁-C₂₀-Carboxylat, Arylsulfonat, C₁-C₂₀-Alkylsulfonat, C₁-C₂₀-Alkylthiol, Arylthiol, C₁-C₂₀-Alkylsulfonyl oder C₁-C₂₀-Alkylsulfinyl-Reste darstellen.
Katalysator gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2, wobei der Rest P(R¹R²R³) in der allgemeinen Formel (I) Triphenylphosphin, Tricyclopentadienylphosphin, Tricyclohexylphoshin, Tricyclopentylphosphin oder Triisopropylphosphin bedeutet.
Katalysator gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Imidazolidinrest (Im) in der allgemeinen Formel (I) eine Struktur der allgemeinen Formeln (IIa) oder (IIb) auf weist,
worin R⁴, R⁵, R⁶, R⁷ gleich oder verschieden sein können und Wasserstoff, C₁-C₂₀-Alkyl, C₂-C₂₀ Alkenyl, C₂-C₂₀-Alkinyl, Aryl, C₁-C₂₀-Carboxylat, C₁-C₂₀-Alkoxy, C₂-C₂₀-Alkenyloxy, C₂-C₂₀-Alkinyloxy, Aryloxy, C₂-C₂₀-Alkoxycarbonyl, C₁-C₂₀-Akylthio, Arylthio, C₁-C₂₀-Alkylsulfonyl, C₁-C₂₀-Alkylsulfonat, C₆-C₂₀-Arylsulfonat und C₁-C₂₀-Alkylsulfinyl bedeuten.
Katalysator gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Imidazolidinrest (Im) in der allgemeinen Formel (I) eine Struktur der allgemeinen Formeln (IIIa–f) aufweist
Katalysator gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei es sich bei dem Rest A in der allgemeinen Formel (1) um ein Halogenid, der Pseudohalogenid, ein komplexes Anion oder ein nicht koordinierendes Anion handelt.
Katalysatoren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 der nachfolgenden Strukturen (IVa–c):
wobei R¹, R², R³ geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₃₀-Alkyl, C₅-C₁₀ Cylcoalkyl oder Aryl darstellen, wobei die C₁-C₃₀-Alkylreste gegebenenfalls durch ein oder mehrere Doppel- oder Dreifachbindungen oder auch ein oder mehrere Heteroatome, bevorzugt Sauerstoff oder Stickstoff, unterbrochen sein können und A die für die allgemeine Formel (I) genannten Bedeutungen besitzt.
Katalysatoren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Rest P(R¹R²R³) Triisopropylphosphin, Triphenylphosphin, Tricyclopentadienylphosphin, Tricyclohexylphoshin oder Tricyclopentylphosphin bedeutet und A Bromid, Tetrafluoroborat, Tetrakis(3,5-trifluoromethylphenyl)borat oder Tetrakis[pentafluorophenyl]borat darstellt.
Verfahren zum Metathese-Abbau von Nitrilkautschuken, wobei man einen Nitrilkautschuk einer Metathese-Reaktion in Gegenwart eines Katalysators gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1–8 unterwirft.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die zur Metathese eingesetzten Nitrilkautschuke eine Mooney-Viskosität (ML 1 + 4 @100°C) im Bereich von 30 bis 70, bevorzugt von 30 bis 50 und eine Polydispersität PDI = M_w/M_n, wobei M_n das Zahlenmittel des Molekulargewichts darstellt, im Bereich von 2,0–6,0 und bevorzugt im Bereich von 2,0–4,0 besitzen.
Verfahren zur Herstellung von hydrierten Nitrilkautschuken, dadurch gekennzeichnet, dass man anschließend an das Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10 eine Hydrierung des durch die Metathese abgebauten Nitrilkautschuks durchführt.