ES2167870T5 - Sistemas cataliticos de polimerizacion que comprenden ligandos ciclopentadienuro heterociclicos fusionados. - Google Patents

Sistemas cataliticos de polimerizacion que comprenden ligandos ciclopentadienuro heterociclicos fusionados. Download PDF

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Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN SISTEMA CATALIZADOR DE POLIMERIZACION QUE COMPRENDE UN COMPLEJO CATALITICO FORMADO MEDIANTE ACTIVACION DE UN COMPUESTO DE METAL DE TRANSICION, QUE COMPRENDE UN METAL SELECCIONADO A PARTIR DEL GRUPO 3 AL GRUPO 10 DE LA TABLA PERIODICA, PREFERIBLEMENTE DE LOS GRUPOS 4, 5 O 6 DE LA TABLA PERIODICA Y UN LIGANDO DE CICLOPENTADIENIDA CONDENSADO HETEROCICLICO DE LOS GRUPOS 13, 15 O 16. ASIMISMO, SE DESCRIBE UN PROCEDIMIENTO DE POLIMERIZACION QUE EMPLEA LOS SISTEMAS CATALITICOS DE LA INVENCION. SE DESCRIBEN POLIMERIZACIONES O COPOLIMERIZACIONES DE ETILENO CON DIMETIL ( ET 5 - PENTAMET ILCICLOPENTADIENIL)(1 AZAINDENIL)ZIRCONIO Y BIS(5 - METIL - CICLOPENTA[B]TIOFENO) DICLORURO DE ZIRCONIO, ACTIVADAS POR TRIS(PENTAFLUOROFENIL)BORO Y METILALUMOXANO, RESPECTIVAMENTE.

Description

Sistemas catalíticos de polimerización que comprenden ligandos ciclopentadienuro heterocíclicos fusionados.
Campo de la invención
Esta invención se refiere a catalizadores de polimerización. Más en particular, la invención se refiere a un sistema de catalizador de polimerización que comprende un complejo catalítico formado activando compuestos de metal de transición que comprenden aniones ciclopentadienuro que llevan anillos heterocíclicos condensados como sustituyentes, y a un procedimiento para la polimerización o copolimerización de monómeros y comonómeros usando el sistema de catalizador.
Fundamento de la invención
Los compuestos de metal de transición que actúan como catalizadores son bien conocidos en la técnica. Algunos de los ligandos que tienen mayor éxito para tales compuestos de metal de transición se derivan de un anión ciclopentadienuro. En realidad, los compuestos metálicos de ciclopentadienuro unidos con enlace pi, comúnmente denominados "metalocenos", han encontrado una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la catálisis de procesos industrialmente importantes, el uso como catalizadores o productos intermedios sintéticos en la síntesis de productos farmacéuticos y otros productos de química fina, y el uso como precursores para materiales inorgánicos.
Los metalocenos se usan frecuentemente como componentes de sistemas de catalizadores de polimerización llamados "single-sited" (de sitio único). Como se discutió en la patente de EE.UU. nº 5.502.124, las características que se piensa que confieren actividad catalítica a los catalizadores de metaloceno conocidos incluyen: un centro metálico electrófilo insaturado coordinativamente, en una geometría trigonal; un sustituyente unido por enlace sigma activo, preferentemente un radical alquilo o hidruro; y al menos un único orbital vacante cis respecto del sustituyente unido por enlace sigma. Además del sustituyente unido por enlace sigma activo, el metal está unido a un juego de ligando subordinado inerte, cuya finalidad es establecer y mantener el entorno electrónico y estérico apropiado del centro metálico a lo largo de la polimerización. Los ligandos subordinados pueden definirse como ligandos que no participan directamente en la reacción de inserción del monómero, pero que están unidos covalentemente al centro metálico por enlaces simples o múltiples. Los ligandos subordinados están compuestos típicamente por restos orgánicos y/o inorgánicos de manera discreta y bien definida, y generalmente tienen un peso molecular mayor que aproximadamente 50 amu (unidades atómicas de masa). El anión ciclopentadienuro es prototípico de los ligandos subordinados que se encuentran generalmente en catalizadores "single-sited".
Los metalocenos neutros que tienen las características anteriores, es decir, un centro metálico electrófilo insaturado coordinativamente, un sustituyente unido por enlace sigma activo, y al menos un orbital vacante simple cis respecto del sustituyente unido por enlace sigma, son también catalizadores de polimerización activos, usados frecuentemente para polimerizar olefinas. Sin embargo, tales catalizadores de metolocenos neutros adolecen de una propensión a dimerizarse para formar especies inactivas. Esta tendencia a desactivarse por dimerización puede atenuarse usando conjuntos de ligandos subordinados con demanda estérica, inhibiéndose así la dimerización, pero esta solución tiene tan solo un éxito parcial. Además, el uso de conjuntos de ligandos subordinados con demanda estérica puede inhibir la polimerización de monómeros o comonómeros más grandes.
Por otra parte, los complejos catiónicos cargados formados a partir de metalocenos no se desactivan fácilmente por dimerización y no requieren el uso de conjuntos de ligandos con una extremada demanda estérica. En estos casos, la repulsión debida a fuerzas electrostáticas iguales impide la dimerización, soslayando así la necesidad de ligandos con demanda estérica y permitiendo una reactividad mucho mayor de sustratos monómeros más grandes.
A pesar de lo que antecede, se ha investigado solamente una gama relativamente estrecha de ligandos subordinados. Los ligandos subordinados conocidos comprenden frecuentemente un resto de ciclopentadienilo sustituido con uno o más sustituyentes que se eligen principalmente entre grupos alquilo, arilo, y aromáticos condensados. Frecuentemente, se examinan diversas variantes estructurales en las que se cambian al mismo tiempo tanto las propiedades estéricas como las electrónicas. Los intentos de determinar directamente las contribuciones relativas de los efectos electrónicos y estéricos no han tenido hasta ahora más que un éxito limitado, y por ello es altamente deseable acceder a una gama más amplia de ligandos subordinados sistemáticamente variables.
Además, a pesar de la ubicuidad de los heterociclos en la naturaleza, en la bibliografía pueden encontrarse muy pocos ejemplos de tales compuestos adecuados como ligandos para el ciclopentadienilo. En la bibliografía han aparecido dos publicaciones de complejos de metales de transición de ligandos de azaindeniluro. Basolo y col. han publicado un complejo de manganeso pirindinilo en 1985 (Basolo, F. J. et al., J. Organomet. Chem. 1985, 196, 83). Más recientemente, Fu ha publicado un complejo de hierro pirindinilo y un complejo de hierro pirindinilo sustituido con dimetilamino (Fu, G. C. et al., J. Org. Chem. 1996, 61, 7230).
El documento U.S. 5.434.116 y la publicación de PCT WO 95/04087 discute composiciones catalíticas que comprenden ligandos de heterociclopentadienilo, en los que uno de los átomos de carbono en un ligando de ciclopentadienilo ha sido reemplazado por un heteroátomo del grupo 15.
La patente de EE.UU. nº 5.489.659 describe metalocenos que comprenden dos grupos ciclopentadienilo puenteados, cada uno de los cuales está unido al metal, en los que al menos uno de los grupos ciclopentadienilo está sustituido con un sistema de anillo que comprende un grupo hidrocarburo que contiene silicio.
Se han publicado varios ligandos de ciclopentadienuro sustituidos con heteroátomo. Por ejemplo, se han descrito complejos de aminociclopentadienilo de hierro, un metal del grupo 8 (véanse Nesmeyanov, A.N. et al. Dokl. Acad. Nauk. SSSR 1963, 160, 102; Herberhold, M. et al., J. Organomet. Chem. 1983, 241, 227), y cobalto, un metal del grupo 9 (véase El Murr, N. Conpt. Rend. 1971, C272, 1989). En estos casos el sustituyente amino fue incorporado por sustitución en el anillo de ciclopentadienilo del metaloceno preformado. El uso de un aminociclopentadieno o precursor de dienilo para sintetizar complejos de hierro y titanio ha sido publicado también por Sthal, K.P. et al. (J. Organomet. Chem. 1984, 277, 113). Más recientemente, Plenio et al. (Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1995, 34, 800) han descrito la formación de aminociclopentadieno y precursores de dienilo para sus correspondientes complejos de ferroceno. Esta publicación describió también el uso del 2-dimetilaminoindeno relacionado y precursores de indenilo. En todos estos complejos, sin embargo, el heteroátomo de nitrógeno es exocíclico respecto del anillo de ciclopentadienilo y no es parte de un sistema de anillo heterocíclico.
Como los ligandos son tan importantes para determinar el comportamiento de polimerización de los catalizadores por las razones discutidas anteriormente, el desarrollo de nuevos sistemas de catalizadores de metal de transición que muestren actividad y selectividad mejoradas, requiere frecuentemente la síntesis de nuevos compuestos orgánicos que sirvan como ligandos para los centros de metal de transición de los catalizadores activos o de sus precursores. Así pues, existe la necesidad de compuestos de metal de transición, y de catalizadores formados a partir de ellos, que tengan ligandos que lleven una mayor gama de sustituyentes y que abarquen una mayor gama de propiedades electrónicas.
Sumario de la invención
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un sistema de catalizador de polimerización que comprende un complejo catalítico formado activando para polimerización un compuesto de metal de transición representado mediante la fórmula:
[L]_{m}M[A]_{n}(D')_{o}
en la que:
M es un metal de transición elegido entre los grupos 3 a 10 de la tabla periódica, preferentemente entre los grupos 4, 5 y 6, y mas preferentemente entre el grupo 4;
L es un ligando que contiene ciclopentadienuro que puede ser igual o diferente de cualquier otro L, pero al menos un ligando L es un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16;
A es un ligando monoatómico o poliatómico distinto de un ligando que contiene ciclopentadienuro, que lleva una carga negativa formal y puede ser el mismo o distinto de cualquier otro ligando A;
D' es un ligando donador opcional que puede estar presente o no;
m es un número entero que tiene un valor de 1, 2 ó 3;
n es un número entero que tiene un valor de 1, 2 ó 3; y
o es un número entero que representa el número de ligandos donadores opcionales D', con la condición de que el compuesto de metal de transición no es el dicloruro de isopropilidén[ciclopentadienil-(7-ciclopentaditiofen)]zirconio.
En otra realización, la presente invención es un procedimiento de polimerización que comprende la etapa de poner en contacto un monómero y, opcionalmente, uno o más comonómeros, con el sistema de catalizador de polimerización antes mencionado.
Descripción detallada de la invención
En esta memoria descriptiva de patente, las referencias a los grupos elementales se harán de acuerdo a la nueva nomenclatura de la IUPAC para la Tabla Periódica de los Elementos, como se describe en Chemical and Engineering News, 63 (5) 27, 1985. Bajo esta convención, los grupos se numeran del 1 al 18.
Compuestos de metal de transición de la invención
Los compuestos de metal de transición de la invención comprenden un metal elegido entre los grupos 3, 4, 5 ó 6 de la tabla periódica y un ligando de ciclopentadienuro condensado con heterociclo del grupo 13, 15 ó 16. Los profesionales con una experiencia normal entenderán que esta descripción sola no indica necesariamente que los ligandos existan en los compuestos de metal de transición de la invención como aniones, o con un carácter sustancialmente aniónico, aunque de hecho pueden existir así. Así, al nombrar y describir meramente los componentes de la invención, los ligandos pueden denominarse alternativamente como especies aniónicas o como radicales neutros, de acuerdo con las convenciones ordinarias de la nomenclatura, sin pretender especificar la naturaleza iónica o covalente de los enlaces químicos implicados.
Los compuestos de metal de transición de la presente invención pueden prepararse por extensión de metodologías bien establecidas. Generalmente se emplea en la técnica una de tres rutas para complejos de ciclopentadienuro, aunque se conocen muchas más, y los expertos en la técnica apreciarán que estas pueden ser también de utilidad para preparar complejos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo. La ruta más común para complejos de ciclopentadienuro metal de transición implica la formación de una sal de metal alcalino del anión ciclopentadienuro seguida por una reacción de metátesis con un haluro de metal de transición. La formación de estas sales de metal alcalino es bien conocida en la técnica y generalmente se realiza tratando el compuesto de ciclopentadieno con un compuesto alquilo o hidruro de metal alcalino, tal como butil-litio o hidruro potásico. Una segunda ruta a complejos de metal de transición de ligandos ciclopentadienuro implica la eliminación de una amina o un alcano de una especie amida o alquilo de metal de transición, respectivamente, en el tratamiento con el compuesto ciclopentadieno (véanse, por ejemplo, R.F. Jordan et al., Organometallics, 1995, 14, 5; J.H. Teuben et al., Organometallics, 1993, 12, 1936). Una tercera ruta, comúnmente empleada, a complejos de metal de transición de ligandos ciclopentadienuro utiliza derivados trialquilsililo del compuesto de ciclopentadieno. En la termolisis con estos derivados, los haluros de metal de transición eliminan frecuentemente cloruro de trialquilsililo y producen el complejo de ciclopentadienuro deseado.
Los ligandos ciclopentadienuro condensados con heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 de la invención se caracterizan por la presencia de un resto ciclopentadienuro y un anillo heterocíclico condensado con él. El resto ciclopentadienuro es bien conocido por los expertos en la técnica y posee una carga formal de -1, siendo así formalmente una especie aniónica. Cuando los cinco átomos de carbono del resto ciclopentadienilo están unidos al metal, se dice que el ligando está unido "eta-5". Del mismo modo, cuando solamente están unidos cuatro, el ligando está unido "eta-4", y así sucesivamente. Así, los ligandos ciclopentadienuro condensados con heterociclo pueden estar unidos de una forma eta-5, aunque el modo de unión puede ser eta-1, eta-2, eta-3 o eta-4.
Los anillos heterocíclicos se denominan a veces simplemente "heterociclos". "Anillo heterocíclico" y "heterociclo" se usarán indistintamente en este texto. Generalmente los heterociclos son sistemas de anillo poliatómicos que usualmente, pero no siempre, comprenden una mayoría de átomos de carbono unidos mediante enlaces sigma o pi, o ambos, y que también comprenden al menos un átomo endocíclico que no es un átomo de carbono (véase Hawleys Condensed Chemical Dictionary, 12ª edición) (que define heterocíclico); véase también "Heterocyclic Chemistry", 3ª ed., J.A: Joule, K. Mills, G.F. Smith, Chapman and Hall, Londres, 1995. Para los fines de esta invención, "heterociclo" y "anillo heterocíclico" han de tomarse con el significado de un sistema de anillo poliatómico en el que al menos un átomo de carbono del sistema de anillo ha sido reemplazado por un átomo elegido entre el grupo 13, 15 ó 16 de la tabla periódica de los elementos. Así, como se define en el presente texto, un ligando ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 comprende un heterociclo condensado que incorpora al menos un átomo elegido entre el grupo 13, 15 ó 16 de la tabla periódica de los elementos, en el que dicho átomo del grupo 13, 15 o 16 es endo respecto al menos a un anillo de dicho heterociclo.
El heterociclo puede estar condensado con el resto ciclopentadienuro de varios modos. Lo más comúnmente, los compuestos heterocíclicos condensados se unirán al resto ciclopentadienuro como sustituyentes orto-condensados en los que dos átomos de carbono adyacentes del resto ciclopentadienuro están unidos cada uno de ellos a átomos que son miembros del heterociclo condensado. Así, los átomos de carbono adyacentes son compartidos con el anillo heterocíclico colgante y son endo respecto de ambos sistemas de anillo. El anillo heterocíclico condensado podría ser un sistema de anillo monocíclico, con la condición de que al menos uno de los anillos contenidos dentro del sistema de anillo policíclico sea un anillo heterocíclico. Los anillos heterocíclicos condensados pueden ser de naturaleza alifática o aromática y pueden comprender restos insaturados olefínicamente.
Un heteroátomo endocíclico del ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 puede estar unido a uno o más átomos de carbono del anillo, o puede estar unido a otros heteroátomos endocíclicos, o exocíclicos, o ambos. En una realización, los ligandos ciclopentadienuro condensados con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 contendrán como heteroátomos endocíclicos uno o más átomos elegidos solamente entre el grupo consistente en boro, nitrógeno, fósforo, oxígeno y azufre, preferentemente uno o más átomos elegidos entre nitrógeno, oxígeno y azufre, y aún más preferentemente los ligandos de ciclopentadienuro condensados con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 contendrán como heteroátomos endocíclicos solamente uno o más heteroátomos de nitrógeno. En otra realización más, el ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 contendrá como heteroátomos endocíclicos solamente uno o más heteroátomos de azufre.
Los ligandos de ciclopentadienuro condensados con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 de la invención pueden estar sustituidos. Tal como se usa en el presente texto, se entiende que la sustitución en los ligandos de ciclopentadienuro condensados con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 indica el reemplazo de un radical hidrógeno en el ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 con cualquier radical que no sea hidrógeno, o la colocación de cualquier radical, incluyendo hidrógeno, en uno o más de los heteroátomos del grupo 13, 15 ó 16 del ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 para completar la valencia de dichos heteroátomos.
Los expertos en la técnica entenderán que "reemplazar un radical hidrógeno" no requiere reemplazar directamente un radical hidrógeno en un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16, aunque puede realizarse así. Por ejemplo, los materiales de partida usados para preparar el ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 sustituido pueden estar ya sustituidos con radicales no hidrógeno, bien sea por reemplazo directo de un radical hidrógeno, o en virtud de haber sido preparado a partir de los propios materiales de partida sustituidos.
Los sustituyentes adecuados para los ligandos de ciclopentadienuro condensados con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 se eligen independientemente y sin limitación alguna en cuanto al número, excepto que viene impuesto por el número de posiciones de sustitución disponibles en el ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16, e incluyen, por ejemplo, radicales hidrocarbilo C_{1}-C_{20}, incluyendo radicales alquilo C_{1}-C_{20} lineales o ramificados tales como metilo, etilo, propilo, butilo, pentilo, hexilo, heptilo, octilo, nonilo, decilo, radicales alifáticos cíclicos y alifáticos policíclicos, sustituidos con hidrocarbilo C_{1}-C_{20} y no sustituidos, tales como ciclopropilo, ciclobutilo, ciclopentilo, ciclohexilo, fenilciclohexilo, metilociclohexilo, cicloheptilo, ciclooctilo, ciclodecilo, ciclododecilo, isopropildodecilo, adamantilo, norbornilo, radicales arilo sustituidos con hidrocarbilo C_{1}-C_{20} y no sustituidos, incluyendo fenilo, metilfenilo, trimetilfenilo, ciclohexilfenilo, naftilo, butilfenilo, butildimetilfenilo; radicales hidrocarbilo sustituidos C_{1}-C_{20} incluyendo bencilo, N,N-dimetilaminobencilo, N,N-dimetilaminometilo, metoximetilo, difenilfosfinometilo, fluorofenilo, trifluorometilfenilo, fluorometilo, cianoetilo; radicales halocarbilo C_{1}-C_{20} lineales y ramificados incluyendo trifluorometilo, perfluoroetilo, perfluoropropilo, perfluorobutilo, perfluorofenilo, clorodifluorometilo, clorotetrafluorofenilo, bromotetrafluorofenilo, yodotetrafluorofenilo; radicales halocarbilo sustituidos con C_{1}-C_{20} tales como metiltetrafluorofenilo, N,N-dimetildifluorometilo, metoxiperfluoroetilo; radicales organometaloides sustituidos con hidrocarbilo C_{1}-C_{20} incluyendo trimetilsililo, trimetilgermilo, trifenilsililo, trifenilgermilo; radicales organometaloides sustituidos con halocarbilo C_{1}-C_{20} incluyendo tris(trifluorometil)sililo, trsi(trifluorometil)germilo, tris(perfluorofenil)sililo, tris(perfluorofenil)germilo; radicales boro sustituidos con hidrocarbilo C_{1}-C_{20} incluyendo dimetilboranilo, difenilboranilo; radicales pnictogeno sustituidos con hidrocarbilo C_{1}-C_{20} incluyendo N,N-dimetilamino, difenilamino, difenilfosfino, dimetilfosfino; radicales chalcogeno sustituidos con hidrocarbilo C_{1}-C_{20} incluyendo metoxi, etoxi, butoxi, fenoxi, metiltio, etiltio, feniltio, y radicales halógeno incluyendo fluro, cloro, bromo y
yodo.
En los compuestos de metal de transición de la invención pueden estar presentes grupos puente en al menos dos modos. Otros modos serán fácilmente evidentes para los profesionales con experiencia normal en la técnica. En el primer modo, los compuestos de metal de transición contendrán dos o más ligandos que contienen ciclopentadienuro, al menos uno de los cuales será un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16, en el que los ligandos que contienen ciclopentadienilo pueden estar unidos entre sí o a través de grupos puente. Por ejemplo, un primer ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 puede estar puenteado con un segundo ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16, que puede ser igual o diferente del primer ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16. Alternativamente, un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 puede estar puenteado con un ligando que contiene ciclopentadienuro que no es un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16.
En un segundo modo, los ligandos que contienen ciclopentadienuro de los compuestos de metal de transición de la invención, incluyendo los ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16, pueden estar conectados a través de grupos puente con un heteroátomo, por ejemplo nitrógeno, que está él mismo unido directamente al metal del compuesto de metal de transición. Este modo de puenteo está a veces presente en ciertos sistemas conocidos en los que está presente solamente un ligando que contiene ciclopentadienuro, a veces denominados sistemas "monociclopentadienilo" o "mono Cp". Tal unión se muestra esquemáticamente a continuación en la fórmula (1):
(1)[L]\{T\}[JR]M
en la que M es un metal elegido entre los grupos 3 a 10 de la tabla periódica, preferentemente entre los grupos 4, 5 ó 6; L es un ligando que contiene ciclopentadienuro, que puede ser un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16, unido a M; J es un heteroátomo del grupo 15 ó 16, que tiene una carga formal negativa y que también está unido a M, y cuando J es un heteroátomo del grupo 15, J puede estar sustituido con un grupo sustituyente R, en donde R es hidrógeno o cualquiera de los sustituyentes antes mencionados que se afirma que son adecuados para la sustitución en los ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 de la invención; y T es un grupo de puenteo unido covalentemente tanto a L como a Y. Los compuestos de metal de transición que contienen tales grupos de puenteo unidos a ligandos que contienen ciclopentadienilo se describen, por ejemplo, en la patente de EE.UU. nº 5.264.405. En los compuestos de metal de transición de la presente invención, sin embargo, la presencia del segundo modo de puenteo no está limitada a los sistemas "monociclopentadienilo" o "mono-Cp".
En cualquier modo de puenteo, el grupo puente T puede estar unido a la porción ciclopentadienuro del ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16, o puede estar unido al heterociclo del mismo. Los grupos de unión T adecuados en cualquier modo comprenden uno o más, o una combinación, de un radical que contiene un átomo de carbono, de germanio, de silicio, de fósforo o de nitrógeno, incluyendo, pero sin limitarse a ellos, R^{k}_{2}C, R^{k}_{2}Si, R^{k}_{2}Si R^{k}_{2}Si, R^{k}_{2}Si R^{k}_{2}C, R^{k}_{2}Ge, R^{k}_{2}Si R^{k}_{2}Ge, R^{k}_{2}Ge R^{k}_{2}C, R^{k}N, R^{k}P, R^{k}_{2}C R^{k}P, R^{k}_{2}Si R^{k}N, R^{k}_{2}Si R^{k}'P, R^{k}_{2}Ge R^{k}N, R^{k}_{2}Ge R^{k}P, en donde cada R^{k} es independientemente un grupo radical que es hidruro, hidrocarbilo C_{1}-C_{30}, hidrocarbilo sustituido, halocarbilo, halocarbilo sustituido, organometaloide sustituido con hidrocarbilo, organometaloide sustituido con halocarbilo, boro disustituido, pnictogeno disustituido, chalcogeno sustituido, o
halógeno.
En una realización de la invención, el sistema catalizador de polimerización comprende un complejo catalítico formado activando un compuesto de metal de transición que comprende un metal elegido entre los grupos 3 a 10 de la tabla periódica, preferentemente entre el grupo 4, el 5 o el 6, y un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16, en donde el ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo está sustituido con un radical hidrocarbilo C_{1}-C_{20}, preferentemente un radical hidrocarbilo C_{1}-C_{6}, en la posición 2 del resto ciclopentadienilo del ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo. Preferentemente, uno o más de los ligandos que contienen ciclopentadienuro está puenteado con otro ligando que contiene ciclopentadienuro de acuerdo con el primer modo de puenteo descrito anteriormente.
En otra realización, los compuestos de metal de transición de la invención tienen la fórmula general (2):
(2)[L]_{m}M[A]_{n}(D')_{o}
en la que:
M es un metal de transición elegido entre los grupos 3 a 10 de la tabla periódica, preferentemente entre los grupos 4, 5 y 6, y más preferentemente entre el grupo 4;
L es un ligando que contiene ciclopentadienuro, que puede ser igual o diferente de cualquier otro L, pero al menos un L es un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16;
A es un ligando monoatómico o poliatómico, distinto del ligando que contiene ciclopentadienuro, que lleva una carga formal negativa y puede ser igual o diferente de cualquier otro ligando A;
D' es un ligando donador opcional que puede estar presente o no;
m es un número entero que tiene un valor de 1, 2 ó 3;
n es un número entero que tiene un valor de 1, 2 ó 3; y
o es un número entero que representa el número de ligandos donadores opcionales D'.
En una realización, el compuesto de metal de transición viene dado por la fórmula (2), pero con la condición adicional de que la suma de m + n es igual a cuatro. En otra realización, uno o más de los ligandos L en la fórmula (2) están puenteados de acuerdo con el primer modo de puenteo descrito anteriormente.
En las fórmulas (1) y (2), ligandos L que contienen ciclopentadienuro adecuados, que no son ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo, son los ciclopentadienuros, indenuros y fluorenuros, sustituidos y no sustituidos. Ejemplos específicos de estos son ciclopentadienuro, metilciclopentadienuro, etilciclopentadienuro, n-propilciclopentadienuro, i-propilciclopentadienuro, n-butilciclopentadienuro, dimetilciclopentadienuro, i-butilciclopentadienuro, t-butilciclopentadienuro, dimetilciclopentadienuro, 2,3-dimetilciclopentadienuro, 2,4-dimetilciclopentadienuro, indenuro, 1,2-dietilciclopentadienuro, etilciclopentadienuro, 2-ciclohexil-3-metilciclopentadienuro, 2-ciclohexil-4-metilciclopentadienuro, n-octilciclopentadienuro, beta-fenilpropilciclopentadienuro, tetrahidroindenilo, bencilciclopentadienuro, 2,4-difenil-3-metilciclopentadienuro, trifluorometilciclopentadienuro, trimetilsililciclopentadienuro, trimetilciclopentadienuro, tetrametilciclopentadienuro, pentametilciclopentadienuro, fluorenuro, octahidrofluorenuro, N,N-dimetilamidociclopentadienuro, dimetilfosfidociclopentadienuro, y similares, e isómeros de los mismos.
Los ligandos A de la fórmula (2) se ejemplifican, pero sin limitarse a ellos, por radicales hidruro, radicales hidrocarbilo, tales como radicales alquilo y arilo y derivados de los mismos, radicales hidrocarbilo sustituido, radicales halocarbilo, radicales halocarbilo sustituido, y radicales organometálicos sustituidos con hidrocarbilo y con halocarbilo, radicales halógeno tales como F, Cl, Br e Y, y similares, radicales alcóxido, radicales arilóxido, radicales amida, radicales fosfuro y similares, o una combinación de los mismos. Adicionalmente, dos ligandos A pueden estar unidos para formar un anillo metalociclo que contiene de aproximadamente 3 a aproximadamente 20 átomos de carbono.
Los ligandos donadores opcionales D' de la fórmula (2) incluyen especies que se sabe forman aductos con compuestos de metal de transición, tales como, por ejemplo, éteres, éteres cíclicos, aminas, fosfinas, nitrilos y similares, así como otras especies polares.
Los compuestos de metal de transición preferidos de esta invención son compuestos de metal de transición del grupo 4, 5 ó 6 que tienen las características siguientes: dos ligandos estabilizantes subordinados, al menos uno de los cuales es un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16; dos especies unidas por enlace sigma reactivas tales como alquilo o hidruro; y un metal del grupo 4, 5 ó 6 en su estado de oxidación más elevado. Los compuestos de metal de transición preferidos se representan mediante la fórmula (3):
(3)\{[L']^{q}\}_{m}\{T\}\{[L'']^{p}\}_{n}M[A']_{2}
en la que:
M es un metal de transición del grupo 4, 5 ó 6 en su estado de oxidación más elevado;
L' y L'' son ligandos estabilizantes subordinados sustituidos o no sustituidos, iguales o diferentes, al menos uno de los cuales es un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16;
A', que puede ser igual o diferente de cualquier otra A', es una especie reactiva unida con enlace sigma que lleva una carga negativa formal de uno, y se elige entre radicales hidruro, radicales alquilo y arilo sustituido o no sustituido, radicales halocarbilo, y radicales de organometaloide sustituido con hidrocarbilo;
T es un grupo puente opcional que conecta un ligando L' con un ligando L'';
q y p son números enteros que representan la carga formal de los ligandos estabilizantes subordinados sustituidos o no sustituidos L' y L'', respectivamente; y
m y n son números enteros iguales a 1 ó 2 y se eligen de forma que (m\cdotq)+(n\cdotp) = (s-2), en donde s es el número de grupo de M.
En la anterior descripción, la expresión (m\cdotq)+(n\cdotp) = (s-2) debe interpretarse, a lo largo de esta memoria descriptiva de patente, en su sentido algebraico habitual para indicar que la cantidad "m por q" más la cantidad "n por p" es igual a la cantidad "s menos 2".
En la fórmula (3) anterior, cuando L' o L'' es un ligando que contiene ciclopentadienuro, que no es un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16, L' o L'' se ejemplifican mediante los ligandos descritos anteriormente para los ligandos L de la fórmula (2).
Los ligandos A' en la fórmula (3) se ejemplifican mediante hidrógeno, grupos hidrocarbilo C_{1}-C_{20} tales como metilo, etilo, propilo, butilo, pentilo, hexilo, heptilo, octilo, nonilo, decilo, radicales alifáticos cíclicos y alifáticos policíclicos tales como ciclopropilo, ciclobutilo, ciclopentilo, ciclohexilo, fenilciclohexilo, metilociclohexilo, cicloheptilo, ciclooctilo, ciclodecilo, ciclododecilo, isopropildodecilo, adamantilo, norbornilo, triciclo[5.2.1.0]decilo, y derivados sustituidos e isómeros de los mismos, fenilo, metilfenilo, trimetilfenilo, ciclohexilfenilo, naftilo, butilfenilo, butildimetilfenilo, y derivados sustituidos e isómeros de los mismos, radicales halocarbilo tales como, por ejemplo, triclorometilo, trifluorometilo, tricloroetilo, trifluoroetilo, y similares, y radicales organometaloides sustituidos con hidrocarbilo tales como, por ejemplo, trimetilsililo y trimetilgermilo, y similares.
Los ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 de la invención pueden ser usados como ligandos que contienen ciclopentadienuro unido con enlace pi, en compuestos de metal de transición que comprenden: 1) un heteroátomo que tiene una carga negativa formal y que está directamente unido al átomo de metal; y (2) un grupo puente que enlaza el heteroátomo con un ligando que contiene ciclopentadienuro unido por enlace pi. Estas características se ilustran en la fórmula (1) anterior. Así, en otra realización más, los compuestos de metal de transición de la presente invención pueden ser representados por la fórmula (4) que sigue:
(4)\{[L']^{q}\}_{m}\{T\}\{[JR_{y}]^{p}\}_{n}M[A]_{2}
en la que:
M es un metal de transición elegido entre el grupo 4, 5 ó 6 de la tabla periódica;
L' es un ligando estabilizante subordinado sustituido o no sustituido como se expuso antes en la fórmula (3), pero al menos un ligando L' es un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16;
J es un heteroátomo del grupo 15 ó 16, que tiene una carga negativa formal y que también está unido a M;
R es un grupo sustituyente unido a J y es como se describió anteriormente en la fórmula (1);
y tiene un valor de cero o 1, como sea necesario para completar la valencia de J;
T es un grupo puente opcional como se expuso anteriormente en la fórmula (1) y está unido a uno de los ligandos L' y al heteroátomo J;
A es un ligando como se describió anteriormente en la fórmula (2);
q y p son números enteros que representan la carga formal en el ligando estabilizante subordinado sustituido o no sustituido L'; y
m y n son números enteros iguales a 1 ó 2 y se eligen de forma que (m\cdotq) + (n\cdotp) = (s-2), en donde s es el número de grupo de M.
En otra realización, los compuestos de metal de transición de la invención están representados por la fórmula (5) que sigue:
(5)\{[L']\{T\}\{[JR_{y}]\}M[A]_{2}
en la que:
M es un metal de transición elegido entre el grupo 4 de la tabla periódica;
L' es un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16;
J es un heteroátomo del grupo 15, que tiene una carga negativa formal y que también está unido a M;
T es un grupo puente opcional que conecta L' y J mediante uno o más enlaces covalentes;
R es hidrógeno o cualquiera de los sustituyentes anteriormente mencionados que se afirma que son adecuados para la sustitución en los ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 de la invención;
y es el número de sustituyentes R que están unidos a J y puede ser igual a 0, 1 ó 2, según imponga la valencia de J y la presencia o ausencia de uniones al grupo puente opcional T; y
A es un ligando monoatómico o poliatómico que lleva una carga negativa formal de uno y que se definió anteriormente en la fórmula (2).
En una realización, el compuesto de metal de transición de la invención se representa mediante la fórmula (5) anterior, en la que M es titanio, J es nitrógeno, R es un grupo alquilo y T es un grupo dimetilsililo.
En otras realizaciones de los compuestos de metal de transición de la invención, el ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 ó 16 está representado por la fórmula (6) que sigue:
1
en la que:
X, Y y Z son independientemente, heteroátomos del grupo 13, 15 ó 16;
x, y y z representan el número de heteroátomos de X, Y y Z, respectivamente, y tienen valores enteros de cero o más;
D, E y F son substituyentes que completan la valencia de X, Y y Z según se requiera y son, independientemente, hidrógeno, halógeno o un grupo alquilo C_{1} a C_{30}, o un derivado sustituido del mismo y, opcionalmente, dos o más de los sustituyentes D, E y F pueden estar unidos entre sí formando un anillo;
R^{g}, R^{h} y R^{i} son, independientemente, hidrógeno, halógeno o grupos alquilo C_{1} a C_{30}, alquilideno o arilo, o derivados sustituidos de los mismos, incluyendo derivados en los que uno o más átomos de carbono están reemplazados con un heteroátomo del grupo 13, 15 ó 16;
CR_{a}, CR'_{b} y CR''_{c} son unidades hidrocarbilo, y R, R' y R'' son, independientemente, hidrógeno, halógeno o grupos alquilo C_{1} a C_{30}, alquilideno o arilo, o derivados sustituidos de los mismos, incluyendo derivados en los que uno o más átomos de carbono están reemplazados con un heteroátomo del grupo 13, 15 ó 16, y, opcionalmente, en los que dos o más de dichos R, R' y R'' están unidos entre sí, o están unidos con uno o más de los sustituyentes D, E y F formando un anillo;
a, b y c representan el número de sustituyentes R, R' y R'', respectivamente, y tienen valores enteros de 1 ó 2;
L, M y N representan el número de grupos hidrocarbilo CR_{a}, CR'_{b} y CR''_{c}, respectivamente, y tienen valores enteros de cero o más;
R, S y T son números entero de valor cero o más, de forma que:
\quad
[(R\cdot x)+(S\cdot y)+(T\cdot z)] \geq 1;
\quad
[(R\cdot L)+(S\cdot M)+(T\cdot N)] \geq 1;
\quad
[(R\cdot x)+(S\cdot y)+(T\cdot z)+(R\cdot L)+(S\cdot M)+(T\cdot N)] \geq 3;\ y
los enlaces entre cualquiera de los átomos pueden ser enlaces simples o dobles, o pueden tener carácter híbrido de resonancia, como se requiera para satisfacer las valencias de cada átomo.
Como se indica por los requisitos puestos en los números enteros x, y, z, L, M, N, S, T y R, el ligando descrito en la fórmula (5) tiene un anillo condensado con un grupo ciclopentadienuro, teniendo dicho anillo al menos tres átomos no compartidos por el grupo ciclopentadienuro del ligando, y al menos uno de los cuales es un heteroátomo del grupo 13, 15 ó 16. Los sustituyentes D, E y F completan la valencia de X, Y y Z según se precise. Por ejemplo si X tiene una valencia de tres, y dos de estas valencias se usan para formar un doble enlace con el átomo de carbono del grupo hidrocarbilo Cr_{a}, la valencia restante ha de ser usada para formar un enlace con un átomo de carbono del grupo ciclopentadienuro. En este caso, D no estará presente ya que D no se requiere para completar la valencia de X (ya que todas las valencias de X están ocupadas). Por otra parte, si X tiene una valencia de tres y una de estas valencias se usa para formar un enlace simple con el átomo de carbono de CR_{a}, y otra se usa para formar un enlace simple con un carbono del anillo de ciclopentadienuro, D ha de estar presente ya que es necesario para completar la valencia de X.
Preferentemente en la fórmula (6) anterior, X, Y y Z se eligen independientemente entre el grupo formado por boro, nitrógeno, fósforo, oxígeno y azufre, más preferentemente entre el grupo formado por nitrógeno, oxígeno y azufre y aún más preferentemente X, Y y Z serán todos ellos nitrógeno. Ejemplos de sustituyentes R^{g}, R^{h}, R^{i}, R, R', R'', D, E y F son los sustituyentes descritos anteriormente como generalmente adecuados para los ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 de la invención.
En otra realización, el ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 se forma a partir de azaindeno sustituido o no sustituido o un tetrahidroazaindeno sustituido o no sustituido. Así, los ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 de la invención pueden formarse por la desprotonización de compuestos representados por las fórmulas I a IV que siguen, pero, como apreciarán los profesionales con experiencia normal en la técnica, se conocen rutas para complejos de ciclopentadienuro metálico que no requieren la desprotonización formal de precursores del ligando.
2
Numerosos sistemas de anillo se denominan en la bibliografía como "sistemas de anillo de azaindeno". Sin embargo, como se usa en el presente texto, se entiende que el anillo de azaindeno tiene las estructuras de anillo básicas mostradas anteriormente en las fórmulas I a IV. Estos sistemas de anillo de azaindeno se denominan a veces en la bibliografía como pirindinas y se nombran de acuerdo con la posición del átomo de nitrógeno y el carbono saturado del anillo de cinco elementos. Así, los sistemas de anillo de fórmulas I a IV pueden denominarse 5H-1-pirindina, 5H-2-pirindina, 7H-2-pirindina y 7H-1-pirindina, respectivamente. Los nombres "5H-1-pirindina" y 1-azaindeno se usarán indistintamente en el presente texto, y se entenderá que se refieren al mismo compuesto. Los profesionales con experiencia normal en la técnica apreciarán que cuando las fórmulas II, III y IV representan derivados únicos basados en la elección de los grupos sustituyentes, estarán comprendidos en la presente invención. Los grupos sustituyentes R^{d}, R^{e}, R^{f}, R^{g}, R^{h} y R^{i} se eligen independientemente, pueden ser iguales o diferentes son o bien 1) hidrógeno o bien 2) los sustituyentes que son generalmente adecuados para los ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 de la invención, habiendo sido ya discutidos tales sustituyentes anteriormente. Cuando R^{d}, R^{e}, R^{f}, R^{g}, R^{h} son todos ellos hidrógeno, se entenderá que el sistema de anillo de 1-azaindeno es un sistema de anillo de 1-azaindeno no sustituido. Los sistemas de anillo de tetrahidroazaindenilo derivados de cualquiera de los compuestos mostrados en las fórmulas I, II, III y IV son también adecuados para ser usados como ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 de la invención.
En una realización particularmente preferida, los ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 de la invención se eligen entre el grupo formado por los ligandos cuyas estructuras de anillo se muestran más adelante en el Diagrama (1), sistemas de anillo de tetrahidroazaindenilo derivados de los mismos, y derivados sustituidos de los mismos en los que uno o más átomos de hidrógeno (que no están representados pero que los profesiones con experiencia normal en la técnica entenderán que están implícitamente presentes en las estructuras del Diagrama (1)), están sustituidos con cualquiera de los sustituyentes adecuados para la sustitución en los ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 como se describieron anteriormente en el presente texto:
3
En una realización más preferida, el compuesto de metal de transición de la invención es cualquiera de los anteriormente descritos en esta solicitud de patente, en la que el metal de transición se elige entre el grupo formado por titanio, zirconio y hafnio. En una realización de la invención, el compuesto de metal de transición es dimetil (\eta5-pentametilciclopentadienil)(azaindenil)zirconio (también citado en el presente texto como (I)). En otra realización más de la invención, el compuesto de metal de transición es dicloruro de bis(5-metil-ciclopenta[b]tiofeno) zirconio (también citado en el presente texto como (II)).
Los compuestos adecuados como precursores para ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 de la presente invención pueden prepararse por métodos conocidos en la técnica. Para el ligando 1-azaindeno progenitor representado en las fórmulas I, II, III y IV anteriores, cuando los grupos sustituyentes R^{d}, R^{e}, R^{f}, R^{g}, R^{h} y R^{i} son todos ellos hidrógeno, la síntesis se realiza con facilidad en escala grande comenzando con 2,3-ciclopentenopiridina. La transformación sigue métodos descritos, por ejemplo, en Robinson, M.R., J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 4677. Así, la oxidación de 2,3-ciclopentenopiridina con peróxido de hidrógeno en ácido acético caliente proporciona el N-óxido de 2,3-ciclopentenopiridina. La acilación de este material con anhídrido acético seguida por una suave termolisis, proporciona la 7-acetoxi-4,5-dihidropirindina. La eliminación del ácido acético de este material tiene lugar al tratarlo con ácido sulfúrico concentrado para proporcionar pirindina (1-azaindeno) como una mezcla de isómeros de doble enlace. Alternativamente, puede hidrolizarse el derivado acetato para dar el derivado hidroxilo. Este material se transforma también fácilmente en 1-azaindeno por tratamiento con ácido sulfúrico concentrado. Además, para un profesional con una experiencia normal en la técnica resultarán fácilmente evidente métodos para preparar numerosos y variados derivados de 1-azaindeno, como se describe, por ejemplo, en Freeman, F. Adv. Heter. Chem. 1973, 15, 187.
La formación de sistemas de anillo de tetrahidroazaindenilo derivados de cualquiera de los compuestos mostrados en las Fórmulas I, II, III y IV, y en el Diagrama (1) puede realizarse bien sea antes de la unión al metal de transición o bien después de la ligación, usando métodos conocidos en la técnica, tales como, por ejemplo, hidrogenación del sistema de ligando de azaindeniluro mediante el uso de un catalizador de hidrogenación, bien sea homogéneo o heterogéneo. Alternativamente, el ligando de tetrahidroazaindeno puede ser sintetizado por métodos conocidos y después puede ser ligado al metal por métodos convencionales. Las reacciones de aza-anillación del tipo desarrollado por Stork (G. Stork, Pure Appl. Chem. 1968, 17, 383) y otros (por ejemplo, A.A. El-Bararbary, et al. Tetrahedron 1982, 405) son adecuadas para construir este tipo de sistemas de anillo. También son adecuados los métodos descritos recientemente por Larrock (Larrock et al., J. Org. Chem. 1996, 61, 3584) que utilizan una ciclización catalizada por paladio para proporcionar el sistema de anillo de hexahidro-azaindeno.
Los profesionales con un conocimiento normal en la técnica apreciarán que estas transformaciones y otras conocidas en la técnica pueden extenderse a una diversidad de compuestos relacionados para proporcionar precursores de los ligandos de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 de la invención.
Sistemas de catalizadores de la invención
Los sistemas de catalizadores de la invención comprenden un complejo catalítico formado activando uno o más de los compuestos de metal de transición de la invención. Tal como se usa en el presente texto, "complejo catalítico" quiere decir cualquier especie capaz de polimerizar monómeros que tienen insaturación olefínica o acetilénica. "Activación" o "activar" significa el proceso o acto de poner un compuesto de metal de transición de la invención y un activador en una proximidad tal que se forme un complejo catalítico.
Los compuestos de metal de transición de la invención pueden ser activados usando los medios de activación tradicionales, incluyendo específicamente el uso de compuestos de alquil alumoxano como activadores, y activadores ionizantes tales como los representados por compuestos de boro aril-sustituidos tales como sales que contienen nitrógeno, carbenio, sales sililio o fosfonio, sales metálicas y compuestos ácidos de Lewis neutros. Cada método está bien documentado en la técnica de la catálisis metalocénica. Así, en algunas realizaciones los sistemas de catalizadores de la invención comprenden el producto de reacción de un alquil alumoxano y un compuesto de metal de transición de la invención. En otras realizaciones, los sistemas de catalizadores de la invención comprenden el producto de reacción de un activador ionizante y un compuesto de metal de transición de la invención.
Los medios de activación relacionados, tales como el uso de alquil aluminio u otros agentes alquilantes de metal-alquilo para convertir los compuestos de haluro de metaloceno en compuestos que contienen grupos hidruro o alquilo antes de la activación con los compuestos activadores ionizantes, serán adecuados de acuerdo con la presente invención. Por ejemplo, los expertos en la técnica entenderán que si se van a usar compuestos activadores ionizantes con compuestos de metal de transición de la invención que no contienen ligandos reactivos hacia activadores ionizantes, tales compuestos de metal de transición pueden ser tratados con agentes alquilantes, por ejemplo, para incorporar tales ligando reactivos, y que esta etapa es una de las etapas necesarias para formar un complejo catalítico por activación iónica en estas circunstancias.
En una realización, los complejos catalíticos de la invención se preparan combinando un compuesto de metal de transición de la invención con un activador ionizante para proporcionar un complejo catalítico de acuerdo con la fórmula (7):
(7)[(\{[L']^{q}\}_{m}\{T\}\{[L'']^{p}\}_{m}M[A])]^{1+}{}_{x}[B^{y-}]_{z}
en la que:
M es un metal de transición elegido entre el grupo 4, 5 ó 6 de la tabla periódica;
L' y L'' son ligandos subordinados iguales o diferentes, sustituidos o no sustituidos, al menos uno de los cuales es un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16;
A es un ligando monoatómico o poliatómico que lleva una carga negativa formal de uno y que se describió anteriormente en la fórmula (2);
T es un grupo puente opcional que conecta un ligando L' y un ligando L'', y se describió anteriormente en la fórmula (1);
q y p son números enteros que representan la carga formal en los ligandos subordinados iguales o diferentes, sustituidos o no sustituidos, L' y L'' respectivamente;
m y n son números enteros iguales a 1 ó 2 y se eligen de forma que (m\cdotq) + (n\cdotp) = (s-2), en donde s es el número de grupo de M;
x es el número de cationes con carga única;
B es un anión no coordinante compatible, de carga y;
z es el número de aniones cono coordinantes de carga y; y
(z\cdoty) = x.
En el complejo catalítico definido por la fórmula (7), la expresión "(z\cdoty) = x" debe interpretarse, a lo largo de esta memoria descriptiva de patente, en su sentido algebraico habitual para indicar que la cantidad "z por y" es igual al valor x. El anión no coordinante compatible B es preferentemente un único complejo de coordinación aniónico que comprende una diversidad de radicales lipófilos unidos covalentemente a un átomo de metal o metaloide que lleva una carga central, y escudándolo, el cual anión es voluminoso, lábil y capaz de estabilizar el compuesto de metal de transición catiónico insaturado. Los aniones B no coordinantes adecuados incluyen cualquiera de los conocidos en la técnica, tales como, por ejemplo, los descritos en las patentes de EE.UU. números 5.198.401 y 5.278.119. El ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 puede ser cualquiera de los ya descritos en el presente texto.
En una realización, el sistema de catalizador de la invención puede utilizar uno o más compuestos de metal de transición diferentes de la invención, u otros compuestos de metal de transición, incluyendo metalocenos u otras clases de catalizadores de polimerización, tales como, por ejemplo los bien conocidos catalizadores Ziegler-Natta basados en haluros de metal de transición. Tales sistemas de catalizadores mixtos se emplean frecuentemente para conseguir polímeros de MWD ensanchado, bimodal o multimodal, capaces de mejores propiedades o tratamiento. También, el uso de los metalocenos de la invención con otros metalocenos capaces de MWD estrecho y MIR bajo, pero que tienen una menor capacidad de incorporación de comonómeros, debe dar polímeros que tienen un MWD estrecho y una distribución de composición (CD) ensanchada.
Los sistemas de catalizadores de la invención pueden comprender además un soporte. Cualquier método eficaz para soportar sistemas de catalizadores de coordinación puede ser usado para incorporar el soporte, significando el término "eficaz" que el sistema de catalizador así preparado puede ser usado para preparar polímero en un proceso de polimerización en fase gaseosa, en solución o en suspensión. Los métodos para soportar sistemas de catalizadores son bien conocidos en la técnica.
Para los fines de esta memoria descriptiva de patente los términos "vehículo" o "soporte" son indistintos y pueden ser cualquier material de soporte, preferentemente un material de soporte poroso, tal como, por ejemplo, talco, óxidos inorgánicos, cloruros inorgánicos, por ejemplo cloruro de magnesio, y materiales soporte resinosos, tales como poliestireno, poliolefina o compuestos polímeros, o cualquier otro material soporte orgánico, y similares, que tenga un tamaño medio de partícula mayor que 10 \mum.
Los materiales soporte preferidos son materiales de óxido inorgánico, que incluyen los obtenidos a partir de los óxidos de los metales de los Grupos 2, 3, 4, 5, 13 ó 14 de la Tabla Periódica de los Elementos. En una realización preferida, los materiales soporte del catalizador incluyen sílice, alúmina, sílice-alúmina y sus mezclas. Otros óxidos inorgánicos que pueden emplearse, bien solos o en combinación con la sílice, la alúmina, o la sílice-alúmina, son magnesia, titania, zirconia, y similares.
En una realización, el sistema de catalizador de la invención está soportado de acuerdo con los métodos descritos en las solicitudes de patente de EE.UU., pendientes en común con la presente, números 08/265.533 y 08/412.810, cada una de las cuales se incorpora como referencia por sus enseñanzas en cuanto a métodos para soportar catalizadores.
Procedimiento de polimerización de la invención
Los sistemas de catalizadores de esta invención son adecuados para la polimerización de monómeros y comonómeros que tienen unidades insaturadas olefínicamente o acetilénicamente, en cualquier procedimiento de polimerización o prepolimerización, en fase gas, solución o suspensión; puede utilizarse incluso un proceso en autoclave de alta presión o un proceso tubular a alta presión.
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En una realización, el procedimiento de polimerización de la invención se dirige a reacciones de polimerización o copolimerización en suspensión o en fase gaseosa que implican la polimerización, y opcionalmente la prepolimerización, de uno o más de los monómeros de alfa-olefina que tienen de 2 a 20 átomos de carbono.
En otra realización, el procedimiento de polimerización de la invención comprende poner en contacto, bajo condiciones de polimerización en fase gaseosa, suspensión o solución:
a) un monómero que contiene unidades insaturadas olefínicamente o acetilénicamente;
b) opcionalmente, uno o más comonómeros que tienen unidades insaturadas olefínicamente o acetilénicamente; y
c) un sistema de catalizador que comprende un complejo catalítico formado activando cualquiera de los compuestos de metal de transición de la invención.
En una realización preferida, el monómero es etileno y el comonómero o los comonómeros se eligen entre alfa-olefinas. La invención es particularmente adecuada para reacciones de homopolimerización o copolimerización que implican la polimerización de una o más de las olefinas, por ejemplo uno o más entre los compuestos etileno, propileno, buteno-1, isobutileno, penteno-1, 4-metilpenteno-1, hexeno-1-, octeno-1, deceno-1 y olefinas cíclicas tales como norborneno, así como otros monómeros que contienen unidades insaturadas olefínicamente tales como, por ejemplo, estireno y sus derivados. Otros monómeros pueden incluir diolefinas tales como dienos acíclicos, por ejemplo 1,4-hexadieno, \alpha,\omega-1,7-octadieno, y similares, y dienos cíclicos tales como ciclooctadieno, etiliden norborneno, norbornadieno, y diciclopentadieno, así como monómeros insaturados acetilénicamente tales como acetileno. En una realización, el procedimiento de la invención se dirige a la polimerización de etileno y opcionalmente uno o más comonómeros elegidos entre el grupo consistente en alfa-olefina y diolefinas que tienen de 3 a 15 átomos de carbono, en otra realización de 4 12 átomos de carbono, y, lo más preferentemente, en otra realización de 4 a 10 átomos de carbono. En otra realización más, se polimeriza etileno y un comonómero de alfa-olefina, con al menos otro comonómero, que puede ser una segunda alfa-olefina distinta, para formar un terpolímero u otro interpolímero.
En otra realización del procedimiento de la invención, la olefina o las olefinas se prepolimerizan en presencia del sistema de catalizador de la invención antes de la polimerización principal. La prepolimerización puede llevarse a cabo por tandas o en continuo en fase gas, solución o suspensión, incluyendo a temperaturas elevadas. La prepolimerización puede tener lugar con un monómero de alfa-olefina o una combinación de ellas, y/o en presencia de cualquier agente de control del peso molecular tal como hidrógeno. Para detalles acerca de la prepolimerización, véanse las patentes de EE.UU. nº 4.923.833 y nº 4.921.825, y el documento EP-B-0279 863, publicado el 14 de octubre de 1992, todos los cuales se incorporan al presente texto en su totalidad como referencia. Todos los sistemas de catalizadores de la invención pueden ser opcionalmente prepolimerizados o usados junto con un aditivo o componente de exclusión para mejorar la productividad catalítica.
Típicamente en un procedimiento de polimerización en fase gas se emplea un ciclo continuo en el que una parte del ciclo de un reactor, una corriente de gas de ciclación, conocida también como corriente de reciclación o medio de fluidificación, es calentada en el reactor por el calor de polimerización. Este calor es eliminado en otra parte del ciclo mediante un sistema de enfriamiento exterior al reactor (véanse, por ejemplo, las patentes de EE.UU. números 4.543.399, 4.588.790, 5.028.670 y 5.352.749, y el documento WO 94/28032 publicado el 8 de diciembre de 1994, todos los cuales se incorporan al presente texto en su totalidad como referencia).
Generalmente, en un procedimiento de lecho fluidizado por gas para producir polímeros a partir de monómeros, una corriente gaseosa que contiene uno o más monómeros se cicla continuamente a través de un lecho fluidizado en presencia de un catalizador bajo condiciones reactivas. La corriente gaseosa es retirada del lecho fluidificado y recirculada de vuelta al reactor. Simultáneamente, el producto polímero se saca del reactor y se añade monómero nuevo o fresco para reemplazar al monómero polimerizado.
Un procedimiento de polimerización en suspensión usa generalmente presiones en el intervalo de aproximadamente 1 a aproximadamente 500 atmósferas, e incluso mayores, a temperaturas en el intervalo de -60ºC a aproximadamente 280ºC. En una polimerización en suspensión, se forma una suspensión de polímero sólido en partículas en un medio de polimerización líquido, al que se añaden etileno y comonómeros, y con frecuencia hidrógeno, junto con el catalizador. El líquido empleado en el medio de polimerización puede ser alcano o cicloalcano, o un hidrocarburo aromático tal como tolueno, isobutilbenceno, etilbenceno o xileno. El medio empleado debe ser líquido bajo las condiciones de polimerización y relativamente inerte. En otra realización, se emplea hexano o isobutano.
Ejemplos
Con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la presente invención, se ofrecen los ejemplos que siguen.
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Ejemplo de síntesis 1
A menos que se haga observar otra cosa, la síntesis de todos los complejos metálicos se realizó bajo atmósfera de nitrógeno en disolventes secos, desoxigenados, en una cámara seca con atmósfera inerte o usando técnicas Schlenk estándar.
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El compuesto de metal de transición (1), que es dimetil (\eta5-pentametilciclopentadienil)(azaindenil)zirconio, tiene la fórmula estructural siguiente:
4
y fue preparado de la forma que sigue: se preparó trimetil (\eta^{5}-pentametilciclopentadienil)zirconio usando métodos conocidos en la técnica (véanse, por ejemplo, P.T. Wolczanski, J.E. Bercaw, Organometallics, 1982, 1, 793) y se disolvió a continuación en tolueno a temperatura ambiente. A esta solución se añadió un equivalente del ligando neutro, 1-azaindeno, en forma de una solución en tolueno. Se observó desprendimiento de gas. Después de agitar durante 15 minutos, las sustancias volátiles se eliminaron bajo vacío para dar (1). Rendimiento 92%. Se obtuvieron cristales individuales adecuados para análisis por rayos X mediante recristalización en pentano a -25ºC. ^{1}H NMR (250 MHz, C_{6}D_{6}) 8,68 (d, 1H); 7,52 (d, 2H); 6,67 (dd, 1H); 6,05 (m, 1H); 5,89 (m, 1H); 5,42 (m, 1H). ^{13}C (62,89 MHz, C_{6}D_{6}) 150,64; 143,13; 132,51; 119,72; 118,18; 117,84; 113,20; 99,78; 99,50; 39,50; 35,1; 11,58.
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Ejemplo de síntesis 2
Se preparó dicloruro de bis(5-metil-ciclopenta[b]tiofeno)zirconio, (II), de la forma que sigue: se preparó 5-metil-6H-ciclopenta[b]tiofeno usando métodos debidos a O. Meth-Cohn y S. Gronovich, que pueden encontrarse en Acta Chem. Scand., 1966, 20, 1577 y en Acta Chem. Scand., 1966, 20, 1773. El producto 5-metil-6H-ciclopenta[b]tiofeno se convirtió después directamente en el producto litiado mediante butil-litio, como describen T.S. Cantrell y B.L. Harrison en Tetrahedron Lett., 1967, 4477. Después se preparó el metaloceno combinando 2,4 g (17 mmoles) de 5-metil-6H-ciclopenta[b]tiofeno litiado con 2,0 g (8,5 mmoles) de ZrCl_{4} en 100 ml de tolueno. La mezcla se agitó durante 12 horas a temperatura ambiente, y después se agitó bajo condiciones de reflujo durante una hora más. La solución en tolueno fue después filtrada y el filtrado se mantuvo a -30ºC durante tres días, tiempo durante el cual se separaron de la solución 0,6 g de un sólido amarillo brillante (II). El sólido (II) se recristalizó en 50 ml de tolueno a -30ºC.
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Ejemplo de polimerización 1
Se disolvió el compuesto de metal de transición (I) (20,0 mg) en 5 ml de tolueno, y se pasó a un reactor autoclave estándar de 1 litro que contenía 400 ml de hexano. Se disolvió tris(perfluorofenil)boro (74,0 mg) en 5 ml de tolueno y se añadió al reactor. El reactor se puso a 60ºC y se agitó su contenido durante 5 minutos antes de cargar el reactor con 10,35 bares de etileno. El contenido se mantuvo a 60ºC durante 4 minutos, después se paró la polimerización purgando y enfriando rápidamente el reactor. El sólido se recuperó y se secó para dar 8,0 g de polietileno, Mn = 68.000; Mw = 167.000; MWD = 2,46.
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Ejemplo de polimerización 2
Se disolvió el compuesto de metal de transición (I) (20,0 mg) en 5 ml de tolueno y se pasó a un reactor autoclave estándar de 1 litro que contenía 400 ml de hexano. Se disolvió tris(perfluorofenil)boro (74,0 mg) en 5 ml de tolueno y se añadió al reactor. El reactor se puso a 60ºC y se agitó su contenido durante 5 minutos antes de cargar el reactor con 5,17 bares de etileno. El contenido se mantuvo a 60ºC durante 20 minutos, después se paró la polimerización purgando y enfriando rápidamente el reactor. El sólido se recuperó y se secó para dar 25,1 g de polietileno, Mn = 63.000; Mw = 169.000; MWD = 2,70.
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Ejemplo de polimerización 3
Se preparó una solución de metaloceno disolviendo 10 mg de dicloruro de bis(5-metil-ciclopenta[b]tiofeno)zirconio (II) en 100 cc de tolueno. A temperatura ambiente, un reactor autoclave agitado de 0,5 litros se cargó con 250 cc de hexano y 10 cc de una solución en tolueno de metilalumoxano que contiene 10% en peso de metilalumoxano. La presión del reactor se purgó antes de calentar a la temperatura de reacción de 115,7ºC. Se añadió propileno hasta que la presión del reactor alcanzó 7,6 bares. La presión del reactor se subió entonces a 16,2 bares con etileno. Bajo estas condiciones, las concentraciones de monómero eran 1,0 M para el propileno y 0,7 M para el etileno, resultando relaciones molares de la concentración de los monómeros (C_{3}/C_{2}) de 1,43. Después de ajustar la presión del reactor, la polimerización comenzó alimentando al reactor la solución de metaloceno. La polimerización se realizó en forma semicontinua, alimentando etileno puro al reactor. Durante el proceso la solución de metaloceno fue bombeada al reactor a una velocidad entre 0 y 1 cc/min, dependiendo del caudal de reposición de etileno. Este caudal se mantuvo en aproximadamente 0,03 a 0,22 SLPM. La polimerización se mantuvo durante 30 minutos y usó 14 cc de la solución de metaloceno, ó 1,4 mg de (II). El rendimiento fue 5,36 gramos de polímero, correspondientes a una eficacia del catalizador de 3,83 kg/g.
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Ejemplo de polimerización 4
Se preparó una solución de metaloceno disolviendo 10 mg de dicloruro de bis(5-metil-ciclopenta[b]tiofeno)zirconio (II) en 100 cc de tolueno. A temperatura ambiente, se cargó un reactor autoclave agitado de 0,5 litros con 250 cc de hexano y 10 cc de una solución en tolueno de metilalumoxano que contiene 10% en peso de metilalumoxano. Después se añadieron al reactor tres cc de etiliden-norborneno (ENB). La presión del reactor se purgó antes de calentar a la temperatura de reacción de 115ºC. Se añadió propileno hasta que la presión del reactor alcanzó 7,6 bares. La presión del reactor se subió entonces a 16,1 bares con etileno. Bajo estas condiciones, las concentraciones de monómero eran 1,0 M para el propileno, 0,7 M para el etileno y 0,07 M para el ENB, resultando relaciones molares de concentración (C_{3}/C_{2}/ENB) de 14,3/10/1. Después de ajustar la presión del reactor, la polimerización comenzó alimentando al reactor la solución de metaloceno. La polimerización se realizó en forma semicontinua, alimentando al reactor etileno puro. La solución de metaloceno fue bombeada al reactor a una velocidad entre 0 y 4 cc/min, dependiendo del caudal de reposición de etileno. Este caudal se mantuvo en aproximadamente 0,03 a 0,6 SLPM. La polimerización se realizó durante 30 minutos y usó 60 cc de la solución de metaloceno, o 6 mg de (II). El rendimiento fue 7,89 gramos de polímero, correspondientes a una eficacia del catalizador de 1,32 kg/g.
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Ejemplo de polimerización 5
Se preparó una solución de metaloceno disolviendo 10 mg de dicloruro de bis(5-metil-ciclopenta[b]tiofeno)zirconio (II) en 100 cc de tolueno. A temperatura ambiente, se cargó un reactor autoclave agitado de 0,5 litros con 250 cc de hexano y 10 cc de una solución en tolueno de metilalumoxano que contiene 10% en peso de metilalumoxano. Después se añadieron al reactor 40 cc de hexeno-1 y el reactor se calentó a aproximadamente 80ºC. Después se presurizó el reactor con etileno a 8,6 bares. Bajo estas condiciones, las concentraciones de monómero eran 1,0 M para el hexeno-1 y 0,75 M para el etileno, resultando una relación molar de concentración de monómeros (C_{6}/C_{2}) de 1,3. Después de ajustar la presión del reactor, la polimerización comenzó alimentando al reactor la solución de metaloceno. La polimerización se realizó en forma semicontinua, alimentando al reactor etileno puro. La solución de metaloceno fue bombeada al reactor a una velocidad entre 0 y 1 cc/min, dependiendo del caudal de reposición de etileno. Este caudal se mantuvo en aproximadamente 0,01 a 0,7 SLPM. La polimerización se realizó durante 30 minutos y usó 5 cc de la solución de metaloceno, o 0,5 mg de (II). El rendimiento fue 8,26 gramos de polímero, correspondientes a una eficacia del catalizador de 16,52 kg/g. El polímero contenía 11,4% en peso de hexeno incorporado.

Claims (8)

1. Un sistema de catalizador de polimerización que comprende un complejo catalítico formado activando un compuesto de metal de transición representado mediante la fórmula:
[L]_{m}M[A]_{n}(D')_{o}
en la que:
M es un metal de transición elegido entre el grupo formado por los metales de los Grupos 3, 4, 5 y 6;
L es un ligando que contiene ciclopentadienuro que puede ser igual o diferente de cualquier otro ligando L, pero al menos un ligando L es un ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16;
A es un ligando monoatómico o poliatómico distinto de un ligando que contiene ciclopentadienuro, que lleva una carga negativa formal y puede ser el mismo o distinto de cualquier otro ligando A;
D' es un ligando donador opcional que puede estar presente o no;
m es un número entero que tiene un valor de 1, 2 ó 3;
n es un número entero que tiene un valor de 1, 2 ó 3; y
o es un número entero que representa el número de ligandos donadores opcionales D',
con la condición de que el complejo catalítico no está formado por el dicloruro de isopropilidén[ciclopentadienil-(7-ciclopentaditiofén)]zirconio activado por metilalumoxano.
2. El sistema de catalizador de polimerización según la reivindicación 1ª, en el que dicho metal de transición se selecciona del grupo que consiste en metales del Grupo 4, 5 y 6.
3. El sistema de catalizador de polimerización según las reivindicaciones 1ª o 2ª, en el que dicho ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 contiene como heteroátomos endocíclicos uno o más átomos seleccionado únicamente del grupo que consiste en boro, nitrógeno, fósforo, oxígeno y azufre.
4. El sistema de catalizador de polimerización según las reivindicaciones 1ª o 2ª, en el que dicho ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 contiene como heteroátomos endocíclicos solamente uno o más heteroátomos de nitrógeno.
5. El sistema de catalizador de polimerización según las reivindicaciones 1ª o 2ª, en el que dicho ligando de ciclopentadienuro condensado con un heterociclo del grupo 13, 15 o 16 contiene como heteroátomos endocíclicos solamente uno o más heteroátomos de azufre.
6. El sistema de catalizador de polimerización según la reivindicación 1ª, en el que dicho compuesto de metal de transición es dimetil(\eta^{5}-pentametilciclopentadienil)(azaindenil)zirconio.
7. El sistema de catalizador de polimerización según la reivindicación 1ª, en el que dicho compuesto de metal de transición es el dicloruro de bis(5-metil-ciclopenta[b] tiofén)zirconio.
8. Un procedimiento de polimerización que comprende poner en contacto, bajo condiciones de polimerización en fase gas, en suspensión o en solución:
a)
un monómero que contiene unidades insaturadas olefínicamente o acetilénicamente;
b)
opcionalmente, uno o más comonómeros que tienen unidades insaturadas olefínicamente o acetilénicamente; y
c)
el sistema de catalizador según las reivindicaciones 1ª, 2ª, 6ª o 7ª.
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