KR100440480B1 - 폴리올레핀 제조용 촉매 및 이를 이용한 폴리올레핀의제조방법 - Google Patents

폴리올레핀 제조용 촉매 및 이를 이용한 폴리올레핀의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리올레핀 제조용 촉매 및 이를 이용한 올레핀의 중합 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 메탈로엔아민 화합물을 루이스 산으로 활성화시켜 얻은 화합물을 촉매로 사용하는 폴리올레핀의 제조 방법에 관한 것이다.
C=C-N-M 구조의 골격을 갖는 메탈로엔아민 화합물은 알파-탄소가 높은 친핵성을 가지고 있어 다양한 루이스 산(A)과 반응하여-A-C-C=N-M+의 구조를 갖는 양쪽성 이온(zwitterions) 화합물이 얻어진다. 이 때 메탈이 양이온 성격을 가지게 됨에 따라 올레핀 중합에 활성을 보이게 된다. 이렇게 얻어진 촉매를 다양한 올레핀 중합에 이용할 수 있다.

Description

폴리올레핀 제조용 촉매 및 이를 이용한 폴리올레핀의 제조방법{Catalyst for olefin polymerization and method for preparing polyolefins}
본 발명은 폴리올레핀을 제조하기 위하여 사용되는 촉매 시스템과 이를 이용한 올레핀의 중합 방법에 관한 것이다.
시클로펜타디에닐 리간드를 기본 골격으로 하는 메탈로센 촉매는 올레핀의 중합에 널리 사용되고 있다. 이러한 메탈로센 촉매는 촉매 활성제로서 음이온 조촉매(anionic co-catalyst)를 필요로 한다. 또한, 기존의 메탈로센 촉매의 범위를 벗어난 단일 활성점 균일계 촉매 개발이 학계 및 산업계에서 활발히 진행되고 있다 (G. J. P. Britovsek, V. C. Gibson, D. F. Wass, Angew. Chem., Int. Ed. Eng. 38 (1999) 429). 메탈로센 촉매 뿐만 아니라 거의 모든 단일 활성점 촉매의 구조적인 특징은 양이온과 음이온의 착염(ion pair)으로 구성되어 있는 것이다. 실제로 중합이 일어 나는 곳은 양이온성의 중심 금속으로 양이온성으로 말미암아 친전자성을 가져 에틸렌의 결합을 증가시킨다. 높은 중합 활성을 보이기 위해서는 음이온이 양이온성의 중심금속에 배위하지 말아야 한다. 음이온 활성 촉매로서 주로 메틸알루미녹산 (methylaluminoxane, MAO) 또는 트리스(펜타플루오로페닐)보론 (tris(petatafluorophenyl)boron)과 같은 부피가 큰 화합물을 사용하는 데, 이들 화합물로부터 유래된 음이온을 사용할 때 중심 금속에 배위하지 못하고 이로 인하여 고활성을 얻을 수 있다.
그러나, 양이온과 음이온이 착염(ion pair)으로 존재하는 촉매는 음이온이 중심 금속을 맴돌아 단량체가 중심 금속에 접근하는 것을 방해함으로써 중합과정을 저해할 수 있다.
최근에 이를 극복하기 위해 한 분자 내에 양이온과 음이온을 모두 가지고 있는 양쪽성 이온(zwitterions) 촉매를 제조하려는 시도가 몇몇 보고되었다. 그 대표적인 예를 하기 반응식 1과 반응식 2에서 보여 준다. 반응식 1은 시클로펜타다이에닐의 치환체의 한 부분이 지르코늄과 메틸렌 기로 결합하고 있는 것을 트리스(펜타플루오로페닐)보론 (tris(pentafluorophenyl) boron)을 반응시켜 양쪽성 이온(zwitterions)의 활성화된 촉매를 얻은 것이다 (W. E. Piers, et al. J. Am Chem. Soc. 1997, 5132). 이 촉매의 구조는 음이온이 공유 결합에 의하여 한 분자 안에 있다는 것 이외에는 시클로펜타디에닐 구조를 기본 골격으로 하는 메탈로센 촉매와 구조가 유사하다.
반응식 1
반응식 2는 리간드로서 중성인 카복사미다토-니켈(II)(caboxamidato-Nickel(II))에 B(C6F5)3를 사용했을 때 루이스 산인 B(C6F5)3가 이 리간드의 카보닐(carbonyl)의 산소 원자에 붙어 양쪽성 이온 화합물 형태로 활성화된 촉매를 제공한다 (Lee, B. Y. et. al. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 5352).
반응식 2
그러나, 종래의 착염으로 구성된 촉매는 활성화단계시 MAO 또는 트리스(펜타플루오로페닐)보론 (tris(pentafluorophenyl)boron)을 주로 사용하는 데, 이들은 단가가 높아 비용을 증가시키는 요인이 된다.
따라서 본 발명은 새로운 반응에 의한 다양한 구조의 양쪽성 이온(zwitterions) 형태의 촉매를 제공하고, 또한 이를 이용한 올레핀 중합 방법을 제공 하는 것을 목적으로 한다.
즉 본 발명은 새로운 분자 구조를 갖는 촉매를 제공하고, 이에 따른 새로운 분자 구조를 가지고 있는 폴리머를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 메탈로엔아민 화합물과 루이스 산으로 구성된 촉매 시스템을 제공한다. 이때 금속 화합물인 메탈로엔아민 화합물을 활성화시키는 새로운 개념의 화학 반응을 제공한다. 즉 하기 반응식 3, 4에서 보여 주는 바와 같이 메탈로엔아민 화합물에 루이스 산을 반응시켜 양쪽성 이온(zwitterions) 성격의 활성화된 촉매를 제공한다.
반응식 3
반응식 4
메탈로엔아민 화합물이란 C=C-N-M의 구조를 기본 골격으로 갖는 모든 분자를 통칭한다. 여기서 M은 금속 원소, N은 질소 원소, C는 탄소 원소을 의미한다.
루이스 산으로 R5-[Al(R5)-O]a-AlR5 2, AlXn(R5)3-n또는 BXn(R5)3-n등을 제공한다. X는 수소, 할로겐, 알콕시 또는 아릴옥시이고, R5는 할로겐 라디칼, 하이드로카빌 또는 할로겐으로 치환된 하이드로 카빌이고, a는 1이상의 정수이고 n은 0 내지 3의 정수이다. Xn의 n이 2이상인 경우 X는 서로 같거나 다를 수 있고, a가 2이상이거나 (R5)3-n의 n이 0 또는 1인 경우 R5는 서로 같거나 다를 수 있다.
또한 본 발명은 상기 촉매 시스템을 올레핀의 중합 과정에 이용할 수 있다. 중합은 폴리올레핀을 생성하는 데 충분한 온도와 압력하에서 상기 촉매 시스템을 올레핀 단량체에 접촉시키는 과정을 통해서 이루어질 수 있다.
유기 화학 반응에서 메탈이 리튬 또는 마그네슘인 메탈로엔아민 화합물은 연구가 많이 되었다. 즉, 알파 탄소가 전자가 풍부해 친핵체(nucleophile)로 사용될 수 있어 다양한 친전자체(electrophile)와 반응시켜 새로운 탄소 탄소 결합을 만들때 유용하게 사용된다 (반응식 5, W. Carruthers 저 Some modern methods of organic synthesis 3판 pp 26 38).
반응식 5
메탈로엔아민 화합물을 자세히 설명하면, 메탈로엔아민 화합물이란 M-N-C=C의 기본 구조를 가지고 있는 모든 화합물을 의미하고, 메탈로엔아민 화합물의 구체적인 예를 들면 다음과 같다 (구조식 1, 2). 그러나, 이 예로써 메탈로엔아민 화합물의 구조가 제한 되는 것은 아니다.
구조식1
(1) (2)
구조식1에서 M은 Ni, Pd, 또는 Pt이고, R, R′, R″은 각각 수소 라디칼, 하이드로카빌, 치환된 하이드로카빌이고, A는 π-알릴, 치환된 π-알릴, π-벤질 또는 치환된 π-벤질이고, L은 올레핀에 의하여 치환될 수 있는 중성의 모노덴테이트(monodentate) 리간드이고, L′는 음이온의 모노덴테이트 리간드이고,L과 L′는 서로 연결되어 음이온의 바이덴테이트(bidentate) 리간드가 될 수 있다.
구조식 1의 구조를 갖는 메탈로엔아민 화합물에 대해 좀 더 구체적으로 예를 들어 그림으로 그리면 다음과 같다.
구조식 2
구조식 2에서 M은 Ti, Zr, Hf, V, 또는 Sc이고 L은 음이온성 또는 중성의 리간드이고 x는 0 또는 1 또는 2이다. x가 2이면 각각의 L은 서로 같거나 다를 수 있다. R, R′은 수소 라디칼, 하이드로칼빌 또는 치환된 하이드로카빌이고 X는 할로겐 라디칼, 알콕시 라디칼, 아릴 옥시 라디칼, 하이드로카빌 또는 치환된 하이드로카빌이고 y는 1 또는 2이다. y가 2일 경우 각각의 X는 서로 같거나 다를 수 있다.
구조식 1의 구조를 갖는 메탈로엔아민 화합물에 대해 좀 더 구체적인 예들을 그림으로 그리면 다음과 같다.
이러한 메탈로엔아민 화합물은 케티미네이트(ketiminate) 음이온 리간드를 할로메탈 화합물과 반응시켜 제조할 수 있다. 케티미네이트 음이온 리간드는 알파 탄소에 수소를 가지고 있는 이민(imine)화합물을 적당한 염기로 탈핵화 반응 (deprotonation)시켜 제조할 수 있다 (반응식 6).
반응식 6
이렇게 제조된 메탈로엔아민 화합물을 루이스 산으로 활성화 시켜 올레핀 중합용 촉매를 제조할 수 있다.
루이스 산으로는 다음과 같은 화합물들이 단독 혹은 혼합하여 사용할 수 있다. 그러나 이것이 사용될 수 있는 루이스 산을 한정하는 것은 아니다.
(1) 하기 구조식 3으로 나타내지는 알루미녹산 화합물
R5-[Al(R5)-O]a-AlR5 2또는(구조식 3)
여기서 R5는 서로 같거나 다른 할로겐 라디칼, 하이드로카빌 라디칼 또는 할로겐으로 치환된 하이드로카빌 라디칼이고 a는 1 이상의 정수이다. a가 2이상인 경우 R5는 서로 같거나 다를 수 있다. 이 화합물은 선형, 원형 또는 망사형으로 존재 가능하다. 이 화합물의 예로는 메틸알루미녹산, 에틸알루미녹산, 이소부틸알루미녹산, 부틸알루미녹산 등이 있다.
(2) AlXn(R5)3-n로 나타내지는 유기알킬알루미늄.
여기서 X는 수소, 할로겐, 알콕시 또는 아릴 옥시이고, R5는 상기 구조식 3에서 정의한 바와 같고. n은 0 내지 3의 정수이다. Xn의 n이 2이상일 경우 X는 서로 같거나 다를 수 있고, (R5)3-n의 n이 0 또는 1일 경우 R5는 서로 같거나 다를 수 있다. 이런 화합물의 예로는 트리스(펜타플루오로페닐)알루미늄, 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄, 트리프로필알루미늄, 트리부틸알루미늄, 디메틸클로로알루미늄, 디메틸이소부틸알루미늄, 디메틸에틸알루미늄, 디에틸클로로알루미늄, 트리이소프로필알루미늄, 트리-s-부틸알루미늄, 트리사이클로펜틸알루미늄, 트리펜틸알루미늄, 트리이소펜틸알루미늄, 트리헥실알루미늄, 에틸디메틸알루미늄, 메틸디에틸알루미늄, 트리페닐알루미늄, 트리-p-톨릴알루미늄, 디메틸알루미늄메톡시드, 디메틸알루미늄에톡시드 등이 있다.
(3) BXn(R5)3-n로 나타내지는 보론 화합물.
여기서 X, R5, n은 상기 (2) 항에서 정의한 바와 동일하고, Xn의 n이 2이상일 경우 X는 서로 같거나 다를 수 있고, (R5)3-n의 n이 0 또는 1일 경우 R5는 서로 같거나 다를 수 있다. 이 화합물의 예로는 트리스(펜타풀루오로페닐)보론, 비스(펜타플루오로보론), 트리플루오로보론, 트리클로로보론, 트리요오드보론 등이 포함된다.
(4) 무수 ZnCl2, FeCl3, TiCl4, TiCl3와 같은 전이금속.
(5) 상기 (1)-(4)에서 기술한 루이스 산이 실리카와 같은 적당한 담체에 담지된 형태로 있는 것.
(6) 600℃ 이상에서 탈수한 실리카.
이렇게 처리된 실리카는 표면에 링 스트레인(ring strain)이 큰 실록센기가 형성되는데 이것을 직접 루이스 산으로 사용할 수 있다.
상기 메탈로엔아민 화합물을 루이스 산과 반응시키면 상기 반응식 4에서 보여 준 바와 같이 루이스 산이 전자가 풍부한 알파 탄소를 공격하여 양쪽성 이온(zwitterions)의 활성화된 촉매 종이 얻어진다.
상기 메탈로엔아민 화합물을 상기 루이스 산이 활성화시켜 얻어진 촉매를 폴리올레핀 제조에 사용할 수 있다. 올레핀계 중합체를 제조할 때 사용되는 용매는 탄소수 5 내지 12의 지방족 탄화수소 용매, 예를 들면 펜탄, 헥산, 헵탄, 노난, 데칸 및 이들의 이성질체와 톨루엔, 벤젠과 같은 방향족 탄화 수소 용매, 디클로로메탄, 클로로벤젠과 같은 염소원자로 치환된 탄화수소 용매가 각각 사용될 수 있고 둘 이상을 혼합 사용할 수도 있다. 또는 용매 없이 기상에서 중합 할 수도 있다.
상기 메탈로엔아민 화합물과 루이스 산 활성화제를 사용하여 중합 가능한 올레핀계 단량체의 예로는 에틸렌, 알파 올레핀, 사이클릭 올레핀 등이 있으며, 이중 결합을 2 개 이상 가지고 있는 디엔 올레핀계 단량체 또는 트리엔 올레핀계 단량체 등도 중합 가능하다. 상기 단량체의 예로는 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-데센, 1-운데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 1-아이코센, 노보넨, 노보나디엔, 에틸리덴노보넨, 비닐노보넨, 디사이클로펜타디엔, 1,4-부타디엔, 1,5-펜타디엔, 1,6-헥사디엔, 스티렌, 알파-메틸스티렌, 디비닐벤젠, 3-클로로메틸스티렌 등이 있으며 이들 단량체를 2종 이상 혼합하여 공중합할 수 있다.
본 발명에 따른 올레핀의 중합 방법은 통상의 방법에 의하여 실시될 수 있다. 즉, 드라이 박스에서 유리 반응기에 적당량의 촉매, 조촉매, 유기 용매를 투입하고 반응기를 조립한 후 드라이 박스에서 꺼내어 상온 상압에서 액체인 단량체는 용매와 함께 투입하고 기상인 단량체는 반응기의 내부에 가압시켜 교반함으로 중합을 시킬 수 있다. 중합은 25 내지 500℃ 범위의 온도 및 15 내지 1500 psi 범위의 압력에서 수행하며, 메탈로센 몰수의 1 내지 30000배 몰수의 루이스 산을 첨가하여 중합한다. 본 발명에 있어서, 촉매, 조촉매, 용매 및 단량체의 접촉 순서 및 투입 순서는 특별히 제한되지 않는다.
본 발명은 하기 실시예를 참고로 상세하게 설명되나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
니켈계 메탈로엔아민 화합물 합성
(1) 화합물3합성
일구 플라스크에 화합물1(1.62g, 4.00mmol), KH (0.160g, 4.0mmol), THF (20g)을 드라이 박스에서 정량하여 투입한 후 2일간 상온에서 교반한다. 반응이 진행함에 의해 수소 가스가 발생하는 것을 볼 수 있었고 최종적으로 슬러리의 모든 KH는 없어 지고 짙은 오렌지 색의 용액이 얻어진다. 약간량을 취하여 용매를 제거한 후1H NMR 분석을 하였을 때 원하는 화합물2가 거의 정량적으로 얻어진 것을 확인하였다. NMR 스펙트럼은 바리안 사(Varian 사)에서 제조한 200 MHz 또는 브룩커 사(Brooker 사)에서 제조한 300 MHz 기기를 이용하여 얻었다.
1H NMR (300 MHz, C6D6/THF-d8(10 : 1)): 7.35 (d, J = 7.6 Hz, 2 H, ph-H3,5), 7.12 (d, J = 7.6 Hz, 2 H, ph-H3,5), 7.12 (t, J = 7.6 Hz, 1 H, ph-H4), 7.03 (t, J = 7.6 Hz, 1 H, ph-H4), 4.22 (d, J = 1.0 Hz, 1 H, =CH2), 3.85 (septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 3.59 (d, J = 1.0 Hz, 1 H, =CH2), 3.05 (septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 2.13 (s, 3 H, CH3), 1.59 (d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.33 (d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.18 (d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.15 (d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3)
모든 용매를 진공 펌프를 이용하여 제거한 후 B(C6F5)3(2.05g, 4.0mmol)와 톨루엔 20mL를 넣고 약 30분 교반하였다. 필터하여 약간의 부유물을 제거한 후 필터한 용액에 40mL의 펜탄을 넣어 주었다. 상온에 밤샘 방치하여 두면 미색의 결정이 침하하였고 이 침전물을 필터하여 화합물 3이 얻어졌다. NMR 구조 분석 결과 한 분자의 톨우엔이 끼어 들어 있는 것을 볼 수 있었다. 수율은 3.30g (79 %) 이었다.
1H NMR (300MHz, C6D6/THF-d8(10 : 1)): 7.2 7.0 (m, 8 H, toluene, ph-H3,4,5), 6.91 (br d, J = 7.6 Hz, 2 H, ph-H3,5), 6.81 (br d, J = 7.6 Hz, 2 H, ph-H4), 3.47 (br s, 2 H, CH2-B), 2.89 (br septet, J = 6 Hz, 2 H,iPr-CH), 2.37 (septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 2.12 (s, toluene), 1.78 (br s, 3 H, CH3), 1.23(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.10 (d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.09 (br d, J = 6 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.00 (br d, J = 6 Hz, 6 H,iPr-CH3).13C NMR (C6D6/THF-d8(10 : 1)): 176.13, 170.85 (C=N), 150 (dm, J =960 Hz,p-CF), 148.32, 145.78 (ipso-C), 139.3 (dm, J = 480 Hz,o-CF), 138.24 (toluene), 137.67, 137.09 (ph-C2), 136.9 (dm, J = 560 Hz,m-CF), 129.67 (toluene), 128.89 (toluene), 126.02 (toluene), 124.43, 123.81 (ph-C 4), 123.81, 123.39 (ph-C 3), 32.72 (m, B-CH2), 28.31, 28.00 (iPr-CH), 25.06, 24.87, 24.16, 23.08 (iPr-CH3), 21.74 (toluene), 19.52 (CH3)
(2) 화합물4합성
드라이 박스 안에서 일구 플라스크에 화합물3(0.523g, 0.500mmol)과 Ni(η3-CH2C6H5)Cl(PMe3) (0.131 g)과 톨루엔 (4g)을 넣고 상온에서 밤샘 교반한다. 필터하여 부산물로 생긴 KCl을 제거한 후 모든 용매를 진공 감압하여 제거한다. 약 10 mL의 펜탄을 넣고 셀라이트 위에서 필터하여 진한 빨간 색의 용액을 얻을 수 있다. 용매를 모두 제거하여 빨간색의 고체를 얻었다.1H NMR 구조 분석을 한 결과 거의 순수한 화합물이 얻어 진 것을 볼 수 있었고 듀트레이티드 벤젠에서는 η3-benzyl 리간의 위치에 따른 두 가지 로토머(rotomer)가 약 4 : 1 비로 존재함을 볼 수 있었다. 그러나 용매를 듀트레이티드 아세토나이트릴로 바꿔 줌에 의해 η3-benzyl이 η1-benzyl로 바뀌면서 하나의 화합물로 변해 감을 볼 수 있었다. 수율은 0.255g (81 %) 이었다. 다음 NMR 데이타 중 진하게 쓰여진 피크들(peaks)은 마이너 아이소머(minor isomer)에서 유래한 것으로 해석된 것이다.
1H NMR (300 MHz, C6D6):δ7.4 6.9 (m, 6 H, ph-H3,4,5), 6.58 and6.76(t, J = 7.6 Hz, benyl-p-H), 6.27 and6.42(t, J = 7.6 Hz, benyl-m-H), 6.06 and5.96(d, J = 7.6 Hz, benyl-o-H), 4.15 and3.72(septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 4.13 and4.19(s, 1 H, C=CH2), 3.83 and3.76(s, 1 H, C=CH2), 3.10 and3.52(septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 1.54 and1.36(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.52 and1.57(s, 3 H, CH3), 1.49 and 1.20 (s, 2 H, benzyl-CH2), 1.46 and1.36(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.12 and1.02(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 0.90 and1.02(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3).1H NMR (300 MHz, CD3CN): 7.3 6.8 (m, 11 H, ph-H and benzyl), 4.07 (s, 1 H, C=CH2), 4.05 (br septet, J = 7 Hz, 2 H,iPr-CH), 3.52 (br septet, J = 7 Hz, 2 H,iPr-CH), 3.13 (s, 1 H , C=CH2), 1.82 (s, 3 H, CH3), 1.43 (br d, J = 7 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.40 (br d, J = 7 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.34 (s, 2 H, benzyl-CH2), 1.32 (br d, J = 7 Hz, 6 H,iPr-CH3).13C NMR (75 MHz, CD3CN): 176.47 (C=N), 161.33 (CH2 C-N), 154.99, 147.79 (ph-C 1), 147.57, 140.08 (ph-C 2), 143.88 (benzyl-ipso-C), 128.38, 127.93, 126.82 (benzyl), 124.72, 121.79 (ph-C 4), 124.06, 123.94 (ph-C 3), 87.22 (CH2-C-N), 29.25, 28.59 (iPr-CH), 25.82, 24.39, 23.78, 23.64 (iPr-CH3), 20.02, 17.83 (CH3, benzyl-CH2)
실시예 2
화합물 4 와 루이스 산과의 반응
(1) B(C6F5)3와의 반응
화합물4(13.8mg, 0.025mmol)와 B(C6F5)3(12.8mg, 0.025mmol)을 C6D6에 녹여1H NMR 분석을 하였다. η3-benzyl에 의한 두 가지 로토머(rotomer)가 약 3 : 1의 비로 존재함을 볼 수 있었다. 한 쌍으로 보이던 CH2=C의 수소가 하나로 되어 나타나는 것을 통해 B(C6F5)3가 이중 결합을 하고 있는 탄소와 반응했음을 알 수 있다.
1H NMR (300 MHz, C6D6): δ7.16 (t, J = 7.6 Hz, 1 H, ph-H4), 7.02 (t, J = 7.6 Hz, 1 H, ph-H4), 7.02 and6.93(d, J = 7.6 Hz, 2 H, ph-H3), 6.83 and6.91(d, J = 7.6 Hz, 2 H, ph-H3), 6.60 and6.61(t, J = 7.6 Hz, 1 H, benyl-p-H), 6.01 and6.03(t, J = 7.6 Hz, 2 H, benyl-m-H), 5.82 and5.88(d, J = 7.6 Hz,2 H, benyl-o-H), 3.33 and3.24(br d, J = 7.2 Hz, 1 H, CH2-B), 3.30 and3.20(br d, J = 7.2 Hz, 1 H, CH2-B), 2.90 and2.99(septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 2.60 and2.72(septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 1.46 and 1.40 (s, 2 H,benzyl-CH2), 1.32 and1.21(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.20 and1.10(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 0.95 and1.08(s, 3 H, CH3), 0.90 and0.98(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 0.85 and0.92(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3).
(2) BF3와의 반응
화합물4(13.8mg, 0.025mmol)을 벤젠(약 0.3mL)에 녹이고 BF3(3.6 mg, 0.025 mmol)을 벤젠 (약 0.3mL)에 녹인 용액을 교반하면서 천천히 가한다. 모든 휘발성 있는 것들을 진공 펌프로 제거한 후 C6D6에 녹여1H NMR 분석을 하였다. η3-benzyl에 의한 두 가지 로토머(rotomer)가 약 3 : 2의 비로 존재함을 볼 수 있었다.
1H NMR (200 MHz, C6D6): δ7.2 6.8 (m, 6 H, ph-H3,4,5), 6.63 and6.67(t, J = 7.8 Hz, 1 H benyl-p-H), 6.18 and6.22(t, J = 7.8 Hz, 2 H, benyl-m-H), 5.94 and5.91(d, J = 7.8 Hz, 2 H, benyl-o-H), 3.28 and3.66(septet andbr septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 2.86 and2.43(septet and br septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 2.3 2.0 (br, 2 H, CH2-B), 2.08 and2.15(s, 3 H, CH3), 1.51 and1.42(s, 2 H, benzyl-CH2), 1.42 and1.28(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.40 and1.25(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.00 and1.06(d, J = 6.8Hz, 6 H,iPr-CH3), 0.94 and1.06(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3).
(3) Al(C6F5)3와의 반응
화합물4(13.8mg, 0.025mmol)과 Al(C6F5)3toluene (15.5mg, 0.025mmol)을 C6D6에 녹여1H NMR 분석을 하였다. η3-benzyl에 의한 두 가지 로토머(rotomer)가 약 3 : 2의 비로 존재함을 볼 수 있었다. 한 쌍으로 보이던 CH2=C의 수소가 하나로 되어 나타나는 것을 통해 Al(C6F5)3가 이중 결합을 하고 있는 탄소와 반응했음을 알 수 있다.
1H NMR (200 MHz, C6D6): δ7.2 6.8 (m, 6 H, ph-H3,4,5), 6.61 and6.59(t, J = 7.8 Hz, 1 H benyl-p-H), 6.10 and6.09(t, J = 7.8 Hz, 2 H, benyl-m-H), 5.86 and5.82(d, J = 7.8 Hz, 2 H, benyl-o-H), 3.24 and3.21(septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 2.78 and2.95(septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 2.74 (br s, 2 H, CH2-Al), 1.65 and1.67(s, 3 H, CH3), 1.43 and1.40(s, 2 H, benzyl-CH2), 1.24 and1.27(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.10 and1.07(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 0.99 and0.96(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 0.90 and0.87(d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3).
실시예 3
지르코늄계 메탈로엔아민 화합물 합성
다음과 같은 합성 방법에 의하여 초기 전이 금속(early transition metal)을 포함하는 메탈로엔아민 화합물을 합성 할 수 있었다.
(1) 화합물5합성
화합물1(7.00 g, 17.3mmol)과 KH (3.47g, 86.5mmol)을 아르곤 기류 하에서 무수 THF(50ml)중에서 반응 중 생성되는 수소 가스를 수은 버블러를 통하여 제거하면서 6일간 교반하였다. 셀리트(Celite)를 사용하여 미 반응 KH를 거르고, 감압 증류하여 농축하였다. 농축된 THF용액를 -30℃ 에서 냉장고에 보관하면 흰색 결정이 석출되었다. THF를 디켄트하고 진공 펌프로 여분의 THF를 제거하였다. 얻어진 고체를 펜탄(pentane)으로 가루로 만든 후 필터해서 펜탄으로 3회 씻어 황색 분말의 화합물5를 수득하였다 (6.74g, 75.3%, 1/2THF포함).
1H-NMR (200 MHz, C6D6/THF-d8(10 : 1)): δ 7.22 (d, J = 7.6 Hz, 4H, ph-H3), 6.95 (t, J = 7.6 Hz, 2H, , ph-H4), 3.92 (septet, J = 6.7Hz, 4 H,iPr-CH), 3.09 (d, J = 3.7Hz, 2 H, C=CH2), 2.49 (d, J = 3.5 Hz, 2 H, C=CH2), 1.48 (d, J = 6.7 Hz, 12 H,iPr-CH3), 1.31 (d, J = 6.7 Hz, 12 H,iPr-CH3).13C NMR (75 MHz, C6D6/THF-d8(10 : 1)): δ 170.65 (CH2-C-N), 156.20 (ph-C1), 142.49 (ph-C3), 122.71 (ph-C4) 118.12 (ph-C2), 67.77 (CH2=C), 27.75 (iPr-CH ), 25.78 (iPr-CH3), 25.11 (iPr-CH3).
(2) 화합물6합성
화합물5(0.283g, 0.588mmol)와 CpZrCl3(0.155g. 0.588mmol)에 -30℃ 로 냉각된 무수 THF (7ml)를 가하고, 질소 기류 하 실온에서 12시간 교반하였다. 생성된 염을 제거하기 위하여 셀리트(Celite)를 이용하여 거르고 감압 증류하여 얻어진 고체를 펜탄으로 추출하여 감압 증류하여 농축시킨 후에 -30℃에서 재결정하여 붉은색 침상 결정의 화합물6을 수득하였다 (0.190g, 54 %).
1H-NMR (200 MHz, C6D6) : δ 7.3 7.6 (m, 6 H, ph-H3,4,5), 5.95 (s, 5 H, Cp), 4.69 (s, 2 H, C=CH2), 3.62 (s, 2 H, C=CH2), 3.51 (septet, J = 6.8Hz, 2 H,iPr-CH), 3.46(septet, J = 6.8Hz, 2 H,iPr-CH ), 1.38 (d, J = 6.8 Hz, 12 H,iPr-CH3), 1.29 (d, J = 6.8 Hz, 12 H,iPr-CH3), 1.29 (d, J = 6.8 Hz, 12 H,iPr-CH3), 1.25 (d, J = 6.8 Hz, 12 H,iPr-CH3).13C NMR (75 MHz, C6D6) 151.89 (CH2-C-N), 145.57, 144.28, 142.72 (ph-C1,3,5), 126.99, 124.92, 124.16 (ph-C2,4,6), 116.28 (Cp), 92.20 (CH2=C), 28.90, 28.57 (iPr-CH ), 26.25, 25.94, 25.49, 24.73 (iPr-CH3).
(3) 화합물7합성
화합물2(0.166g, 0.345mmol)와 Cp*ZrCl3(0.115g, 0.345mmol)을 무수 톨루엔 (5ml) 중에서 질소 기류하 실온에서 12시간 교반하였다. 생성된 염을 제거하기 위하여 셀리트(Celite)를 이용하여 거르고 감압 증류하여 얻어진 고체를 펜탄으로 추출하고 감압 증류하여 붉은색 고체의 화합물3을 수득하였다(180mg, 79 %).
1H-NMR (200 MHz, C6D6): δ 7.3 7.1 (m, 6 H, ph-H3,4,5), 4.83 (s, 2 H, C=CH2), 3.72 (s, 2 H, C=CH2), 3.39 (septet, J = 6.8Hz, 2 H,iPr-CH), 3.20 (septet, J = 6.8Hz, 2 H,iPr-CH), 1.66 (s, 15 H, Cp*-CH3), 1.39 (d, J = 6.8 Hz, 12 H,iPr-CH3), 1.34 (d, J = 6.8 Hz, 12 H,iPr-CH3), 1.33 (d, J = 6.8 Hz, 12 H,iPr-CH3), 1.31 (d, J = 6.8 Hz, 12 H,iPr-CH3).
(4) 화합물8합성
화합물6(150 mg, 0.252 mmol)을 5g의 디에틸에테르에 녹이고 여기에 1.0당량의 MeMgBr를 상온에서 가한다. 빨간 용액이 진한 노란색으로 변한다. 상온에서 2 시간 교반한 후 필터한다. 모든 용매를 제거한 후 남아 있는 오일을 다시 펜탄으로 추출한다. 펜탄을 진공 펌프를 이용하여 제거하면 진한 노란색의 끈적 끈적한 고체가 얻어진다. NMR 분석 결과 상당히 순수한 화합물이 얻어졌음을 볼 수 있었다. 수율은 130 mg 이었다 (90 %).
1H NMR (200 MHz, C6D6): 7.3 7.1 (m, 6 H, ph-H3,4,5), 5.85 (s, 5 H, Cp), 4.73 (s, 2 H, CH2=C), 3.58 (s, 2 H, CH2=C), 3.58 (septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 3.33 (septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 1.38 (d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.34 (d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.35 (d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 1.19 (d, J = 6.8 Hz, 6 H,iPr-CH3), 0.67 (s, Zr-CH3). ).13C NMR (75 MHz, C6D6) 153.49 (CH2-C-N), 145.14, 143.67, 143.21 (ph-C1,3,5), 126.56, 124.77, 123.91 (ph-C2,4,6), 114.72 (Cp), 89.64 (CH2=C), 30.54 (Zr-CH3), 28.68, 28.37 (iPr-CH ), 26.16, 26.04, 25.60, 24.56 (iPr-CH3).
(4) 화합물9합성
화합물8과 동일한 조건으로 제조하였다. 펜탄 용액으로부터 30℃에서 재결정하여 정제하였다. 빨간 결정으로 얻어졌으면 수율은 63 %이었다.
1H-NMR (200 MHz, C6D6): δ 7.3 7.1 (m, 6 H, ph-H3,4,5), 4.88 (s, 2 H, C=CH2), 3.70 (s, 2 H, C=CH2), 3.51 (septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 3.03 (septet, J = 6.8 Hz, 2 H,iPr-CH), 1.60 (s, 15 H, Cp*-CH3), 1.42 (d, J = 6.8 Hz, 12 H,iPr-CH3), 1.39 (d, J = 6.8 Hz, 12 H,iPr-CH3), 1.28 (d, J = 6.8 Hz, 12 H,iPr-CH3), 1.27 (d, J = 6.8 Hz, 12 H,iPr-CH3), 0.63 (s, Zr-CH3).
실시예 4
에틸렌 중합 반응
약 100mL 고압용 유리 반응기에 적당량의 촉매와 루이스 산인 조촉매를 30mL 톨루엔에 녹여 드라이 박스 안에서 투입하고 드라이 박스를 나와 에틸렌을 적당한 압력 하에 가해 폴리머(polymer)를 제조하였다. 얻어진 폴리머 용액 또는 슬러리를 100mL 아세톤을 포함하는 플라스크에 쏟아 붓고 여기서 얻어진 흰색 폴리머를 여과한 후 진공 감압하여 용매를 제거하여 폴리머를 얻었다.
(1) 화합물4(0.025mmol)을 B(C6F5)3 (0.025mmol)로 활성화시켜 100 psi 압력 하에 상온에서 10분 간 중합하여 0.083g의 폴리머를 얻었다.
(2) 화합물4(0.025mmol)을 Al(C6F5)3 (0.025mmol)로 활성화시켜 100 psi 압력 하에 상온에서 10분 간 중합하여 0.083g의 폴리머를 얻었다.
(3) 화합물4(0.010mmol)을 메틸알루미녹산 (5.00mmol)로 활성화시켜 100 psi 압력 하에 상온에서 5분 간 중합하여 0.227g의 폴리머를 얻었다.
(4) 화합물6(0.00050mmol)을 메틸알루미녹산 (2.50mmol)로 활성화시켜 60 psi 압력 하에 60℃에서 15분 간 중합하여 1.389g의 폴리머를 얻었다.
상기에 언급한 바와 같이, 본 발명에서 개시한 메탈로엔아민 화합물은 합성된 예가 극히 드물고 이러한 메탈로엔아민 화합물을 루이스 산으로 활성화시켜 폴리올레핀 중합에 이용하려는 시도가 없었기 때문에, 메탈로엔아민 화합물의 구조 및 또 활성화제인 루이스 산을 다양하게 변화시켜 원하는 성질을 구현하는 촉매를 제조하는 길을 열 수 있다.
또한 이러한 방법으로 제조된 촉매는 기존에 착염(ion pair)으로 있는 촉매에 비해 다음과 같은 면에서 장점을 기대할 수 있다. 첫째, 음이온과 양이온이 한 분자 안에 있고 분자의 구조상 음이온이 양이온의 중심 금속에 배위 되는 것을 배제할 수 있다. 이런 이유로 루이스 산으로 부피가 크고 단가가 높은 메틸알루미녹산(MAO) 또는 트리스(펜타플루오로페닐)보론 (tris(petnatafluorophenyl)boron)을 사용해야만 하는 요구 조건을 피할 수 있고 단가가 낮은 BX3(X는 할로겐) 또는 일반적으로 많이 사용되는 알킬알루미늄 화합물 (AlRnXm, n + m = 3, R은 하이드로카빌 또는 아릴, X는 할로겐 또는 알콕시 또는 아릴옥시)을 사용하는 것이 가능하다.둘째, 착염으로 구성되어 있는 촉매인 경우는 음이온이 중심 금속을 맴돌아 중합 시 단량체가 중심 금속에 접근하는 것을 방해할 여지가 있으나 양쪽성 이온(zwitterions) 촉매인 경우 음이온이 중심 금속 뒤 쪽에 있어 이러한 염려를 할 필요가 없다. 셋째, 적당한 담체에 담지 되어 있는 루이스 산을 사용하면 담지 촉매를 쉽게 제조할 수 있어 담지 촉매가 요구되는 기상공정이나 슬러리 공정에 쉽게 적용할 수 있다.

Claims (7)

  1. C=C-N-M (M은 금속원소) 구조의 골격을 가지는 메탈로엔아민 화합물과 루이스 산(A)으로 구성되며,
    상기 메탈로엔아민 화합물과 상기 루이스산이 반응하여-A-C-C=N-M+구조를 가지는 양쪽이온성 화합물을 형성하며,
    상기 루이스산은 하기 구조식 3의 화합물: AlXn(R5)3-n; BXn(R5)3-n; 무수 ZnCl2, FeCl3, TiCl4, 또는 TiCl3로부터 선택되는 전이금속; 600℃ 이상에서 탈수한 실리카로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상이 선택되는 촉매 시스템.
    [구조식 3]
    R5-[Al(R5)-O]a-AlR5 2또는
    (여기서 R5는 할로겐 라디칼, 하이드로카빌 또는 할로겐으로 치환된 하이드로카빌이고 a는 1 이상의 정수이다. a가 2이상일 경우 R5는 서로 같거나 다를 수 있다. X는 수소, 할로겐, 알콕시 또는 아릴옥시이고, n은 0 내지 3의 정수이다. n이 2이상일 경우 X는 서로 같거나 다를 수 있다.)
  2. 제1항에 있어서, 상기 메탈로엔아민 화합물은 구조식 1-1 또는 구조식 1-2로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
    [구조식 1-1] [구조식 1-2]
    (여기서 M은 Ni, Pd, 또는 Pt이고 R, R′, R″은 각각 수소 라디칼, 하이드로카빌, 치환된 하이드로카빌이고, A는 π-알릴, 치환된 π-알릴, π-벤질 또는 치환된 π-벤질이고, L은 올레핀에 의하여 치환될 수 있는 중성의 모노덴테이트(monodentate) 리간드이고, L′는 음이온의 모노덴테이트 리간드이고, L과 L′는 서로 연결되어 음이온의 바이덴테이트(bidentate) 리간드가 될 수 있다.)
  3. 제1항에 있어서, 상기 메탈로엔아민 화합물은 구조식 2로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
    [구조식 2]
    (여기서 M은 Ti, Zr, Hf, V, 또는 Sc이고, L은 음이온성 또는 중성의 리간드이고, x는 0 또는 1 또는 2이다. x가 2이면 각각의 L은 서로 같거나 다를 수 있다. R, R′은 수소 라디칼, 하이드로칼빌 또는 치환된 하이드로카빌이고, X는 할로겐 라디칼, 알콕시 라디칼, 아릴옥시 라디칼, 하이드로카빌 또는 치환된 하이드로카빌이고, y는 1 또는 2이다. y가 2일 경우 각각의 X는 서로 같거나 다를 수 있다.)
  4. 제3항에 있어서, 상기 구조식 2의 L이 싸이클로펜타다이엔닐, 치환된 싸이클로펜타다이에닐, 인덴닐, 치환된 인데닐, 플루오레닐, 또는 치환된 플루오레닐이고 X는 할로겐 또는 알킬인 것을 특징으로 하는 촉매시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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