KR0165843B1 - 올레핀중합용메탈호센촉매의제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온성 메탈로센 화합물의 신규한 제조방법을 사용한다. 이러한 화합물은 올레핀, 주로 프로필렌의 중합반응 촉매로서 유용하다. 이러한 방법은 중성 메탈로센 화합물을 이온화시키는 이온화제를 사용한다. 이온화 이온성 화합물은 활성 양성자를 함유하지 않으며 카보늄, 옥소늄 또는 설포늄 양이온을 함유한다. 이온화 이온성 화합물의 음이온은 메탈로센 양이온에 배위되지 않거나 느슨하게 배위되고 메탈로센 양이온과 화학적으로 반응하지 않는다. 특정의 이러한 화합물은 트리페닐 카베늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보로네이트이다.
본 발명의 촉매 제조방법은 높은 활성을 지닌 촉매를 제공하고 촉매 활성을 억제할 수 있는 부산물은 제공하지 않는다. 이러한 신규한 합성방법은 루이스 염기를 제공하지 않는 완전한 반응이다. 이러한 반응은 (IV)족 금속 메탈로센 유도체로부터 메틸 음이온을 제거함으로써 활성 촉매를 제공한다.

Description

올레핀 중합용 메탈로센 촉매의 제조방법
본 발명은 일반적으로 촉매의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 올레핀 중합용 촉매의 제조방법에 관한 것이다.
올레핀, 특히 프로필렌은 중합되어 아이소탁틱(isotactic), 신디오탁틱 (syndiotactic) 및 아탁틱(atactic)의 여러 가지 형태의 폴리올레핀을 형성할 수 있다. 아이소탁틱 폴리프로필렌은 쇄내에 배위가 동일한 주반복단위 및 몇몇의 불규칙적인 간단한 변형단위를 함유한다. 아리소탁틱 폴리프로필렌은 하기 구조로 나타낼 수 있다.
아이소탁틱 폴리프로필렌은 융점이 높고 무정형(비결정성) 상태의 중합체와 상당히 상이한 기타의 바람직한 물리적 특성을 갖는 고도의 결정성 중합체로 존재할 수 있다.
신디오탁틱 중합체는 정확하게 변형되는 입체이성체 단위를 주로 함유하며 하기 구조로 나타낸다.
규칙적인 순서의 반복 단위 배위를 나타내지 않는 중합체쇄는 아탁틱 중합체이다. 상업적 적용시 아이소탁틱 형태와 함께 특정 비율의 아탁틱 중합체가 전형적으로 제조된다.
올레핀의 중합은 주로 지글러-나타 촉매의 한 그룹은 공촉매로서 메틸알루미녹산을 함께 사용하는 (IV)족 메탈로센 화합물이다. 올레핀 중합용 지글러-나타 촉매는 (IV)족 메탈로센을 이온성화합물과 배합시킴으로써 형성될수 있다.
상기식에서, Cp* 는 펜타메틸사이클로펜티디에닐이고,
M은 (IV)족 금속이고,
R은 알킬이고,
L은 리간드이고,
[C]는 양이온이고,
[A]는 음이온이다.
생성된 화합물은 촉매로서 작용하는 메탈르센 양이온이다. 이온성 화합물의 양이온[C]은 메탈로센과 반응하여 이온쌍을 생성시킨다. 음이온[A]은 양이온성 메탈로센에 배위되지 않거나 단지 느슨하게 배위된다.
다음의 방법을 사용하여 상기 반응을 생성시킨다:
1-전자산화 방법: 이러한 방법은 문헌[참조: Ethylene Polymerization by a Cationic Dicyclopentadiernylzirconium(IV)Alkyl Complex, R.F. Jordan, C.S. Bajgur, R, Willett, B,Scott, J. Am. Chem. Soc., p. 7410-7411, Vol. 108 (1986)]에 기술되어 있다. 이들 초기 실시예는 덜 친전자성인 금속 양이온을 생성시키기 위해 루이스 염기를 사용하며, [Bph4]-는 Ph가 C6H5인 음이온이다. 반응은 배위 용매 중에서 일어난다. 이들 촉매는 일반적으로 활성이 낮다.
양성자화 방법: 이러한 방법은 문헌[참조; Synthesis and Insertion Reactions of Cationic Alkylbis(cyclopentadienyl) titanium Complexes, M. Bochmann, L,M. Wilson, J. Chem. Soc. Commun., p. 1610-1611, (1986); Cationic Alkylbis(cyclopentadienyl) titanium Complexes. M. Bochmann, L. Wilson, Organometallics, p. 2556-2563, Vol. 6, (1987); Insertion Reactions of Nitriles in Cationic Alkylbis(cyclopentadienyl) titanium Complexes, M. Bochmann, L. Wilson, Organometallics, p. 1147-1154, Vol. 7, (1987)]에 기술되어 있다.
유럽 특허원 제0-227-003호는 양성자화 방법에 의해 제조된 촉매상에서의 터너의 연구에 관한 것이다. 비스(사이클로펜타디에닐) 금속 화합물은 양성자를 공여할 수 있는 양이온 및 다수의 붕소 원자를 갖는 음이온을 갖는 화합물과 배합된다. 예를 들면, 다음의 반응은 본 발명을 설명한다:
비스(사이클로펜타디에닐)하프늄 디메틸 +N, N-디메틸아닐리늄 비스 (7,8-디카바운데카보레이토) 코발테이트(III)[Cp2HfMe][B] + CH4+ N.N- 디메틸아닐린
상기식에서. [B]는 7.8-디카바운데카보란이다.
또한, 유럽 특허원 제0-277-004호는 양성자화 방법에 의해 제조된 촉매 상에서의 터너의 연구에 관한 것이다. 비스 (사이클로펜타디에닐) 금속 화합물은 금속 화합물 상의 리간드와 비가역적으로 반응하는 양이온 및 금속 또는 메탈로이드 이온 주의에 다수의 호지성 라디칼을 갖는 음이온을 갖는 이온성화합물과 배합된다. 예를 들면, 다음의 반응은 본 발명을 설명한다:
트리(n-부틸)암모늄 테트라(펜타플루오로페닐)붕소 + 비스(사이클로펜타디에닐)저르코늄 디메틸[Cp2ZrMe][BPh4] + CH4+ 트리(n-부틸)N
양성자화 반응의 부산물은 양이온에 배위되어 촉매 활성을 억제할 수 있는 루이스 염기(아민)이다. 출발 물질은 촉매독인 특별한 이민을 생성시키지 않도록 조심스럽게 선택해야 한다. 또한, 촉매 및 이러한 촉매로 제조된 중합체는 바람직하지 않은 독성 잔여 아민을 함유한다.
리간드 추정 방법-리간드 추정 방법은 문헌 [참조: Multiple Metal-Carbon Bonds, R. R. Schrock, P. R. Sharp, J. Am. Chem. Soc., p. 2389-2399, Vol. 100, No. 8 (April, 2, 1978)]에 기술되어 있다.
대부분의 공지된 방법에서, 메틸알루미녹산(MAO)을 공촉매로서 작용시키기 위해 메탈로센 화합물과 함께 가한다. MAO의 작용은 알킬화를 개시하여 메탈로센 화합물의 이온화를 촉진시키는 것이다. 공촉매는 촉매 활성을 감소시키는 독성을 감소시키는 소거제이다. 현재 공지된 방법은 과양의 MAO를 가해야 한다. MAO는 비교적 고가인 단점이 있다. 이는 촉매 시스템에 고가 비용을 초내한다.
따라서, 본 발명의 목적은 올레핀 중합용 개선된 촉매를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 비교적 활성이 높을 촉매를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 부산물로서 루이스 염기를 갖지 않는 메탈로센 양이온을 합성하는 것이다.
추가로, 본 발명의 목적은 촉매 독으로서 생성될 수 있는 부산물을 조절하기 위해 출발물질을 선택해야 할 필요성을 제거하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 폴리프로필렌의 중합시 공촉매로서 메틸알루미녹산(MAO)을 제거하는 것이다. 더욱이, 본 발명의 목적은 산화알루미늄을 함유하지 않는 중합체를 제조하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 바람직하지 않은 독성 아민을 함유하지 않는 중합체를 제조하는 것이다. 이들 및 다른 목적은 트리페닐카베늄 테트라티스 (펜타플루오르페닐)보로네이트와 같은 이온화제를 메탈로센 유도체와 혼합하고 올레핀에 혼합물을 가함으로써 이룰 수 있다. 본 발명은 활성 양성자를 포함하지 않고 메탈로센의 양이온에 배위되지 않거나 단지 느슨하게 배위된 음이온을 갖는 이온화제를 사용하여 메탈로센을 이온화함으로써 올레핀 중합용 촉매를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 음이온은 양이온과 화학적으로 반응하지 않는다. 신규한 합성 방법에 있어서, 이온화되는 이온성 화합물을 하기 반응으로 제조되는 중성 메탈로센과 혼합한다:
상기식에서, Cp는 각각 동일하거나 상이하고 사이클로펜타디에닐 또는 치환된 사이클로펜타디에닐 그룹이고, M은 (III)즉, (IV)즉, (V)즉 또는 (VI)즉 금속이고, R은 각각 동일하거나 상이하고 수소화물, 할로겐, 아미드 또는 하이드로카빌 라디칼이고, 단, 하나의 R은 수소화물이고, P는 1 내지 4이고, C*는 카보늄, 옥소늄 또는 설포늄 양이온이고, A*는 메탈로센의 양이온에 배위되지 않거나 단지 느슨하게 배위되고 [Cp2MRP-1]과 화학적으로 반응하지 않는 음이온이다. 각각의 반응물을 메탈로센 양이온에 배위되지 않거나 단지 느슨하게 배위된 용매에 도입시킨다. 이러한 용매의 예는 톨루엔 및 메틸렌 클로라이드이다. 바람직한 용매는 톨루엔이다. 두 개의 반응물을 분리하여 동일한 용매에 용해시키고 실온에서 메탈로센 10몰 : 이온화 화합물 1몰 내지 메탈로센 1몰 : 이온화 화합물 10몰의 몰비로 함께 혼합한다. 바람직한 몰비는 메탈로센 2몰 : 이온화 화합물 1몰 내지 메탈로센 1몰 : 이온화 화합은 1몰이다.
혼합후, 혼합물을 중합을 수행하는 조건하에서 올레핀에 가한다. 바람직한 올레핀은 에틸렌 및 프로필렌이고 가장 바람직한 것은 프로필렌이다.
트리페닐카베늄 테트라키스(펜타플루오로페닐) 보로네이트와 같은 카보늄, 옥소늄 또는 설포늄 이온을 함유하는 이온성 화합물을 중성 메탈로센과 혼합한다. 트리페닐카베늄 테트라키스(펜타플루오로페닐) 보로네이트는 메탈로센을 이혼화하는 이온화제로 작용한다. 양이온성 메탈로센 촉매가 형성된다.
트리페닐카베늄 테트라키스(펜타플루오로페닐) 보로네이트 [Ph3C][BPh* 4]는 반응에 따라 생성된다:
상기식에서,
Ph는 페닐이고,
Ph*는 펜타플루오로페닐이다.
트리페닐카베늄은 양이온이다. 테트라키스(펜타플루오로페닐)보로네이트는 음이온이다.
트리페닐카베늄 테트라키스 (펜타플루오로페닐)보로네이트는 다음의 실험방법에 따라 생성된다:
메틸렌 클로라이드 150cc 중의의 담황색 용액을 25℃에서 메틸렌 클로라이드 350cc에 슬러리화된 LiB에 적가한다. 오렌지색 슬러리를 30분 동안 교반한 다음 여과한다.및 LiCl을 함유하는 고체를 메틸렌 클로라이드로 세척한다. 합한 세척액 및 여액을 75cc가 되게 농축한 다음, 신속하게 교반하면서 펜타 400cc로 캐뉼레이트시킨다.의 담황색 분말이 수득될 때까지 고체를 펜탄과 소량의 톨루엔으로 수회 세척한다. 수득량은 20g (75%)이다.
중성 메탈로센은 다음 일반식의 화합물이다.
상기식에서,
Cp는 각각 동일하거나 상이하고 사이클로펜타디에닐 또는 치환된 시이클로펜타디에닐 그룹이고, M은 (I I I)족, (IV)족, (V)족 또는 (VI)족 금속, 바람직하게는 (IV)족 금속, 예를 들면, 티탄, 하프늄 또는 지르코늄이고 비교적 높은 분자량을 위해서는, 하프늄이 가장 바람직하고,
R은 각각 동일하거나 상이하고 수소화물, 할로겐, 아미드 또는 하이드로카빌 라디칼, 예를 들면, 탄소수 1 내지 20의 알킬, 아릴, 알케닐, 알킬아릴 또는 아릴알킬 라디칼이고, 단, 하나의 R은 수소화물이고, p는 1 내지 4이다.
바람직한 중성 메탈로센은 에틸렌 비스(테트라하이드로인데닐)지르코늄 디메틸, 에틸렌비스(인데닐)지르코늄 디메틸 및 이소프로필리덴(사이클로펜타디에닐-1-플루오레닐)지르코늄디메틸이다. 가장 바람직한 중성 메탈로센은 에틸렌 비스(인데닐)지르코늄 디메틸이다.
올레핀의 중합은 올레핀과 메탈로센 촉매와의 중합방법으로 공지된 방법, 예를 들면, 벌크 중합, 슬러리 중합 또는 기상 중합 중의 한 방법으로 달성된다. 폴리프로필렌의 경우, 중합 온도는 -80 내지 150℃, 바람직하게는 25 내지 90℃, 가장 바람직하게는 50 내지 80℃의 범위이다.
상기에서 본 발명을 일반적으로 기술하였으며 다음의 실시예는 본 발명의 특정 양태로서 본 발명의 수행 및 장점의 설명을 위해 제시되었다. 다음의 실시예는 본 발명을 설명하며 본 발명이 이러한 실시예로 제한되지는 않는다.
[실시예 1]
트리페닐카베늄 테트라티스(펜타플루오로페닐)보로네이트 55 을 톨루엔 5cc에 용해시킨다. Et(IndH4)2ZrMe240mg 톨루엔 5cc에 용해시킨다. 두 용액을 실온에서 5분 동안 함께 혼합하여 맑은 황색 용액을 수득한다. 혼합물을 시린지로 2ℓ들이 지퍼클레이브 반응기에 가한다. 프로필렌 1.0ℓ를 반응기에 가한다. 반응기 온도를 70℃ 로 고정시킨다. 반응기내 내용물을 교반시킨다. 60분 동안의 중합 반응 기간 동안 온도를 70℃ 에서 유지시킨 후 프로필렌을 반응기로부터 배출시킨다. 반응기내 내용물을 아세톤으로 세척하고, 진공 오븐중에서 건조시킨다. 중합체의 융점을 분석한다. 융점은 시차 주사 열량 측정법(DSC)으로 측정한다. 결과를 표 1에 나타내었다.
[실시예 2]
트리페닐카베늄 테트라키스 (펜타플루오로페닐)보로네이트 40mg 및 Et (IndH4)2ZrMe2150mg을 사용하여 실시예 1의 방법을 반복한다. 결과를 표 1에 나타내었다.
[실시예 3]
트리페닐카베늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보로네이트 40mg 및 Et (IndH4)2ZrMe2150mg을 사용하여 실시예 1의 방법을 반복한다. 반응기 온도를 80℃ 로 고정하고 온도를 80℃ 에서 유지시킨다. 결과를 표 1에 나타내었다.
[실시예 4]
트리페닐카베늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보로네이트 60mg 및 Et (IndH4)2ZrMe260mg을 사용하여 실시예 1의 방법을 반복한다. 반응기 온도를 50℃ 로 고정하고 온도를 100℃ 에서 유지시킨다. 수행 시간은 10분이다. 결과를 표 1에 나타내었다.
[실시예 5]
트리페닐카베늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보로네이트 55mg 및 Et (IndH4)2ZrMe250mg을 사용하여 실시예 1의 방법을 반복한다. 반응기 온도를 50℃ 로 고정하고 온도를 168℃에서 증가시킨다. 수행 시간은 10분이다. 결과를 표 1에 나타내었다.
[실시예 6]
트리페닐카베늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보로네이트 100mg 및 Et (IndH4)2ZrMe260mg을 사용하여 실시예 1의 방법을 반복한다. 반응기 온도를 50℃ 로 고정하고 온도를 50℃ 에서 유지시킨다. 결과를 표 1에 나타내었다.
[실시예 7]
트리페닐카베늄 테트라키스 (펜타플루오로페닐)보로네이트 100mg 및 Et (IndH4)2ZrMe260mg을 사용하여 실시예 1의 방법을 반복한다. 온도를 50℃로 고정하고 50℃ 에서 유지한다. 결과를 표 1에 나타내었다.
[실시예 8]
트리페닐카베늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보로네이트 120mg 및 ipt (Cp-1-Flu)ZrMe280mg을 사용하여 실시예 1의 방법을 반복한다. 온도를 70℃ 로 고정하고 온도를 100℃ 이상으로 증가시킨다. 결과를 표 1에 나타내었다.
[실시예 9]
트리페닐카베늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보로네이트 100mg 및 ipt (Cp-1-Flu)ZrMe260mg을 사용하여 실시예 1의 방법을 반복한다. 반응기 온도를 70℃ 로 고정하고 온도를 78℃ 로 증가시킨다. 결과를 표 1에 나타내었다.
[실시예 10]
트리페닐카베늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보로네이트 60mg 및 ipt (Cp-1-Flu)ZrMe240mg을 사용하여 실시예 1의 방법을 반복한다. 반응기 온도를 70℃ 로 고정시킨다. 결과를 표 1에 나타내었다.
다음의 결과는 본 발명의 방법을 사용한 상술된 실험의 결과이다.
에틸렌비스(테트라하이드로인데닐)지르코늄디메틸
에틸렌비스(인데닐)지르코늄 디메틸
이소프로필리덴(사이클로펜타디에닐-1-플루오
레닐)지르코늄 디메틸
트리페닐카베늄 테트라키스 (펜타플루오로페닐)
보로네이트
* 이탈반응: 피이크 반응 온도 100℃
** 발열반응: 피이크 반응 온도 78℃
*** 발열반응
본 발명에 기술된 반응은 을레핀 중합에서 촉매로서 사용되는 양이온을 합성한다. 본 발명에 의해 촉매를 제조하는 방법은 고활성 촉매를 생성하며, 촉매 활성을 억제할 수 있는 부산물을 생성하지 않는다. 이러한 새로운 합성 방법은 루이스 염기를 생성하지 않는 완전한 반응이다. 본 방법은 (IV)족 메탈로센 유도체로부터 메틸 음이온을 제거시킴으로써 활성촉매를 생성한다.
분명히, 상기 교시에 비추어 본 발명에 다양한 변형 및 변화를 가할 수 있다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위의 범위내에서 본 발명을 본 명세서에 특정하게 기술한 바와 다르게 실시할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (14)

  1. a) 이온화 이온성 화합물 (여기서, 이온화 이온성 화합물은 활성 양성자를 함유하지 않고, 카보늄, 옥소늄 또는 설포늄 양이온을 함유하고; 이온화 이온성 화합물의 음이온은 메탈로센 양이온에 배위되지 않거나 단지 느슨하게 배위되고 메탈로센 양이온과 화학적으로 반응하지 않는다)을 다음 일반식 (1)의 중성 메탈로센과 혼합하는 단계 및 b) 이온화 이온성 화합물 및 일반식(1)의 중성 메탈로센을, 메탈로센이 이온화 이온성 화합물에 의해 이온화 되고 메탈로센 양이온이 촉매로서 작용하는 이온쌍이 형성되도록 접촉시키는 단계를 포함하여, 올레핀 중합용 촉매를 제조하는 방법.
    [일반식(I)]
    상기식에서, Cp는 각각 동일하거나 상이하고 사이클로펜타디에닐 또는 치환된 사이클로펜타디에닐 그룹이고, M은 (III)족, (IV)족, (V)족 또는 (VI)족 금속이고, R은 각각 동일하거나 상이하고 수소화물, 할로겐, 아미드 또는 하이드로카빌 라디칼이고, 단, 하나의 R은 수소화물이고, p는 1 내지 4이다.
  2. 제1항에 있어서, 혼합하기 전에, 이온화 이온성 화합물을 메탈로센 양이온에 배위되지 않거나 단지 느슨하게 배위되는 용매에 용해시키는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 혼합하기 전에 중성 메탈로센을 동일한 용매에 별도로 용해시키는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 이온성 화합물에 대한 중성 메탈로센의 몰비가 메탈로센 10몰 : 이온화 화합물 1몰 내지 메탈로센 1몰 : 이온화 화합물 10몰인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 이온성 화합물에 대한 중성 메탈로센의 몰비가 메탈로센 2몰 : 이온화 화합물 1몰 내지 메탈로센 1몰 : 이온화 화합물 2몰인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 이온성 화합물에 대한 중성 메탈로센의 몰비가 메탈로센 1몰 : 이온화 화합물 1몰인 방법.
  7. 제1항에 있어서 금속이 티탄, 지르코늄 및 하프늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 (IV)족 금속인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 금속이 하프늄인 방법.
  9. 제7항에 있어서, 금속이 지르코늄인 방법.
  10. 제1항에 있어서, R이 동일하거나 상이한 탄소수 1내지 20의 알킬 라디칼, 아릴 라디칼, 알케닐 라디칼, 알킬 아릴 라디칼 및 아릴알킬 라디칼로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하이드로카빌 라디칼인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 중성 메탈로센이 에틸렌 비스 (테트라하이드로인데닐)지르코늄 디메틸, 에틸렌 비스(인데닐)지르코늄 디메틸 및 이소프로필리덴(사이클로펜타디에닐-1-플루오레닐, 지르코늄 디메틸로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 중성 메탈로센이 에틸렌 비스 (인데닐)지르코늄 디메틸인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 이온성 화합물이 트리페닐카베늄테트라키스(펜타플루오로페닐)보로네이트인 방법.
  14. 제2항에 있어서, 용매가 톨루엔인 방법.
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