DE1044411B - Verfahren zur Polymerisation von Bicyclo-(2, 2, 1)-2-hepten - Google Patents
Verfahren zur Polymerisation von Bicyclo-(2, 2, 1)-2-heptenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung verbesserter Polymeren von Bicyclo-(2,2,l)-2-hepten, die
zähe und kaitverstreckbare plastische Stoffe darstellen.
Festes Polybicyclo-(2,2,l)-2~hepten ist in der deutschen
Patentschrift (DAS 1037130) beschrieben.
Seine Herstellung erfolgt unter anderem durch Polymerisation an einem Titankatalysator, der Titan von
einem Wertigkeitszustand unterhalb 3 enthält. Der Katalysator wird gewonnen, indem man eine Verbindung
von Titan von einer Wertigkeitsstufe oberhalb 3, vorzugsweise ein Titanhalogenid, wie Titantetrachlorid,
mit einem Reduktionsmittel (Metall-Kohleinwasserstoff-Verbindung)
vermischt, das das Titan in eine Wertigkeitsstufe unterhalb 3 überzuführen vermag.
Reduktionsmittel, die Titan in einen Wertigkeitszustand unterhalb 3 überzuführen vermögen, sind
Verbindungen wie Grignard-Reagenzien, organometallische
Verbindungen, wie Metallhydride und Alkali- und Erdalkalimetalle. Bevorzugt werden als
Reduktionsmittel organometallische Verbindungen, wie Lithiumaluminiumtetraalkyle, Aluminiumtrialkyle,
Magnesiumdiaryle und Lithiumalkyle. Bei Vereinigung der Titanverbindung mit dem Reduktionsmittel
erfolgt eine Umsetzung, deren Produkte einen katalytisch aktiven Komplex bilden, der in Kohlenwasserstofflösungsmitteln
nur wenig löslich zu sein scheint. Man nimmt an, daß sich dieser Komplex mit äthylenungesättigten
Kohlenwasserstoffmonomeren zu koordinieren und dadurclh die Polymerisation desselben zu
bewirken vermag. Es ist möglich, daß das Monomere auf der Oberfläche des katalytisch aktiven Komplexes
adsorbiert wird.
In dem obenerwähnten Patent ist zwar ein festes Polybicyclo-(2,2,l)-2-hepten beschrieben, das nachfolgend als Polybicyclohepten bezeichnet wird, aber
dieses Polymerengemisch ist für bestimmte Anwendungszwecke zu spröde, und diese Sprödigkeit beschränkt
seine Verwendbarkeit. Es ist dementsprechend das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, verbesserte
Bicycloiheptenpolymere herzustellen, die bei Formung zu Filmen und anderen Gebilden zäh und kaltverstreckbar
sind. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von zähem Polybicyclohepten
und von Polybicyclohepten, das ohne Zuhilfenahme eines Weichmachers verformt und verarbeitet werden
kann.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein zähes, kaltverstreckbares Polybicyclohepten hergestellt, indem
man Bicyclohepten mit einem Katalysator in Kontakt bringt, und zwar einem Produkt, das durch Reduktion
eines Titanhalogenids in Gegenwart eines inerten Kohlenwasserstoffes bis zur Reduktion des gesamten
verfügbaren Titans in eine Wertigkeitsstufe unterhalb 3 erhalten wird und die Polymerisation in Ab-Verfahren
zur Polymerisation
von Bicyclo-(2,2,l)-2-hepten
von Bicyclo-(2,2,l)-2-hepten
Anmelder:
E. I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Del. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Gaußstr. 27
München 27, Gaußstr. 27
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 16. Mai 1956
V. St. v. Amerika vom 16. Mai 1956
Ivan Maxwell Robinson, Wilmington, Del.,
Louis Herman Rombach, Claymont, DeL,
und William Lawrence Truett, Wilmington, Del.
und William Lawrence Truett, Wilmington, Del.
(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden
sind als Erfinder genannt worden
wesensheit jeglichen verfügbaren Titanhalogenids von
einem Wertigkeitszustand oberhalb 2 durchführt. Es wurde gefunden, daß Bicyclohepten zu mehr als einer
Form von Polybicyclohepten polymerisiert werden kann, wobei diese Polymerenformen hinsichtlich ihrer
Struktur und ihrer physikalischen Eigenschaften stark voneinander abweichen. Welche der beiden Typen von
Polybicycloheptenen man erhält, hängt davon ab, wie das Monomere polymerisiert wird. Insbesondere hängt
die Bildung der zähen Abart von Polybicyclohepten davon ab, daß man während der Polymerisation jeglichen
Kontakt von nicht oder teilweise reduziertem Titan mit dem Monomeren vermeidet.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Bicyclohepten unter Bildung eines Polymeren polymerisiert,
das mit Ausnahme der Endketten folgende wiederkehrende Einheit enthält:
-C = C-
Die Bestimmung dieser Polymerenstruktur erfolgte mit den heute verfügbaren analytischen Methoden und
Mitteln.
Zur Gewinnung dieser Form von Polybicyclohepten, die den zähen oder homogenen Polybicycloheptentyp
darstellt, muß man die Polymerisation des Bicycloheptene unter bestimmten kritischen Bedingungen aus-
OTi 679/445
führen. So wurde gefunden* daß diese Art von PoIybieyclohepten
nur erhalten wird, wenn das gesamte die Polymerisation bewirkende verfügbare Titan vor
der Addition oder Polymerisation des Bicycloheptene in den katalytisch aktiven Zustand durch Reduktion
übergeführt ist. Bicyclohepten polymerisiert zwar auch leicht zu einem festen Polymeren, wenn das Reaktionsgemisch nur etwas Titan von verringerter Wertigkeitsstufe
mit katalytischer Aktivität enthält, aber das so geformte Polymere ist spröde bzw. inhomogen Die
Ursache für die Bildung der beiden Arten von PoIybicyclohepten
ist zur Zeit nicht klar. Wahrscheinlich erfolgt aber bei dem homogenen Typ des Polybicycloheptens
die Polymerisation unter Ringöffnung an einer Art Bindungsbrückenkopf und nicht durch die Doppelbindung,
die keine endständige ungesättigte Bindung darstellt und damit gegen eine Polymerisation verhältnismäßig
inert ist. Bei dem inhomogenen Typ des Polybicycloheptentes nimmt man an, daß eine gewisse
Umordnung des Monomeren vor oder während der Polymerisation erfolgt, durch welche die Struktur der
Polymerenkette verändert wird. Diese Umordnung wird durch das nicäit oder teilweise reduzierte Titanhalogenid
verursacht, das in diesem Stadium nicht als Polymerisationskatalysator wirkt. Diese Effekte der
Titanhalogenide können durch die katalytische Aktivität von Titanhalogeniden nach Friedel-Crafts erklärt
werden.
Der gemäß der Erfindung verwendete Katalysator wird durch Reduktion besonders von Titanhalogeniden
hergestellt. Diese werden zwar bevorzugt, aber eine katalytische Aktivität zur Polymerisation äthylenungesättigter
Monomeren findet sich auch- bei reduzierten Halogeniden von Übergangsmetallen der
Gruppen IVa, Va und VIa des Periodischen Systems der Elemente, und diese können ebenso bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren Anwendung finden. Außer den Titanhalogeniden stellen Vanadinhalogenide und
Kombinationen von Titan- und Vanadinhalogeniden außerordentlich aktive Katalysatoren für das erfindungsgemäße
Verfahren dar.
Die Reduktion der Titanhalogenide erfolgt mittels Alkylierungsmitteln, die als starke Reduktionsmittel
zu wirken scheinen. Wie oben erwähnt, ist es wesentlich, daß das gesamte verfügbare Titan zu einem
Wertigkeitszustand unterhalb 3 reduziert wird, bevor es mit dem Monomeren in Kontakt kommt.
Unter »verfügbarem« Titan ist hier diejenige Menge an Titan zu verstehen, die zum Kontakt mit dem
Monomeren und damit zur Polymerisation zur Verfügung steht. Da der Katalysator bei der Umsetzung
des Titans mit dem Reduktionsmittel als Ausfällung entsteht, ist es sehr leicht möglich, daß ein Teil des
Titanhalogenids von ausgefälltem Katalysator eingeschlossen wird und auf diese Weise der Reduktion
oder Polymerisation nicht zugänglich ist. Solches eingeschlossenes Titan hat keine Wirkung auf das
Bicyclohepten.
Die Katalysatorbildung wird mittels starker Reduk- _
tionsmittel bewirkt, nämlich organometallisdher Verbindungen
der Zusammensetzung MRn, worin R einen Kohlenwasserstoff rest, M ein Metall der Klasse Alkalimetalle,
Erdalkalimetalle und Aluminium bedeutet und η die Anzahl der Metall-Kohlenwasserstoff-Bindungen
angibt; diese Reduktionsmittel werden im Überschuß über die stöchiometrisch zur Bildung von
Titan von einem Wertigkeitszustand unterhalb 3 notwendige Menge verwendet. Es können zwar auch
schwächere Reduktionsmittel verwendet werden, aber die Reduktion des verfügbaren Titans wird nicht
innerhalb kurzer Zeit erreicht. Die Menge an Reduktionsmittel, die zur Erzielung einer vollständigen
Reduktion des Titans in angemessener Zeit erforderlich ist, schwankt natürlich mit den jeweils verwendeten
Reduktionsmitteln. Im allgemeinen fällt die Stärke des Reduktionsmittels von den Alkalialkylen
zu den Erdalkalimetallen und zu den Aluminiumalkylen hin ab. Die Menge an Reduktionsmittel, die
zur Erzielung einer vollständigen Reduktion des
ίο Titanhalogenids zu einem Wertigkeitszustand unterhalb
3 erforderlich ist, kann leicht durch Polymerisationsversuche in kleinem Maßstab unter Verwendung
steigender Mengen des gleichen Reduktionsmittels und Verwendung von Bicyclohepten als Monomerem
bestimmt werden. Sobald das gesamte verfügbare Titan zu einem Wertigkeitszustand unterhalb 3
reduziert ist, bildet sich das zähe, kaltverstreckbare Polybicyclohepten, das sich leicht von dem spröden
Material unterscheiden! läßt, das sich bei unvollständig reduziertem Titan bildet. Ein anderes Verfahren zur
Bestimmung der Reduktionsmittelmenge, die zur Überführung von praktisch dem gesamten Titan in
eine Wertigkeitsstufe unterhalb 3 erforderlich ist, besteht
in der potentiometrischen Titrierung des Titanhalogenids, das in einem leitfähigen Lösungsmittel
gelöst ist, mit dem Reduktionsmittel. Diese Methode unterliegt jedoch bestimmten Begrenzungen, wie der
Unterschiedlichkeit zur Polymerisation und des zur Titration verwendeten Lösungsmittels. Trotzdem kann
ein Schätzwert der erforderlichen Reduktionsmittelmenge erhalten werden. Für das bevorzugte Reduktionsmittel,
Lithiumaluminiumtetraalkyl, muß das Molverhältnis des Reduktionsmittels zum Titanhalogenid
über 0,8 liegen, vorzugsweise beträgt es etwa 1. Bei Verwendung von Aluminiumtrialkyl muß
das Verhältnis über 3 liegen und beträgt vorzugsweise mehr als 5. Es ist ferner, wie oben erwähnt, wesentlich,
das Titan vor dem Kontakt mit dem zu polymerisierenden Bicyclohepten in den. katalytisch aktiven
Zustand zu reduzieren. So wird die Polymerisation im allgemeinen ausgeführt, indem man die Katalysatorbestandteile
in Gegenwart eines Ko'hlenwasserstofflösungsmittels vermischt und anschließend das
Monomere zum Katalysatorgemisch zusetzt, wobei man die Reduktion genügend lange fortschreiten läßt.
Die Reduktion erfolgt zwar schnell, aber nicht unmittelbar. Der zur. Reduktion erforderliche Zeitraum
kann wiederum durch. Versuche in kleinem Maßstab oder potentiometrische Titration bestimmt werden.
,5P^ Im allgemeinen ist die Reduktion bei Anwendung der
oben angegebenen starken Reduktionsmittel nach 5 Minuten im wesentlichen beendet.
Die Polymerisation von Bicyclohepten kann in einem beträchtlich breiten Bereich von Temperaturen und
Drücken ausgeführt werden. Die Temperatur kann zwischen 0 und 250° C liegen, beträgt aber vorzugsweise
50 bis 150° C. Der Druck kann ebenfalls in einem breiten Bereich verändert werden. Da jedoch
Bicyclohepten bei den bevorzugten Reaktionstemperaturen flüssig ist, wird im allgemeinen Atmosphärendruck
verwendet. Die Polymerisation wird vorzugsweise in Abwesenheit von Sauerstoff und Feuchtigkeit
ausgeführt, die auf den Katalysator schädlich einwirken. Inerte Gase, wie Helium oder Stickstoff,
können verwendet werden. Als Polymerisationsmedien können Kohlenwasserstofflösungsmittel, die keine
äthylenungesättigten Bestandteile enthalten, im allgemeinen verwendet werden, aber diejenigen Lösungsmittel,
die bei den Polymerisationstemperaturen flüssig sind, werden bevorzugt, da bei ihrer Verwendung
solches Kohlenwasserstofflösungsmittel ist
keine Druckanlagen erforderlich sind. Ein Beispiel für ein
D ecaäry dronaphthal in.
In den Zeichnungen sind die Ultrarotspektren der beiden Arten von Polybicyclahepten dargestellt, die
man an Titankatalysatoren erhalten kann, welche Titan in einem Wertigkeitszustand unterhalb 3 enthalten.
Das nach den bisherigen Verfahren erhaltene feste Polymere enthält offensichtlich zwei oder mehr
Arten von Strukturen, und es wurde bisher nicht erkannt, daß man verbesserte Eigenschaften erhalten
kann, indem man ein Polymeres lediglich einer dieser Strukturarten herstellt. Das in Fig. 1 dargestellte
Spektrum wurde mit einer Polybicycloheptenprobe erhalten, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wurde. Das Spektrum gemäß Fig. 2 entspricht einer Probe des bisher bekannten Polybicycloheptens.
Es ist leicht zu erkennen, daß sich die beiden Spektren in ihrer Beschaffenheit beträchtlich unterscheiden,
wobei das Polybicycloiheptenspektrum gemäß Fig. 1 weniger kompliziert als dasjenige gemäß Fig. 2
ist. Zur Identifizierung der Struktur des Polybicycloheptens und zur Unterscheidung der beiden Polymerentypen
haben sich die Banden bei 10,37 und bei 11,25 μ als am wertvollsten erwiesen. Die Bande bei
10,37 μ zeigt die Anwesenheit trans-äthylenungesättigter
Bestandteile im Kohlenwasserstoffmolekül. Eine quantitative Schätzung dieser Bande in Fig. 1 ergibt,
daß dieser Polybicyclaheptentyp die Ungesättigtiheit
als Teil der wiederkehrenden Einheit der Polymerenkette enthält. Ein weiterer Beweis für diese Art von
Ungesättigtheit ist die Umsetzung von Polybicyclohepten mit Brom oder Persäuren, bei welcher diese
Bande wesentlich verringert oder sogar beseitigt wird. Der Beweis für die Struktur des Polybicycloheptens,
das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, wird durch Ozonierung erhalten, bei welcher als
Produkt cis-l,3-Cyclopentandicarbonsäure erhalten wird. Bei einem Vergleich der Ultrarotspektren des
Ozonierungsproduktes und reiner cis-l,3~Cyclopentandicarbonsäure zeigt, daß man in jedem Falle ein im
wesentlichen identisches Spektrum erhält.
Wie Fig. 2 zeigt, tritt die Bande bei 10,37 μ zwar im Spektrum des spröden Polybicycloheptentyps ebenfalls
auf, aber im Spektrum des spröden Polymerentyps nicht so stark wie in dem des zähen Polymerentyps.
Dies zeigt, daß eine geringere Anzahl der wiederkehrenden Ketteneinheiten die oben angegebene
Struktur aufweisen. Das von Fig. 1 veranschaulichte Polymere kann auch als homogenes Polybicyclohepten
bezeichnet werden, während das Polymere gemäß Fig. 2 inhomogenes Polybicyclohepten darstellt. Die
Ozonierung des spröden, inhomogenen Polybicycloheptens unter identischen Bedingungen führt zu einem
Produkt, das außer der !,S-Cyclopentandicärbonsäure
noch andere Oxydationsprodukte enthält.
Den Unterschied in der Struktur der beiden PoIybicycloheptenarten
zeigt ferner die Adsorptionsbande bei 11,25 μ, die nmr bei dem inhomogenen Polybicyclohepten
auftritt. Diese Adsorbtionsbande ist für vinylidenungesättigte
Bestandteile charakteristisch. Sie wurde bis jetzt noch nicht einer bestimmten Struktur
in der Polymerenkette zugeschrieben, sondern zeigt die Anwesenheit einer Struktur in der Polymerenkette,
die sich von den Strukturen in dem homogenen Polybicyclohepten unterscheidet.
Die homogenen und inhomogenen Polybicycloheptene unterscheiden sich wesentlich in ihren physikalischen
Eigenschaften. Das homogene Polymere ergibt bei Sinterung zähe, kaltverstreckbare Produkte. Es
sind zwar beide Polymere sehr steif, aber das inhomogene Polybicyclohepten ist sehr spröde. Die Zerreiß-Schlagzähigkeit,
gemessen unter den gleichen Bedingungen, beträgt 91,8 kg cm/cm2 für das zähe PoIymere,
während das spröde Polymere für die Bestimmung zu spröde ist. Die Röntgenstrahlerkristallinität
des homogenen Polymeren ergibt sich zu 12 bis 25% bei einer Kristallschmelztemperatur von 180 bis
205° C. Das spröde Polybicyclohepten besitzt eine
ίο Kristallinität von 5 bis 40% und eine Kristallschmelztemperatur
oberhalb 300° C. Beide Stoffe weisen jedoch keine ausgeprägten Schmelzpunkte auf, bei
welchen sie flüssig werden. Selbst bei hohen Temperaturen besitzt das Polymere eine extrem hohe
Schmelzviskosität.
In einen Erlenmeyerkolben, der unter trockenem Stickstoff 0,0022 Mol Lithiumalumkiiumtetraheptyl in
60 cm3 Decahydronaphthalin gelöst enthält, werden 0,027 Mol eines 1 :1-Gemisches von Titantetrachlorid
und Vanadintetrachlorid gegeben (Verhältnis von Reduktionsmittel zu Metallhalogenid = 0,8). Das entstehende
Gemisch wird 5 Minuten leidht gerührt. Nach 5 Minuten setzt man bei Raumtemperatur 24 g Bicyclohepten
zu, das mit 12 cm3 Decahydronaphthalin verdünnt ist. Man läßt die Polymerisation 17 Stunden
vor sich gehen. Das erhaltene Produkt wird dann nacheinander mit 400 cm3 Butylalkohol und drei
400-cm3-Anteilen Aceton gewaschen. Jedem Waschauszug werden: 0,05 g N, N'-Diphenyl-p-phenylendiamin
als Stabilisator für das Polymere zugesetzt. Man erhält nach Filtrieren und Trocknen 4,2 g Polymeres
von einer inneren Viskosität von 0,66, gemessen in einer 0,l'%igen Lösung in a-Ohlornaphthalin bei
125° C. Ein durch Formpressung bei 210° C hergestellter
Film ist zäh und faltbar und kann kaltverstreckt
werden. Die Dichte des Films beträgt 1,005.
Das Ultrarotspektrum des Films entspricht dem der Fig. 1.
Beispiele 2 bis 4
Nach dem Verfahren des Beispiels 1 wird Bicyclohepten mit den nachfolgenden Mengen an Reduktionsmitteln
polymerisiert; die erhaltenen Ergebnisse sind gleichfalls angegeben:
50 Beispiel |
Menge an Li-Al- (Heptyl) Mol |
Verhältnis von Re duktions mittel zu Metall halogenid |
Gewicht des Poly meren g |
Innere Viskosität |
Dichte |
55 2 3 4 |
0,0028 0,0034 0,0040 |
1,04 1,25 1,5 |
10,0 9,3 8,0 |
0,50 | 0,990 0,996 1,000 |
Aus jedem der erhaltenen Polymeren kann man durch Formpressung zähe Filme erhalten, deren
Ultrarotspektrum jenem der Fig. 1 entspricht.
Beispiel 4 wird mit der Ausnahme wiederholt, daß das Bicyclohepten dem Reaktionsgemisch vor Zusatz
des Titantetrachlorids zugesetzt wird. Man erhält 2 g eines festen Polymeren von einer inneren Viskosität
von 0,30, gemessen in einer 0,l%igen Lösung in a-Chlornaphthalin bei 125° C. Ein aus diesem Pro-
Claims (2)
1. Verfahren zur Polymerisation von Bicyclo-(2,2,l)-2->hepten
zu festen Polymeren, die im wesentlichen keine vinylidenungesättigten Bestandteile
enthalten, an einem Katalysator, der aus einem reduzierten Halogenid eines Übergangsmetalls der Gruppen IV a, V a und VI a des Periodischen
Systems besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Übergangsmetall im Katalysator
zu einem Wertigkeitszustand von weniger als 3 reduziert ist und der Katalysator kein Halogenid
eines Übergangsmetalls in einem Wertigkeitszustand oberhalb 2 enthält, bevor das monomere
Bicyclohepten mit ihm in Kontakt gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator hergestellt ist, indem
man ein Aluminiumalkyl, wie 'O-Al-Tetraalkyl,
mit einem Titantetrahalogenid im Molverhältnis über 0,9, vorzugsweise über 3, vermischt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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