KR101384384B1 - 올레핀 중합용 촉매 조성물 및 이를 사용한 폴리올레핀의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 새로운 구조의 전이금속 화합물을 포함하는 촉매 조성물 및 이를 사용한 폴리올레핀의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 촉매 조성물은 올레핀계 단량체에 대한 중합 활성이 우수하면서도 폴리올레핀의 분자량 분포 등 미세 구조를 다양한 범위로 제어할 수 있어, 원하는 물성을 갖는 폴리올레핀을 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 촉매 조성물은 올레핀계 단량체에 대한 중합 활성이 우수하면서도 폴리올레핀의 분자량 분포 등 미세 구조를 다양한 범위로 제어할 수 있어, 원하는 물성을 갖는 폴리올레핀을 용이하게 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 올레핀 중합용 촉매 조성물 및 이를 사용한 폴리올레핀의 제조방법에 관한 것이다.
1970 년대 후반 Kaminsky 교수가 4족 메탈로센 화합물을 메틸알루미녹산 조촉매로 활성화시킨 균일계 지글러 촉매를 공개한 이후, 학계와 산업계에서는 다양한 구조의 균일계 촉매를 사용하여 원하는 물성을 갖는 폴리올레핀을 제조하고자 하였다.
통상적인 비균일계 촉매는 에틸렌/알파-올레핀 공중합시 알파-올레핀의 인코포레이션 양이 적을 뿐만 아니라, 주로 분자량이 작은 체인에만 알파-올레핀이 인코포레이션되는 단점이 있었다. 그에 비하여, 상기 균일계 촉매는 에틸렌/알파-올레핀 공중합에서 알파-올레핀의 인코포레이션 양이 많고 알파-올레핀의 분포가 균일하게 나타나는 장점이 있다.
그러나, 비균일계 촉매를 사용하는 경우에 비하여, 균일계 촉매를 사용하는 경우에는 높은 분자량의 고분자를 제조하기 어려운 단점이 있다.
고분자의 분자량이 작으면 높은 강도가 요구되는 제품에는 적용할 수 없는 등 용도 개발에 제한이 생기게 된다. 이런 이유에서 여전히 산업계에서는 통상적인 비균일계 촉매를 사용하여 고분자를 제조하고 있으며, 균일계 촉매는 몇몇 그레이드의 고분자에만 한정적으로 사용되고 있는 실정이다.
한편, 1980 년대 중반 이후 개발된 메탈로센 촉매는 좁은 분자량 분포와 조성 분포를 나타내는 폴리올레핀을 제조하는데 사용되어 왔다. 그러나, 이전의 메탈로센 촉매로는 폴리올레핀의 분자량 분포가 거의 2 내지 3으로 나타나기 때문에, 다양한 물성을 갖는 폴리올레핀을 제조하는데 한계가 있었다.
이에 본 발명은 올레핀계 단량체에 대한 중합 활성이 우수하면서도 폴리올레핀의 분자량 분포 등의 물성을 다양한 범위에서 쉽게 제어할 수 있는 올레핀 중합용 촉매 조성물을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 촉매 조성물을 사용한 폴리올레핀의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은
하기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물; 및
하기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물
을 포함하는 올레핀 중합용 촉매 조성물을 제공한다:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
M은 4족 전이금속이고;
Q1 및 Q2는 각각 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C2-C20)알키닐, (C6-C20)아릴, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬아미도, (C6-C20)아릴아미도 또는 (C1-C20)알킬리덴이고;
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 및 R10은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬; 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20) 실릴이고; 상기 R1과 R2는 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있으며, 상기 R3와 R4는 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고, 상기 R5 내지 R10 중에서 2 이상이 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있으며;
R11, R12 및 R13은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴; (C1-C20)알콕시; 또는 (C6-C20)아릴옥시이며; 상기 R11과 R12 또는 R12와 R13은 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있다;
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
M은 주기율표 상의 3~10족 중에서 선택되는 어느 하나의 원소이고,
X는 (C1-C20)알킬기, (C1-C20)알킬실릴기, (C1-C20)실릴알킬기, (C3-C20)사이클로알킬기, (C6-C20)아릴기, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬기, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴기, (C6-C20)아릴실릴기, (C6-C20)실릴아릴기, (C1-C20)알콕시기, (C1-C20)알킬실록시기, (C6-C20)아릴옥시기, 할로겐기, 아민기 또는 테트라하이드로보레이트기이고,
n은 1~5의 정수이고,
Cp1과 Cp2는 각각 독립적으로 사이클로펜타디에닐 골격을 갖는 리간드이고,
B는 상기 M에 직접 배위하지 않고 Cp1과 Cp2를 연결하는 다리로서, 탄소(C), 규소(Si) 또는 게르마늄(Ge)을 중심으로 (C1-C20)알킬기, (C3-C20)사이클로알킬기, (C6-C20)아릴기, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬기, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴기 또는 수소원자가 결합된 것이고,
q는 0~4의 정수이다.
이때, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에서, 상기 M은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 하프늄(Hf)이고; 상기 Q1 및 Q2 는 각각 독립적으로 메틸 또는 염소이며; 상기 R1, R2, R3, R4 및 R5 는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸이고; 상기 R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12 및 R13 은 각각 수소인 것이 바람직하다.
또한, 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물에서, 상기 M은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 하프늄(Hf)이고; 상기 X는 메틸기(Methyl), 에틸기(Ethyl), 메톡시기(Methoxy), 페녹시기(Phenoxy), 할로겐기, 디메틸아미노(Dimethylamino) 또는 디에틸아미노기(Dietnylamino)이고; 상기 Cp1과 Cp2는 각각 독립적으로 사이클로펜타디에닐기(Cyclopentadienyl) 또는 인데닐기(Indenyl), 플루오레닐기(Fluorenyl)이고; 상기 B는 디메틸실릴렌기(Dimethylsilylene), 디에틸실릴렌기(Diethylsilylene), 디페닐실릴렌기(Diphenylsilylene) 또는 에틸렌기(Ethylene)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 촉매 조성물은 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 대하여, 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물을 1:0.05~20의 몰비(전이금속 원자의 몰비 기준)로 포함할 수 있다.
한편, 상기 촉매 조성물은 하기 화학식 3, 화학식 4 및 화학식 5로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 조촉매 화합물을 더 포함할 수 있다:
[화학식 3]
-[Al(R31)-O]a-
상기 화학식 3에서,
R31은 각각 독립적으로 할로겐 라디칼, (C1-C20)하이드로카르빌 라디칼 또는 할로겐으로 치환된 (C1-C20)하이드로카르빌 라디칼이며;
a는 2 이상의 정수이다;
[화학식 4]
D(R41)3
상기 화학식 4에서,
D는 알루미늄 또는 보론이며;
R41은 각각 독립적으로 할로겐 라디칼, (C1-C20)하이드로카르빌 라디칼 또는 할로겐으로 치환된 (C1-C20)하이드로카르빌 라디칼이고;
[화학식 5]
[L-H]+[Z(A)4]- 또는 [L]+[Z(A)4]-
상기 화학식 5에서,
L은 중성 또는 양이온성 루이스 산이며;
Z는 13족 원소이고;
A는 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 할로겐, (C1-C20)하이드로카르빌, (C1-C20)알콕시 또는 (C6-C20)아릴옥시 라디칼로 치환된 (C6-C20)아릴 또는 (C1-C20)알킬 라디칼이다.
이때, 상기 조촉매 화합물에 있어서, 상기 화학식 3의 R31은 메틸, 에틸, n-부틸 또는 이소부틸이고; 상기 화학식 4의 D는 알루미늄이고 R41은 메틸 또는 이소부틸이고, 또는 D는 보론이고 R41은 펜타플루오로페닐이며; 상기 화학식 5에서 [L-H]+는 디메틸아닐리늄 양이온이고; [Z(A)4]-는 [B(C6F5)4]-이고; [L]+는 [(C6H5)3C]+인 것이 바람직하다.
또한, 상기 조촉매 화합물의 함량은 상기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물에 함유된 전이금속 1몰에 대하여 조촉매 화합물에 함유된 금속의 몰비를 기준으로 1:1~100,000일 수 있다.
한편, 상기 촉매 조성물은 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물이 각각 또는 동시에 담지되는 담체를 더욱 포함할 수 있다.
여기서, 상기 담체는 SiO2, Al2O3 , MgO, MgCl2, CaCl2, ZrO2, TiO2, B2O3, CaO, ZnO, BaO, ThO2, SiO2-Al2O3, SiO2-MgO, SiO2-TiO2, SiO2-V2O5, SiO2-CrO2O3, SiO2-TiO2-MgO, 보오크사이트, 제올라이트, starch 및 cyclodextrine으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
한편, 본 발명은
전술한 촉매 조성물의 존재 하에서, 적어도 1종의 올레핀계 단량체를 중합시키는 단계를 포함하는 폴리올레핀의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 올레핀계 단량체는 C2-C20의 알파-올레핀(α-Olefin), C1-C20의 디올레핀(Diolefin), C3-C20의 사이클로올레핀(Cyclo-olefin) 또는 C3-C20의 사이클로디올레핀(Cyclo-diolefin)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 중합 단계는 액상 중합, 기상 중합, 괴상 중합 또는 현탁 중합으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 중합 단계는 -50 내지 500 ℃의 온도 및 1 내지 3000 기압의 압력 하에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 폴리올레핀은 중량평균분자량이 10,000 내지 1,000,000이고, 분자량 분포(Mw/Mn)가 3 내지 25인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 촉매 조성물은 올레핀계 단량체에 대한 중합 활성이 우수하면서도 폴리올레핀의 분자량 분포 등 미세 구조를 다양한 범위로 제어할 수 있어, 원하는 물성을 갖는 폴리올레핀을 용이하게 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 구현예에 따른 올레핀 중합용 촉매 조성물 및 이를 사용한 폴리올레핀의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명자들은 올레핀 중합용 촉매에 대한 연구를 거듭하는 과정에서, 하기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물을 혼합하여 올레핀계 단량체의 중합 공정에 촉매로 사용할 경우, 폴리올레핀의 분자량 분포 등 미세 구조를 다양한 범위로 제어할 수 있어, 원하는 물성을 갖는 폴리올레핀을 용이하게 제조할 수 있음을 확인하여, 본 발명을 완성하였다.
이와 같은, 본 발명은 일 구현예에 따라,
하기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물; 및 하기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물을 포함하는 올레핀 중합용 촉매 조성물을 제공한다:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
M은 4족 전이금속이고;
Q1 및 Q2는 각각 독립적으로 할로겐, (C1-C20)알킬, (C2-C20)알케닐, (C2-C20)알키닐, (C6-C20)아릴, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬, (C1-C20)알킬아미도, (C6-C20)아릴아미도 또는 (C1-C20)알킬리덴이고;
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 및 R10은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬; 또는 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20) 실릴이고; 상기 R1과 R2는 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있으며, 상기 R3와 R4는 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고, 상기 R5 내지 R10 중에서 2 이상이 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있으며;
R11, R12 및 R13은 각각 독립적으로 수소; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C2-C20)알케닐; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬; 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함 또는 포함하지 않는 (C1-C20)실릴; (C1-C20)알콕시; 또는 (C6-C20)아릴옥시이며; 상기 R11과 R12 또는 R12와 R13은 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있다;
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
M은 주기율표 상의 3~10족 중에서 선택되는 어느 하나의 원소이고,
X는 (C1-C20)알킬기, (C1-C20)알킬실릴기, (C1-C20)실릴알킬기, (C3-C20)사이클로알킬기, (C6-C20)아릴기, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬기, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴기, (C6-C20)아릴실릴기, (C6-C20)실릴아릴기, (C1-C20)알콕시기, (C1-C20)알킬실록시기, (C6-C20)아릴옥시기, 할로겐기, 아민기 또는 테트라하이드로보레이트기이고,
n은 1~5의 정수이고,
Cp1과 Cp2는 각각 독립적으로 사이클로펜타디에닐 골격을 갖는 리간드이고,
B는 상기 M에 직접 배위하지 않고 Cp1과 Cp2를 연결하는 다리로서, 탄소(C), 규소(Si) 또는 게르마늄(Ge)을 중심으로 (C1-C20)알킬기, (C3-C20)사이클로알킬기, (C6-C20)아릴기, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬기, (C 1 -C20)알킬(C6-C20)아릴기 또는 수소원자가 결합된 것이고,
q는 0~4의 정수이다.
이하, 본 발명의 촉매 조성물에 포함될 수 있는 성분들에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 올레핀 중합용 촉매 조성물은 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물을 포함한다.
상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물은 아미도 리간드와 오르소-페닐렌이 축합 고리를 형성하고, 상기 오르소-페닐렌에 결합한 5각 고리 파이-리간드가 티오펜 헤테로 고리에 의해 융합된 새로운 구조의 리간드를 포함한다. 그에 따라, 상기 전이금속 화합물은 티오펜 헤테로 고리가 융합되지 않은 전이금속 화합물에 비하여 올레핀계 단량체의 중합 활성이 높은 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물에 있어서, 상기 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12 및 R13은 각각 독립적으로 아세탈, 케탈 또는 에테르기를 포함하는 치환기로 치환된 것일 수 있는데, 상기와 같은 치환기로 치환될 경우 담체의 표면에 담지시키는데 보다 유리할 수 있다.
또한, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물에 있어서, 상기 M은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 하프늄(Hf)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 있어서, 상기 Q1 및 Q2 는 각각 독립적으로 할로겐 또는 (C1-C20)알킬인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 염소 또는 메틸일 수 있다.
또한, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 있어서, 상기 R1, R2, R3, R4 및 R5 는 각각 독립적으로 수소 또는 (C1-C20)알킬일 수 있고, 바람직하게는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸일 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 R1, R2, R3, R4 및 R5 는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸일 수 있고, 다만 R3 및 R4 중 적어도 하나는 메틸이고, R5는 메틸일 수 있다.
또한, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 있어서, 상기 R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12 및 R13 은 각각 수소인 것이 바람직하다.
상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물은 상기와 같은 치환기들을 포함하는 것이 금속 주위의 전자적, 입체적 환경 제어를 위해 선호된다.
한편, 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물은 하기 화학식 1-a로 표시되는 전구체 화합물로부터 얻을 수 있다:
[화학식 1-a]
상기 화학식 1-a에서, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12 및 R13은 각각 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같다.
여기서, 상기 화학식 1-a로 표시되는 전구체 화합물은 (a) 하기 화학식 1-b으로 표시되는 테트라하이드로퀴놀린 유도체를 알킬리튬과 반응시킨 후 이산화탄소를 첨가하여 화학식 하기 1-c로 표시되는 화합물을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 화학식 1-c로 표시되는 화합물과 알킬리튬을 반응시킨 후, 하기 화학식 1-d로 표시되는 화합물을 첨가하고 산 처리하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다:
[화학식 1-b]
[화학식 1-c]
[화학식 1-d]
상기 화학식 1-b, 화학식 1-c 및 화학식 1-d에서, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12 및 R13은 각각 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같다.
본 발명에 따르면, 상기 화학식 1-b, 화학식 1-c 및 화학식 1-d에서, 상기 R1, R2, R3, R4 및 R5 는 각각 독립적으로 수소 또는 (C1-C20)알킬일 수 있고, 바람직하게는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸일 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 R1, R2, R3, R4 및 R5 는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸일 수 있고, 다만 R3 및 R4 중 적어도 하나는 메틸이고, R5 는 메틸일 수 있다. 또한, 상기 R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12 및 R13 은 각각 수소인 것이 바람직하다. 이를 통해 출발 물질의 접근성 및 반응성을 확보할 수 있고, 제조될 화학식 1의 전이금속 화합물의 전자적 및 입체적 환경을 제어하는데 유리하다.
상기 (a)단계는 상기 화학식 1-b로 표시되는 테트라하이드로퀴놀린 유도체를 알킬리튬과 반응시킨 후 이산화탄소를 첨가하여 상기 화학식 1-c로 표시되는 화합물로 전환하는 반응으로, 이는 공지된 문헌에 기술된 방법에 따라 수행할 수 있다(Tetrahedron Lett. 1985, 26, 5935; Tetrahedron1986,42,2571; J.Chem.SC.Perkin Trans. 1989,16.).
또한, 상기 (b)단계에서 상기 화학식 1-c로 표시되는 화합물에 알킬리튬을 반응시킴으로써 탈양성자 반응을 유발하여 오르소-리튬 화합물을 생성하며 이에 상기 화학식 1-d로 표시되는 화합물을 반응시키고 산을 처리함으로써 상기 화학식 1-a로 표시되는 전이금속 화합물 전구체를 얻을 수 있다.
상기 화학식 1-c로 표시되는 화합물에 알킬리튬을 반응시켜 오르소-리튬 화합물을 생성하는 반응은 공지된 문헌을 통해 파악할 수 있으며(Organometallics 2007, 27,6685; 대한민국 공개특허 제2008-0065868호), 본 발명에서는 이에 상기 화학식 1-d로 표시되는 화합물을 반응시키고 산을 처리함으로써 상기 화학식 1-a로 표시되는 전이금속 화합물 전구체를 얻을 수 있다.
여기서, 상기 화학식 1-d로 표시되는 화합물은 공지된 다양한 방법을 통해 제조될 수 있다. 하기 반응식 1은 그 중 한 예를 보여주는 것으로, 한 단계의 반응만으로 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 가격이 저렴한 출발물질이 사용되어 본 발명의 전이금속 화합물 전구체를 쉽고 경제적으로 제조할 수 있게 해준다(J. Organomet. Chem., 2005, 690,4213).
[반응식 1]
한편, 상기 방법을 통해 얻어진 상기 화학식 1-a로 표시되는 전구체 화합물로부터 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물을 합성하기 위해서는 공지된 다양한 방법들을 이용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학식 1-a로 표시되는 전구체 화합물에 약 2당량의 알킬리튬을 첨가하여 탈양성자 반응을 유도함으로써, 사이클로펜타디에닐 음이온과 아마이드 음이온의 다이리튬 화합물을 제조한 후, 여기에 (Q1)(Q2)MCl2를 투입하여 약 2당량의 LiCl를 제거하는 방법으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 화학식 1-a로 표시되는 화합물과 M(NMe2)4 화합물을 반응시켜 약 2 당량의 HNME2를 제거하여 Q1과 Q2가 동시에 NMe2인 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물을 얻고, 여기에 Me3SiCl 또는 Me2SiCl2를 반응시켜 NMe2 리간드를 염소 리간드로 바꿀 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 올레핀 중합용 촉매 조성물은 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물을 포함한다.
상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 메탈로센 화합물일 수 있으며, 특히 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물과 함께 사용될 경우 중합체의 분자량 및 분자량 분포를 다양한 범위에서 조절할 수 있고, 공중합 특성이 우수한 폴리올레핀을 제조할 수 있게 된다. 즉, 전술한 화학식 1의 전이금속 화합물을 사용할 경우, 상기 화학식 2의 전이금속 화합물에 비하여 상대적으로 분자량이 큰 폴리올레핀을 제조할 수 있는데, 상기 전이금속화합물들을 혼합 사용함에 따라 보다 다양한 물성을 갖는 폴리올레핀을 제조할 수 있게 된다.
이때, 상기 화학식 2에서, 상기 M은 주기율표 상의 3~10족 중에서 선택되는 어느 하나의 원소로서, 바람직하게는 주기율표 상의 4족 원소일 수 있고, 보다 바람직하게는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 하프늄(Hf)일 수 있다.
또한, 상기 화학식 2에서 상기 X는 (C1-C20)알킬기, (C1-C20)알킬실릴기, (C1-C20)실릴알킬기, (C3-C20)사이클로알킬기, (C6-C20)아릴기, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬기, (C 1 -C20)알킬(C6-C20)아릴기, (C6-C20)아릴실릴기, (C6-C20)실릴아릴기, (C1-C20)알콕시기, (C1-C20)알킬실록시기, (C6-C20)아릴옥시기, 할로겐기, 아민기 또는 테트라하이드로보레이트기일 수 있으며; 바람직하게는 메틸기(Methyl), 에틸기(Ethyl), 메톡시기(Methoxy), 페녹시기(Phenoxy), 할로겐기, 디메틸아미노(Dimethylamino) 또는 디에틸아미노기(Dietnylamino)일 수 있다.
또한, 상기 화학식 2에서, 상기 Cp1과 Cp2는 각각 독립적으로 사이클로펜타디에닐 골격을 갖는 리간드로서, 바람직하게는 사이클로펜타디에닐기(Cyclopentadienyl) 또는 인데닐기(Indenyl), 플루오레닐기(Fluorenyl)일 수 있다.
또한, 상기 화학식 2에서, 상기 B는 상기 M에 직접 배위하지 않고 Cp1과 Cp2를 연결하는 다리로서, 바람직하게는 탄소(C), 규소(Si) 또는 게르마늄(Ge)을 중심으로 (C1-C20)알킬기, (C3-C20)사이클로알킬기, (C6-C20)아릴기, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬기, (C 1 -C20)알킬(C6-C20)아릴기 또는 수소원자가 결합된 것일 수 있고; 보다 바람직하게는 디메틸실릴렌기(Dimethylsilylene), 디에틸실릴렌기(Diethylsilylene), 디페닐실릴렌기(Diphenylsilylene) 또는 에틸렌기(Ethylene)일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 촉매 조성물은 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물을 포함한다.
이때, 상기 전이금속 화합물들의 함량비는 화합물의 활성 및 중합 공정의 조건 등을 고려하여 결정할 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 촉매 조성물은 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 대하여, 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물을 1:0.05~20, 바람직하게는 1:0.07~15, 보다 바람직하게는 1:0.1~10의 몰비(전이금속 원자의 몰비 기준)로 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 촉매 조성물은 조촉매 화합물을 더욱 포함할 수 있다. 상기 조촉매 화합물은 전술한 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물을 활성화시키는 역할을 한다. 따라서, 본 발명에 따른 촉매의 활성을 저하시키지 않으면서도 상기 전이금속 화합물을 활성화시킬 수 있는 조촉매 화합물이라면 그 구성에 제한 없이 사용될 수 있다.
다만, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 조촉매 화합물은 하기 화학식 3, 화학식 4 및 화학식 5로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다:
[화학식 3]
-[Al(R31)-O]a-
상기 화학식 3에서,
R31은 각각 독립적으로 할로겐 라디칼, (C1-C20)하이드로카르빌 라디칼 또는 할로겐으로 치환된 (C1-C20)하이드로카르빌 라디칼이며;
a는 2 이상의 정수이다;
[화학식 4]
D(R41)3
상기 화학식 4에서,
D는 알루미늄 또는 보론이며;
R41은 각각 독립적으로 할로겐 라디칼, (C1-C20)하이드로카르빌 라디칼 또는 할로겐으로 치환된 (C1-C20)하이드로카르빌 라디칼이고;
[화학식 5]
[L-H]+[Z(A)4]- 또는 [L]+[Z(A)4]-
상기 화학식 5에서,
L은 중성 또는 양이온성 루이스 산이며;
Z는 13족 원소이고;
A는 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 할로겐, (C1-C20)하이드로카르빌, (C1-C20)알콕시 또는 (C6-C20)아릴옥시 라디칼로 치환된 (C6-C20)아릴 또는 (C1-C20)알킬 라디칼이다.
여기서, 상기 화학식 3으로 표시되는 조촉매 화합물은 알킬알루미녹산이라면 그 구성이 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 메틸알루미녹산(Methylaluminoxane), 에틸알루미녹산(Ethylaluminoxane), 부틸알루미녹산(Butylaluminoxane), 헥실알루미녹산(Hexylaluminoxane), 옥틸알루미녹산(Octylaluminoxane), 데실알루미녹산(Decylaluminoxane) 등일 수 있다.
또한, 상기 화학식 4로 표시되는 조촉매 화합물은 트리메틸알루미늄(Trimethylaluminum), 트리에틸알루미늄(Triethylaluminum), 트리부틸알루미늄(Tributylaluminum), 트리헥실알루미늄(Trihexylaluminum), 트리옥틸알루미늄(Trioctylaluminum), 트리데실알루미늄(Tridecylaluminum) 등의 트리알킬알루미늄; 디메틸알루미늄 메톡사이드(Dimethylaluminum methoxide), 디에틸알루미늄 메톡사이드(Diethylaluminum methoxide), 디부틸알루미늄 메톡사이드(Dibutylaluminum methoxide)와 같은 디알킬알루미늄 알콕사이드(Dialkylaluminum alkoxide); 디메틸알루미늄 클로라이드(Dimethylaluminum chloride), 디에틸알루미늄 클로라이드(Diethylaluminum chloride), 디부틸알루미늄 클로라이드(Dibutylaluminum chloride)와 같은 디알킬알루미늄 할라이드(Dialkylaluminum alkoxide); 메틸알루미늄 디메톡사이드(Methylaluminum dimethoxide), 에틸알루미늄 디메톡사이드(Ethylaluminum dimethoxide), 부틸알루미늄 디메톡사이드(Butylaluminum dimethoxide)와 같은 알킬알루미늄 디알콕사이드(Alkylaluminum dialkoxide); 메틸알루미늄 디클로라이드(Methylaluminum dichloride), 에틸알루미늄 디클로라이드(Ethylaluminum dichloride), 부틸알루미늄 디클로라이드(Butylaluminum dichloride)와 같은 알킬알루미늄 디할라이드(Alkylaluminum dihalide); 트리메틸보론, 트리에틸보론, 트리이소부틸보론, 트리프로필보론, 트리부틸보론과 같은 트리알킬보론; 트리스펜타플루오로페닐보론 등일 수 있다.
또한, 상기 화학식 5로 표시되는 조촉매 화합물은 트리메틸암모늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(Trimethylammonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), 트리에틸암모늄 테트라키스(펜타플루오로페닐) 보레이트(Triethylammonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), 트리프로필암모늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(Tripropylammonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), 트리(n-부틸)암모늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(Ttri(n-butyl)ammonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), 트리(sec-부틸) 암모늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(Tri(sec-butyl)ammonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), N,N-디메틸아닐리늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(N,N-dimethylanilinium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), N,N-디메틸아닐리늄 n-부틸트리스(펜타플루오로페닐)보레이트(N,N-dimethylanilinium n-butyltris(pentafluorophenyl)borate), N,N-디메틸아닐리늄 벤질트리스(펜타플루오로페닐)보레이트(N,N-dimethylanilinium benzyltris(pentafluorophenyl)borate), N,N-디메틸아닐리늄 테트라키스(4-(t-부틸디메틸실릴)-2,3,5,6-테트라플루오로페닐)보레이트(N,N-dimethylanilinium tetrakis(4-(t-butyldimethylsiiyl)-2,3,5 6-tetrafluorophenyl)borate), N,N-디메틸아닐리늄 테트라키스(4-(t-트리이소프로필실릴)-2,3,5,6-테트라플루오로페닐)보레이트(N,N-dimethylanilinium tetrakis(4-(triisopropysilyl)-2,3,5,6-tetrafluorophenyl)borate), N,N-디메틸아닐리늄 펜타플루오로페녹시트리스(펜타플루오로페닐)보레이트(N,N-dimethylanilinium pentafluorophenoxytris(pentafluorphenyl)borate), N,N-디에틸아닐리늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(N,N-diethylanilinium tetrakis(pentafluorphenyl)borate), N,N-디메틸-2,4,6-트리메틸아닐리늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(N,N-dimethyl-2,4,6-trimethylanilinium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), N,N-디메틸암모늄 테트라키스(2,3,5,6-테트라플루오로페닐)보레이트(trimethylammonium tetrakis (2,3,4,6-tetrafluorophenyl)borate), N,N-디에틸암모늄 테트라키스(2,3,4,6-테트라플루오로페닐)보레이트(triethylammonium tetrakis (2,3,4,6-tetrafluorophenyl)borate), 트리프로필암모늄 테트라키스(2,3,4,6-테트라플루오로페닐)보레이트(tripropylammonium tetrakis (2,3,4,6-tetrafluorophcnyl)borate), 트리(n-부틸)암모늄 테트라키스(2,3,4,6-테트라플루오로페닐)보레이트(tri(n-butyl)ammonium tetrakis (2,3,4,6-tetrafluorophenyl)borate), 디메틸(t-부틸)암모늄 테트라키스(2,3,4,6-테트라플루오로페닐)보레이트(dimethyl(t-butyl)ammonium tetrakis (2,3,4,6-tetrafluorophenyl)borate), N,N-디메틸아닐리늄 테트라키스(2,3,4,6-테트라플루오로페닐)보레이트(N,N-dimethylanilinium tetrakis (2,3,4,6-tetrafluorophenyl)borate), N,N-디에틸아닐리늄 테트라키스(2,3,4,6-테트라플루오로페닐)보레이트(N,N-diethylanilinium tetrakis (2,3,4,6-tetrafluorophenyl)borate), N,N-디메틸2,4,6-트리메틸아닐리늄 테트라키스(2,3,4,6-테트라플루오로페닐)보레이트(N,N-dimethyl-2,4,6-trimethylanilinium tetrakis (2,3,4,6-tetrafluorophenyl)borate) 등일 수 있다.
또한, 상기 화학식 5로 표시되는 조촉매 화합물은 디-(i-프로필)암모늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(di-(i-propyl)ammonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), 디사이클로헥실암모늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(dicyclohexylammonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate)와 같은 디알킬암모늄; 트리페닐포스포늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(Triphenylphosphonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), 트리(o-톨릴포스포늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(tri(o-tolylphosphonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), 트리(2,6-디메틸페닐)포스포늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(Tri(2,6-dimethylphenyl)phosphonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate)와 같은 트리알킬포스포늄; 디페닐옥소늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(diphenyloxonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), 디(o-톨릴)옥소늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(di(o-tolyl)oxonium tetrakis(pentafluororphenyl)borate), 디(2,6-디메틸페닐 옥소늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(di(2,6-dimethylphenyl oxonium tetrakis (pentafluorophenyl)borate)와 같은 디알킬옥소늄; 디페닐술포늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(diphenylsulfonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), 디(o-톨릴)술포늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(di(o-tolyl)sulfonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), 비스(2,6-디메틸페닐)술포늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(bis(2,6-dimethylphenyl)sulfonium tetrakis(pentafluorophenyl)borate)와 같은 디알킬술포늄; 및 트로필륨 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(tropylium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), 트리페닐메틸 카르베늄 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트(triphenylmethylcarbenium tetrakis(pentafluorophenyl)borate), 벤젠(디아조늄)테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트 (benzene(diazonium) tetrakis(pentafluorophenyl)borate)와 같은 카르보늄염 등일 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면, 상기 조촉매 화합물이 보다 우수한 활성화 효과를 나타낼 수 있도록 하기 위하여, 상기 화학식 3에서 R31은 메틸, 에틸, n-부틸 또는 이소부틸인 것이 바람직하고; 상기 화학식 4에서 D는 알루미늄이고 R41은 메틸 또는 이소부틸이거나, 또는 D는 보론이고 R41은 펜타플루오로페닐인 것이 바람직하며; 상기 화학식 5에서 [L-H]+는 디메틸아닐리늄 양이온이고, [Z(A)4]-는 [B(C6F5)4]-이고, [L]+는 [(C6H5)3C]+인 것이 바람직하다.
한편, 상기 조촉매 화합물의 첨가량은 상기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물을 충분히 활성화시키는데 필요한 양 등을 고려하여 결정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 조촉매 화합물의 함량은, 상기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물에 함유된 전이금속 1몰에 대하여, 조촉매 화합물에 함유된 금속의 몰비를 기준으로 1:1~100,000, 바람직하게는 1:1~10,000, 보다 바람직하게는 1:1~5,000일수 있다.
보다 구체적으로, 상기 화학식 3으로 표시되는 조촉매 화합물은 상기 전이금속 화합물들에 대하여 1:1~1:100,000, 바람직하게는 1:5~50,000, 보다 바람직하게는 1:10~20,000의 몰비로 포함될 수 있다.
또한, 상기 화학식 4로 표시되는 조촉매 화합물에서 D가 보론인 경우에는, 상기 전이금속 화합물들에 대하여 1:1~100, 바람직하게는 1:1~10, 보다 바람직하게는 1:1~3의 몰비로 포함될 수 있다.
그리고, 상기 화학식 4로 표시되는 조촉매 화합물에서 D가 알루미늄인 경우에는 중합 시스템 내의 물의 양에 따라 달라질 수 있으나, 상기 전이금속 화합물들에 대하여 1:1~1,000, 바람직하게는 1:1~500, 보다 바람직하게는 1:1~100의 몰비로 포함될 수 있다.
또한, 상기 화학식 5로 표시되는 조촉매 화합물은 상기 전이금속 화합물들에 대하여 1:1~100, 바람직하게는 1:1~10, 보다 바람직하게는 1:1~4의 몰비로 포함될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 촉매 조성물은 담체 상에 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물이 각각 또는 동시에 담지된 것일 수 있다.
여기서, 상기 담체로는 본 발명이 속하는 기술분야에서 촉매의 제조에 사용되는 무기 또는 유기 소재의 담체가 제한 없이 사용될 수 있다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 담체는 SiO2, Al2O3 , MgO, MgCl2, CaCl2, ZrO2, TiO2, B2O3, CaO, ZnO, BaO, ThO2, SiO2-Al2O3, SiO2-MgO, SiO2-TiO2, SiO2-V2O5, SiO2-CrO2O3, SiO2-TiO2-MgO, 보오크사이트, 제올라이트, starch, cyclodextrine 또는 합성고분자일 수 있다.
바람직하게는, 상기 담체는 표면에 히드록시기를 포함하는 것으로서, 실리카, 실리카-알루미나 및 실리카-마그네시아로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 담체일 수 있다.
이때, 상기 촉매 조성물은 상기 담체 상에 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물이 동시에 담지된 것일 수 있으며; 또는 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물이 담지된 담체와 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물이 담지된 담체의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 조촉매 화합물은 각 담체에 함께 담지되거나, 비담지 상태로 별도 첨가될 수 있다.
상기와 같은 담체에 상기 전이금속 화합물을 담지시키는 방법은 수분이 제거된(dehydrated) 담체에 상기 전이금속 화합물을 직접 담지시키는 방법; 상기 담체를 상기 조촉매 화합물로 전처리한 후 전이금속 화합물을 담지시키는 방법; 상기 담체에 상기 전이금속 화합물을 담지시킨 후 조촉매 화합물로 후처리하는 방법; 상기 전이금속 화합물과 조촉매 화합물을 반응시킨 후 담체를 첨가하여 반응시키는 방법 등이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기와 같은 담지 방법에 사용 가능한 용매로는 펜탄(Pentane), 헥산(Hexane), 헵탄(Heptane), 옥탄(Octane), 노난(Nonane), 데칸(Decane), 운데칸(Undecane), 도데칸(Dodecane) 등의 지방족 탄화수소계 용매; 벤젠(Benzene), 모노클로로벤젠(Monochlorobenzene), 디클로로벤젠(Dichlorobenzene), 트리클로로벤젠(Trichlorobenzene), 톨루엔(Toluene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디클로로메탄(Dichloromethane), 트리클로로메탄(Trichloromethane), 디클로로에탄(Dichloroethane), 트리클로로에탄(Trichloroethane) 등의 할로겐화 지방족 탄화수소계 용매; 또는 이들의 혼합물을 예로 들 수 있다.
또한, 상기 전이금속 화합물을 담체 상에 담지시키는 공정은 -70 내지 200 ℃, 바람직하게는 -50 내지 150 ℃, 보다 바람직하게는 0 내지 100 ℃의 온도 하에서 수행되는 것이 담지 공정의 효율면에서 유리하다.
한편, 본 발명은 다른 구현예에 따라,
전술한 촉매 조성물의 존재 하에서, 적어도 1 종의 올레핀계 단량체를 중합시키는 단계를 포함하는 폴리올레핀의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 올레핀계 단량체의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 단량체들이 사용될 수 있다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 올레핀계 단량체는 (C2-C20)알파-올레핀(α-Olefin), (C1-C20)디올레핀(Diolefin), (C3-C20)사이클로올레핀(Cyclo-olefin) 또는 (C3-C20)사이클로디올레핀(Cyclo-diolefin), 치환 또는 비치환된 스티렌으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
바람직하게는, 상기 올레핀계 단량체는 에틸렌(Ethylene), 프로필렌(Propylene), 1-부텐(1-Butene), 1-펜텐(1-Pentene) 및 1-헥센(1-Hexene)을 포함하는 C2-C20의 알파-올레핀(α-Olefin); 1,3-부타디엔(1,3-Butadiene), 1,4-펜타디엔(1,4-Pentadiene) 및 2-메틸-1,3-부타디엔(2-Methyl-1,3-butadiene)을 포함하는 C1-C20의 디올레핀(Diolefin); 사이클로펜텐(Cyclopentene), 사이클로헥센(Cyclohexene), 사이클로펜타디엔(Cyclopentadiene), 사이클로헥사디엔(Cyclohexadiene), 노르보넨(Norbonene) 및 메틸-2-노르보넨(Methyl-2-Norbonene)을 포함하는 C3-C20의 사이클로올레핀(Cyclo-olefin) 또는 사이클로디올레핀(Cyclo-diolefin); 스티렌(Styrene) 또는 스티렌의 벤젠 고리(phenyl ring)에 탄소수 1~10의 알킬기, 알콕시기, 할로겐기, 아민기, 실릴기, 할로알킬기 등이 결합된 치환된 스티렌(Substituted Styrene); 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
한편, 상기 중합 단계는 액상 중합, 기상 중합, 괴상 중합 또는 현탁 중합의 방법으로 수행될 수 있다.
상기 중합 단계가 액상 또는 슬러리상에서 실시될 경우에는 용매 또는 올레핀계 단량체 자체를 매질로 사용할 수 있다.
또한, 상기 중합 단계에 사용 가능한 용매는 부탄(Butane), 이소부탄(Isobutane), 펜탄(Pentane), 헥산(Hexane), 헵탄(Heptane), 옥탄(Octane), 노난(Nonane), 데칸(Decane), 운데칸(Undecane), 도데칸(Dodecane), 시클로펜탄(Cyclopentane), 메틸시클로펜탄(Methylcyclopentane), 시클로헥산(Cyclohexane) 등의 지방족 탄화수소계 용매; 벤젠(Benzene), 모노클로로벤젠(Monochlorobenzene), 디클로로벤젠(Dichlorobenzene), 트리클로로벤젠(Trichlorobenzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene), 클로로벤젠(Chlorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디클로로메탄(Dichloromethane), 트리클로로메탄(Trichloromethane), 클로로에탄(Chloroethane), 디클로로에탄(Dichloroethane), 트리클로로에탄(Trichloroethane), 1,2-디클로로에탄(1,2-Dichloroethane) 등의 할로겐화 지방족 탄화수소 용매; 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
한편, 상기 중합 단계에서, 상기 촉매 조성물의 첨가량은 슬러리상, 액상, 기상 또는 괴상 공정에서 따라 단량체의 중합 반응이 충분히 일어날 수 있는 범위 내에서 결정될 수 있으므로, 특별히 제한하지 않는다.
다만, 본 발명에 따르면, 상기 촉매 조성물의 첨가량은 단량체의 단위 부피(L)당 상기 전이금속 화합물들의 중심금속(M)의 농도를 기준으로 10-8 mol/L 내지 1 mol/L, 바람직하게는 10-7 mol/L 내지 10-1 mol/L, 보다 바람직하게는 바람직하게는 10-7 mol/L 내지 10-2 mol/L일 수 있다.
또한, 상기 중합 단계는 배치식(Batch Type), 반연속식(Semi-continuous Type) 또는 연속식(Continuous Type) 반응으로 수행할 수 있다.
한편, 상기 중합 단계의 온도 및 압력 조건은 적용하고자 하는 반응의 종류 및 반응기의 종류에 따라 중합 반응의 효율을 고려하여 결정할 수 있으므로, 특별히 제한하지 않는다.
다만, 본 발명에 따르면, 상기 중합 단계는 -50 내지 500 ℃, 바람직하게는 0 내지 400 ℃, 보다 바람직하게는 0 내지 300 ℃의 온도 하에서 수행할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 상기 중합 단계는 1 내지 3000 기압, 바람직하게는 1 내지 1000 기압, 보다 바람직하게는 1 내지 500 기압의 압력 하에서 수행할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 폴리올레핀의 제조방법은 전술한 촉매 조성물을 사용함에 따라, 중합체의 미세 구조를 다양한 범위로 제어할 수 있어 원하는 물성을 갖는 폴리올레핀을 용이하게 제조할 수 있다.
즉, 상기 제조방법을 통해 제조되는 폴리올레핀은 분자량 분포(Mw/Mn)가 3 내지 25, 바람직하게는 3 내지 15, 보다 바람직하게는 3.5 내지 10일 수 있다. 또한, 상기 제조방법을 통해 제조되는 폴리올레핀의 중량평균 분자량(Mw)은 10,000 이상, 바람직하게는 10,000 내지 1,000,000, 보다 바람직하게는 50,000 내지 1,000,000, 가장 바람직하게는 100,000 내지 800,000일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 공중합체의 제조방법은 전술한 단계 이외에도, 상기 단계의 이전 또는 이후에 당업계에서 통상적으로 수행될 수 있는 단계를 더욱 포함하여 수행될 수 있으며, 상술한 단계들에 의해 본 발명의 제조방법이 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들을 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
하기 ⅰ) 전구체 화합물의 합성 및 ii) 전이금속 화합물의 합성 과정은 하기 반응식 2 및 반응식 3에 따라, 질소 또는 아르곤 등의 비활성 분위기 하에서 진행되었고, 표준 쉴렌크(Standard Schlenk) 기술과 글러브 박스(Glove Box) 기술이 이용되었다.
하기 반응식 2에서 각 화합물은 치환기의 종류를 달리하는 것으로서, 각 치환기의 종류는 해당 화합물의 하단에 표로 정리하였다(예를 들면, 하기 화합물 D-2는 Ra의 위치가 수소, Rb 및 Rc의 위치가 메틸기로 치환된 화합물을 의미한다.).
또한, 하기 반응식 2에서, 화합물 C(C-1, C-2 및 C-3)는 공지된 방법을 참고하여 합성하였다(J. Organomet. Chem., 2005, 690, 4213).
[반응식 2]
ⅰ) 전구체 화합물의 합성
(
실시예
ⅰ-1: 전구체 화합물 D-1의 합성)
1,2,3,4-테트라히드로퀴놀린(1.00 g, 7.51 mmol)과 디에틸에테르(16 mL) 용액이 들어 있는 쉴렝크 플라스크를 -78 ℃ 저온조에 담궈 온도를 낮춘 후, 교반하에 n-뷰틸리튬(3.0 mL, 7.5 mmol, 2.5 M 헥산 용액)을 질소 분위기 하에 천천히 주입하였다. -78 ℃에서 약 한 시간 교반한 후, 상온으로 천천히 온도를 올렸다. 연한 노란색의 고체가 침전되었고, 생성된 부탄가스는 버블러를 통해 제거하였다. 온도를 다시 -78 ℃로 낮춘 후 이산화탄소를 주입하였다. 이산화탄소를 주입하자마자 슬러리 상태의 용액이 투명한 균일한 용액이 되었다. -78 ℃에서 한 시간 교반한 후, -20 ℃로 온도를 천천히 올려주면서 여분의 이산화탄소를 버블러를 통해 제거하였다. 흰 색의 고체가 다시 침전되었다.
-20 ℃에서 테트라히드로퓨란 (0.60 g, 8.3 mmol)과 t-뷰틸리튬 (4.9 mL, 8.3 mmol, 1.7 M 펜탄 용액)을 차례로 질소 분위기 하에서 주입하고 약 두 시간 동안 교반하였다. 이어서 염화리튬과 상기 화합물 C-1(1.06 g, 6.38 mmol)이 녹아 있는 테트라히드로퓨란 용액(19 mL)을 질소 분위기 하에 주입하였다. -20 ℃에서 한 시간 교반한 후 상온으로 온도를 천천히 올렸다. 상온에서 한 시간 동안 교반한 후, 물(15 mL)을 주입하여 반응을 종결하였다. 용액을 분별 깔때기로 옮겨 유기층을 추출하였다. 추출한 유기층을 분별 깔때기에 다시 넣은 후, 추가로 염산(2 N, 40 mL)을 넣었다. 약 2분간 흔들어준 후, 탄산수소나트륨 수용액(60 mL)을 천천히 넣어 중화하였다. 유기층을 취하여 무수 황산마그네슘으로 습기를 제거한 후 용매를 제거하여 점액성의 물질을 얻었다. 헥산과 에틸아세테이트의 혼합 용매(v/v, 50:1)을 이용하여 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피 방법으로 화합물을 정제하여 77.2 mg의 화합물을 얻었다(수율 43 %).
1H NMR분석 결과 두 개의 시그널 세트가 1:1로 관찰되었고 이는 페닐렌과 사이클로펜타디엔을 엮어 주는 탄소-탄소 결합(상기 반응식 2의 굵게 마크한 결합)에 대한 회전이 용이하지 않음에 기인한다. 하기 13C NMR 데이터에서 괄호 안의 값은 상기 회전이 용이하지 않음에 의하여 갈라진 시그널의 케미컬 쉬프트 값이다.
1H NMR(C6D6) : δ 7.22 and 7.17 (br d, J = 7.2Hz, 1H), 6.88 (s, 2H), 6.93 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.73 (br t, J = 7.2Hz, 1H), 3.84 and 3.80 (s, 1H, NH), 3.09 and 2.98 (q, J = 8.0Hz, 1H, CHMe), 2.90 - 2.75 (br, 2H, CH2), 2.65 - 2.55 (br, 2H, CH2), 1.87 (s, 3H, CH3), 1.70 - 1.50 (m, 2H, CH2), 1.16 (d, J = 8.0Hz, 3H, CH3) ppm.
13C NMR(C6D6) : 151.64 (151.60), 147.74 (147.61), 146.68, 143.06, 132.60, 132.30, 129.85, 125.02, 121.85, 121.72, 119.74, 116.87, 45.86, 42.54, 28.39, 22.89, 16.32, 14.21 ppm.
(
실시예
ⅰ-2: 전구체 화합물 D-2의 합성)
상기 화합물 C-1 대신 화합물 C-2를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 i-1과 동일한 조건 및 방법으로 전구체 화합물 D-2를 합성하였다(수율 53 %).
1H NMR 분석 결과 두 개의 시그널 세트가 1:1로 관찰되었고, 이는 페닐렌과 사이클로펜타디엔을 엮어 주는 탄소-탄소 결합(반응식 2의 굵게 마크한 결합)에 대한 회전이 용이하지 않음에 기인한다.
1H NMR(C6D6) : δ 7.23 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.93 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.74 (br t, J = 7.2Hz, 1H), 4.00 and 3.93 (s, 1H, NH), 3.05 (br q, J = 8.0Hz, 1H, CHMe), 3.00 - 2.80 (br, 2H, CH2), 2.70 - 2.50 (br, 2H, CH2), 2.16 (s, 3H, CH3), 2.04 (br s, 3H, CH3), 1.91 (s, 3H, CH3), 1.75 - 1.50 (m, 2H, CH2), 1.21 (d, J = 8.0Hz, 3H, CH3) ppm.
13C NMR(C6D6) : 151.60 (151.43), 145.56 (145.36), 143.08, 141.43, 132.90, 132.68, 132.43, 129.70, 121.63, 120.01, 116.77, 46.13, 42.58, 28.42, 22.97, 15.06, 14.19, 14.08, 12.70 ppm.
(
실시예
ⅰ-3: 전구체 화합물 D-3의 합성)
1,2,3,4-테트라히드로퀴놀린 대신 Tetrahydroquinaline을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 i-1과 동일한 조건 및 방법으로 전구체 화합물 D-3을 합성하였다(수율 63 %).
1H NMR 분석 결과 어떤 시그널의 경우 1:1:1:1비의 4개의 시그널로 분리되어 관찰되었고, 이는 페닐렌과 사이클로펜타디엔을 엮어 주는 탄소-탄소 결합(상기 반응식 2의 굵게 마크한 결합)에 대한 회전이 용이하지 않음과 두 개의 카이랄 센터의 존재로 인한 아이조머리즘에 기인한다.
1H NMR(C6D6) : δ 7.33, 7.29, 7.22, and 7.17 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.97 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.88 (s, 2H), 6.80 - 6.70 (m, 1H), 3.93 and 3.86 (s, 1H, NH), 3.20 - 2.90 (m, 2H, NCHMe, CHMe), 2.90 - 2.50 (m, 2H, CH2), 1.91, 1.89, and 1.86 (s, 3H, CH3), 1.67 - 1.50 (m, 1H, CH2), 1.50 - 1.33 (m, 1H, CH2), 1.18, 1.16, and 1.14 (s, 3H, CH3), 0.86, 0.85, and 0.80 (d, J = 8.0Hz, 3H, CH3) ppm.
13C NMR(C6D6) : 151.67, 147.68 (147.56, 147.38), 147.06 (146.83, 146.28, 146.10), 143.01 (142.88), 132.99 (132.59), 132.36 (131.92), 129.69, 125.26 (125.08, 124.92, 124.83), 122.03, 121.69 (121.60, 121.28), 119.74 (119.68, 119.46), 117.13 (117.07, 116.79, 116.72), 47.90 (47.73), 46.04 (45.85), 31.00 (30.92, 30.50), 28.00 (27.83, 27.64), 23.25 (23.00), 16.38 (16.30), 14.63 (14.52, 14.18) ppm.
(
실시예
ⅰ-4: 전구체 화합물 D-4의 합성)
1,2,3,4-테트라히드로퀴놀린 대신 tetrahydroquinaline을 사용하고, 상기 화합물 C-1 대신 화합물 C-2를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 i-1과 동일한 조건 및 방법으로 전구체 화합물 D-4를 합성하였다(수율 63 %)
1H NMR 분석 결과 어떤 시그널의 경우 1:1:1:1비의 4개의 시그널로 분리되어 관찰되었고, 이는 페닐렌과 사이클로펜타디엔을 엮어주는 탄소-탄소 결합(상기 반응식 2의 굵게 마크한 결합)에 대한 회전이 용이하지 않음과 두 개의 카이랄 센터의 존재로 인한 아이조머리즘에 기인한다.
1H NMR(C6D6) : δ 7.32, 7.30, 7.22, and 7.19 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.97 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.85 - 6.65 (m, 1H), 4.10 - 3.90 (s, 1H, NH), 3.30 - 2.85 (m, 2H, NCHMe, CHMe), 2.85 - 2.50 (m, 2H, CH2), 2.15 (s, 3H, CH3), 2.02 (s, 3H, CH3), 1.94, 1.92, and 1.91 (s, 3H, CH3), 1.65 - 1.50 (m, 1H, CH2), 1.50 - 1.33 (m, 1H, CH2), 1.22, 1.21, 1.20, and 1.19 (s, 3H, CH3), 1.10 - 0.75 (m, 3H, CH3) ppm.
13C NMR(C6D6) : 151.67 (151.57), 145.58 (145.33, 145.20), 143.10 (143.00, 142.89), 141.62 (141.12), 134.08 (133.04), 132.84 (132.70, 136.60), 132.50 (132.08), 129.54, 121.52 (121.16), 119.96 (119.71), 117.04 (116.71), 47.90 (47.78), 46.29 (46.10), 31.05 (30.53), 28.02 (28.67), 23.37 (23.07), 15.22 (15.04), 14.87 (14.02, 14.21), 12.72 (12.67) ppm.
(
실시예
ⅰ-5: 전구체 화합물 D-5의 합성)
1,2,3,4-테트라히드로퀴놀린 대신 tetrahydroquinaline을 사용하고, 상기 화합물 C-1 대신 화합물 C-3을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 i-1과 동일한 조건 및 방법으로 전구체 화합물 D-5를 합성하였다(수율 48 %).
1H NMR 분석 결과 어떤 시그널의 경우 1:1:1:1비의 4개의 시그널로 분리되어 관찰되었고, 이는 페닐렌과 사이클로펜타디엔을 엮어주는 탄소-탄소 결합(상기 반응식 2의 굵게 마크한 결합)에 대한 회전이 용이하지 않음과 두 개의 카이랄 센터의 존재로 인한 아이조머리즘에 기인한다.
1H NMR(C6D6) : δ 7.32, 7.29, 7.22 and 7.18 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 6.96(d, J = 7.2 Hz, 1H), 6.84-6.68 (m, 1H), 6.60 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 4.00-3.92(s, 1H, NH), 3.30-2.90 (m, 2H, NCHMe, CHMe), 2.90-2.55 (m, 2H, CH2), 2.27 (s, 3H, CH3), 1.94, 1.91 and 1.89 (s, 3H, CH3), 1.65-1.54 (m, 1H, CH2), 1.54-1.38(m, 1H, CH2), 1.23, 1.22, and 1.20 (s, 3H, CH3), 1.00-0.75 (m, 3H, CH3) ppm.
13C NMR(C6D6) : 151.51, 145.80, 145.64, 145.45, 144.40, 144.22, 143.76, 143.03, 142.91, 139.78, 139.69, 139.52, 133.12, 132.74, 132.52, 132.11, 129.59, 121.52, 121.19, 120.75, 120.47, 119.87, 119.69, 116.99, 116.76, 47.90, 47.77, 46.43, 46.23, 32.55, 30.98, 30.51, 27.95, 27.67, 23.67, 23.31, 23.06, 16.52, 15.01, 14.44, 14.05 ppm.
ii
) 전이금속 화합물의 합성
(
실시예
ii
-1: 전이금속 화합물 E-1의 합성)
드라이 박스 안에서 상기 실시예 i-1에서 합성한 화합물 D-1(0.10 g, 0.36 mmol)과 디에틸에테르를 둥근바닥 플라스크에 넣은 후, -30 ℃로 온도를 낮추었다. 플라스크를 교반하면서 n-뷰틸리튬(2.5 M 헥산 용액, 0.2 g, 0.71 mmol)을 천천히 주입하고 -30 ℃온도에서 두 시간 반응시켰다. 온도를 상온으로 올리면서 세 시간 더 교반하며 반응시켰다. 다시 -30 ℃ 온도로 낮춘 후, 메틸리튬(1.6 M 디에틸에테르 용액, 0.33 g, 0.71 mmol)을 주입하고, 연이어 TiCl4·DME (DME; 다이메톡시에탄, 0.10 g, 0.36 mmol)를 넣었다. 온도를 상온으로 올리면서 세 시간 교반한 후에 진공라인을 이용하여 용매를 제거하였다. 펜탄을 이용하여 화합물을 추출했다. 용매를 제거하여 갈색 분말의 화합물 0.085 g을 얻었다(수율 60 %).
1H NMR (C6D6) : δ 7.09 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.91 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.81 (t, J = 7.2Hz, 1H), 6.74 (s, 2H), 4.55 (dt, J = 14, 5.2Hz, 1H, NCH2), 4.38 (dt, J = 14, 5.2Hz, 1H, NCH2), 2.50 - 2.30 (m, 2H, CH2), 2.20 (s, 3H), 1.68 (s, 3H), 1.68 (quintet, J = 5.2Hz, CH2), 0.72 (s, 3H, TiMe), 0.38 (s, 3H, TiMe) ppm.
13C{1H} NMR (C6D6): 161.46, 142.43, 140.10, 133.03, 130.41, 129.78, 127.57, 127.34, 121.37, 120.54, 120.51, 120.34, 112.52, 58.50, 53.73, 49.11, 27.59, 23.27, 13.19, 13.14 ppm.
(
실시예
ii
-2: 전이금속 화합물 E-2의 합성)
상기 화합물 D-1 대신 화합물 D-2를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 ii-1과 동일한 조건 및 방법으로 전이금속 화합물 E-2를 합성하였다(수율 53 %).
1H NMR (C6D6): δ 7.10 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.91 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.81 (t, J = 7.2Hz, 1H), 4.58 (dt, J = 14, 5.2Hz, 1H, NCH2), 4.42 (dt, J = 14, 5.2Hz, 1H, NCH2), 2.50 - 2.38 (m, 2H, CH2), 2.32 (s, 3H), 2.11 (s, 3H), 2.00 (s, 3H), 1.71 (s, 3H), 1.67 (quintet, J = 5.2Hz, CH2), 0.72 (s, 3H, TiMe), 0.38 (s, 3H, TiMe) ppm.
13C{1H} NMR (C6D6): 161.58, 141.36, 138.41, 137.20, 132.96, 129.70, 127.53, 127.39, 126.87, 121.48, 120.37, 120.30, 113.23, 56.50, 53.13, 49.03, 27.64, 23.34, 14.21, 13.40, 12.99, 12.94 ppm. Anal. Calc. (C22H27NSTi): C, 68.56; H, 7.06; N, 3.63. Found: C, 68.35 H, 7.37 N, 3.34%.
(
실시예
ii
-3: 전이금속 화합물 E-3의 합성)
상기 화합물 D-1 대신 화합물 D-3을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 ii-1과 동일한 조건 및 방법으로 전이금속 화합물 E-3을 합성하였다(수율 51 %). 티오펜 고리의 방향과 테트라하이드로퀴놀린에 붙은 메틸기의 방향에 의한 1:1 비율의 혼합물로 얻어졌다.
1H NMR (C6D6) : δ 7.11 and 7.08 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.96 and 6.95 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.82 and 6.81 (t, J = 7.2Hz, 1H), 6.77 and 6.76 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.74 and 6.73 (d, J = 7.2Hz, 1H), 5.42 (m, 1H, NCH), 2.75 - 2.60 (m, 1H, CH2), 2.45 - 2.25 (m, 1H, CH2), 2.24 and 2.18 (s, 3H), 1.73 and 1.63 (s, 3H), 1.85 - 1.50 (m, 2H, CH2), 1.17 and 1.15 (d, J = 4.8Hz, 3H), 0.76 and 0.70 (s, 3H, TiMe), 0.42 and 0.32 (s, 3H, TiMe) ppm.
13C{1H} NMR (C6D6): 159.58, 159.28, 141.88, 141.00, 139.63, 138.98, 134.45, 130.85, 130.50, 129.59, 129.50, 129.47, 127.23, 127.20, 127.17, 127.11, 120.77, 120.70, 120.40, 120.00, 119.96, 119.91, 118.76, 118.57, 113.90, 110.48, 59.61, 56.42, 55.75, 51.96, 50.11, 49.98, 27.41, 27.11, 21.89, 20.09, 19.67, 12.94, 12.91, 12.65 ppm.
(
실시예
ii
-4: 전이금속 화합물 E-4의 합성)
상기 화합물 D-1 대신 화합물 D-4를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 ii-1과 동일한 조건 및 방법으로 전이금속 화합물 E-4를 합성하였다(수율 57 %). 티오펜 고리의 방향과 테트라하이드로퀴놀린에 붙은 메틸기의 방향에 의한 1:1 비율의 혼합물로 얻어졌다.
1H NMR (C6D6) : δ 7.12 and 7.10 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.96 and 6.94 (d, J = 7.2Hz, 1H), 6.82 and 6.81 (t, J = 7.2Hz, 1H), 5.45 (m, 1H, NCH), 2.75 - 2.60 (m, 1H, CH2), 2.45 - 2.20 (m, 1H, CH2), 2.34 and 2.30 (s, 3H), 2.10 (s, 3H), 1.97 (s, 3H), 1.75 and 1.66 (s, 3H), 1.85 - 1.50 (m, 2H, CH2), 1.20 (d, J = 6.8Hz, 3H), 0.76 and 0.72 (s, 3H, TiMe), 0.44 and 0.35 (s, 3H, TiMe) ppm.
13C{1H} NMR (C6D6): 160.13, 159.86, 141.33, 140.46, 138.39, 137.67, 136.74, 134.83, 131.48, 129.90, 129.78, 127.69, 127.65, 127.60, 127.45, 126.87, 126.81, 121.34, 121.23, 120.21, 120.15, 119.15, 118.93, 114.77, 111.60, 57.54, 55.55, 55.23, 51.73, 50.43, 50.36, 27.83, 27.67, 22.37, 22.31, 20.53, 20.26, 14.29, 13.51, 13.42, 13.06, 12.80 ppm.
(
실시예
ii
-5: 전이금속 화합물 E-5의 합성)
상기 화합물 D-1 대신 화합물 D-5를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 ii-1과 동일한 조건 및 방법으로 전이금속 화합물 E-5를 합성하였다(수율 57 %). 티오펜 고리의 방향과 테트라하이드로퀴놀린에 붙은 메틸기의 방향에 의한 1:1 비율의 혼합물로 얻어졌다.
1H NMR (C6D6) : δ 7.12 and 7.09 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 6.96 and 6.94 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 6.82 and 6.80 (t, J = 7.2 Hz, 1H), 6.47 and 6.46 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 6.45 and 6.44 (d, J = 7.2 Hz, 1H), 5.44 (m, 1H, NCH), 2.76-2.60 (m, 1H, CH2), 2.44-2.18 (m, 1H, CH2), 2.28 and 2.22 (s, 3H), 2.09 (s, 3H), 1.74 and 1.65 (s, 3H), 1.88-1.48 (m, 2H, CH2), 1.20 and 1.18 (d, J = 7.2 Hz, 3H), 0.77 and 0.71(s, 3H, TiMe), 0.49 and 0.40 (s, 3H, TiMe) ppm.
13C{1H} NMR (C6D6): 159.83, 159.52, 145.93, 144.90, 140.78, 139.93, 139.21, 138.86, 135.26, 131.56, 129.69, 129.57, 127.50, 127.46, 127.38, 127.24, 121.29, 121.16, 120.05, 119.96, 118.90, 118.74, 117.99, 117.74, 113.87, 110.38, 57.91, 55.31, 54.87, 51.68, 50.27, 50.12, 34.77, 27.58, 27.27, 23.10, 22.05, 20.31, 19.90, 16.66, 14.70, 13.11, 12.98, 12.68 ppm.
(
실시예
ii
-6: 전이금속 화합물 E-6의 합성)
하기 반응식 3에 의하여 전이금속 화합물 E-6을 합성하였다.
[반응식 3]
메틸리튬(1.63 g, 3.55 mmol, 1.6 M 디에틸에테르 용액)을 -30 ℃에서 화합물 D-4(0.58 g, 1.79 mmol)가 녹아 있는 디에틸에테르 용액(10 mL)에 적가하였다. 용액을 밤샘 상온에서 교반한 후 -30 ℃로 온도를 낮춘 후 Ti(NMe2)2Cl2 (0.37 g, 1.79 mmol)을 한꺼번에 첨가하였다. 용액을 3시간 교반한 후 모든 용매를 진공 펌프를 이용하여 제거하였다. 생성된 고체를 톨루엔(8 mL) 에 녹인 후 Me2SiCl2(1.16 g, 8.96 mmol)를 가하였다. 용액을 80 ℃에서 3일간 교반한 후 용매를 진공 펌프를 이용하여 제거하였다. 빨간색 고체화합물이 얻어졌다 (0.59 g, 수율 75%). 1H NMR 스펙트럼에서 두 개의 입체화합물이 2:1로 존재함을 확인하였다.
1H NMR (C6D6): δ 7.10 (t, J = 4.4 Hz, 1H), 6.90 (d, J = 4.4 Hz, 2H), 5.27 and 5.22 (m, 1H, NCH), 2.54-2.38 (m, 1H, CH2), 2.20-2.08 (m, 1H, CH2), 2.36 and 2.35 (s, 3H), 2.05 and 2.03 (s, 3H), 1.94 and 1.93 (s, 3H), 1.89 and 1.84 (s, 3H), 1.72-1.58 (m, 2H, CH2), 1.36-1.28 (m, 2H, CH2), 1.17 and 1.14 (d, J = 6.4, 3H, CH3) ppm.
13C{1H} NMR (C6D6): 162.78, 147.91, 142.45, 142.03, 136.91, 131.12, 130.70, 130.10, 128.90, 127.17, 123.39, 121.33, 119.87, 54.18, 26.48, 21.74, 17.28, 14.46, 14.28, 13.80, 13.27 ppm.
iii
) 담지 촉매의 제조
(
실시예
iii
-1)
글로브 박스(Glove Box) 안에서, 실시예 ii-4에 따른 전이금속 화합물 E-4(0.015 g, 37.5 μmol)와 비스인데닐지르코늄 디클로라이드(Ind2ZrCl2, 0.015g, 37.5 μmol, 제조사: Strem)를 쉴렌크 플라스크(Schlenk Flask, 100ml)에 담아 글로브 박스 밖으로 꺼낸 다음, 10 ℃에서 메틸알루미녹산 약 5.1 ml(톨루엔 중 메틸알루미녹산 10 중량% 용액, Al 기준 7.5 mmol, 제조사: Albemarle)를 천천히 적가하였다. 그 후, 10 ℃에서 10 분 동안 교반한 다음, 25 ℃에서 60 분 동안 추가로 교반하였다.
이와 별도로, 글로브 박스 안에서 또 다른 쉴렌크 플라스크(100 ml)에 실리카(제조사: Grace, 제품명: XPO-2412, 0.5 g)를 담은 다음, 여기에 상기 전이금속 화합물 및 메틸알루미녹산을 포함하는 용액을 천천히 가하였다. 그 후, 0 ℃에서 약 1 시간 동안 교반하였고, 65 ℃로 승온시켜 다시 약 1 시간 동안 교반한 후, 25 ℃로 식혀 약 24 시간 동안 교반하였다.
이 후 얻어진 반응 결과물을 진공에서 건조시켜 자유 유동(Free Flowing)의 담지 촉매 0.8 g을 얻었다.
(
실시예
iii
-2)
실시예 iii-1에서 전이금속 화합물 E-4 대신에 실시예 ii-6에 따른 전이금속 화합물 E-6을 사용한 것을 제외하고, 실시예 iii-1과 동일한 조건 및 방법으로 담지 촉매 0.75g을 얻었다.
(
실시예
iii
-3)
다음과 같은 방법으로 전이금속 화합물 E-4와 비스인데닐지르코늄 디클로라이드가 각각 별도로 담지된 촉매를 제조하였다.
먼저, 실시예 iii-1에서 비스인데닐지르코늄 디클로라이드를 사용하지 않고, 전이금속 화합물 E-4(0.03 g, 75 μmol)를 사용한 것을 제외하고, 실시예 iii-1과 동일한 조건 및 방법으로 담지 촉매 0.77g을 얻었다.
이와 별도로, 실시예 iii-1에서 전이금속 화합물 E-4를 사용하지 않고, 비스인데닐지르코늄 디클로라이드(0.029 g, 75 μmol)를 사용한 것을 제외하고, 실시예 iii-1과 동일한 조건 및 방법으로 담지 촉매 0.82g을 얻었다.
(
비교예
iii
-1)
실시예 iii-1에서 비스인데닐지르코늄 디클로라이드를 사용하지 않고, 전이금속 화합물 E-4(0.03 g, 75 μmol)를 사용한 것을 제외하고, 실시예 iii-1과 동일한 조건 및 방법으로 담지 촉매 0.77g을 얻었다.
(
비교예
iii
-2)
실시예 iii-1에서 전이금속 화합물 E-4를 사용하지 않고, 비스인데닐지르코늄 디클로라이드(0.029 g, 75 μmol)를 사용한 것을 제외하고, 실시예 iii-1과 동일한 조건 및 방법으로 담지 촉매 0.82g을 얻었다.
iv
)
폴리올레핀의
제조
하기 모든 중합반응은 외부 공기와 완전히 차단된 고압 반응기(Autoclave) 내에서 수분이 제거된 중합용 용매, 전이금속 화합물, 조촉매 화합물 및 공중합용 모노머 등을 주입한 후, 일정한 에틸렌 압력을 유지하면서 진행되었다.
중합 후 생성된 중합체의 분자량과 분자량 분포는 GPC(Gel Permeation Chromatography, 장치명: PL-GPC220, 제조사: Agilent) 분석법으로 측정하였으며, 녹는점은 DSC(Differential Scanning Calorimetry, 장치명: Q200, 제조사: TA Instruments) 분석법으로 측정하였다. 측정된 각 중합체의 물성은 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
(
실시예
iv
-1:
비담지
촉매를 사용한 중합)
상온에서 고압 반응기(내부 용량: 2L, 스테인레스 스틸)의 내부를 질소로 치환한 후, 상기 반응기에 중합용 용매(n-Hexane) 1 L를 가한 다음, 메틸알루미녹산 약 10 ml(톨루엔 중 메틸알루미녹산 10 중량% 용액, Al 기준 15 mmol, 제조사: Albemarle)를 가하였다.
이어서, 상기 반응기에 실시예 ii-4에 따른 전이금속 화합물 E-4(3.75 μmol, 톨루엔 용매) 및 비스인데닐지르코늄 디클로라이드(3.75 μmol, 톨루엔 용매)를 각각 첨가하였다.
이후, 승온하여 70 ℃가 됐을 때 에틸렌 가스를 주입하고, 에틸렌 분압 6 bar를 유지하면서 30 분 동안 중합 반응을 실시하였다.
상기와 같이 중합반응을 진행한 후 온도를 상온으로 낮춘 다음, 여분의 에틸렌 가스를 배출시켰다. 이어서, 용매 속에 분산되어 있는 폴리에틸렌 파우더를 여과하여 얻은 후, 진공 오븐 내에서 80 ℃로 가열하면서 15 시간 이상 건조시켜 폴리에틸렌(112 g)을 얻었다.
(
실시예
iv
-2:
비담지
촉매를 사용한 중합)
실시예 iv-1에서 전이금속 화합물 E-4 대신 실시예 ii-6에 따른 전이금속 화합물 E-6을 사용한 것을 제외하고, 실시예 iv-1과 동일한 조건 및 방법으로 폴리에틸렌(95 g)을 얻었다.
(
실시예
iv
-3:
비담지
촉매를 사용한 중합)
실시예 iv-1에서 반응기에 중합용 용매(n-Hexane)를 주입한 후 1-옥텐(50 ml)을 더욱 주입한 것을 제외하고, 실시예 iv-1과 동일한 조건 및 방법으로 폴리에틸렌 공중합체(130 g)를 얻었다.
(
실시예
iv
-4:
비담지
촉매를 사용한 중합)
실시예 iv-2에서 반응기에 중합용 용매(n-Hexane)를 주입한 후 1-옥텐(50 ml)을 더욱 주입한 것을 제외하고, 실시예 iv-2와 동일한 조건 및 방법으로 폴리에틸렌 공중합체(110 g)를 얻었다.
(
비교예
iv
-1:
비담지
촉매를 사용한 중합)
실시예 iv-1에서 비스인데닐지르코늄 디클로라이드를 첨가하지 않고 전이금속 화합물 E-4를 7.5 μmol이 되도록 첨가한 것을 제외하고, 실시예 iv-1과 동일한 조건 및 방법으로 폴리에틸렌(110 g)을 얻었다.
(
비교예
iv
-2:
비담지
촉매를 사용한 중합)
실시예 iv-1에서 전이금속 화합물 E-4 를 첨가하지 않고 비스인데닐지르코늄 디클로라이드를 7.5 μmol이 되도록 첨가한 것을 제외하고, 실시예 iv-1과 동일한 조건 및 방법으로 폴리에틸렌(95 g)을 얻었다.
(
실시예
iv
-5: 담지 촉매를 사용한 중합)
상온에서 고압 반응기(내부 용량: 2L, 스테인레스 스틸)의 내부를 질소로 치환한 후, 상기 반응기에 중합용 용매(n-Hexane) 1 L를 가한 다음, 트리이소부틸알루미늄(triisobutylaluminum, 제조사: Aldrich) 2 mmol과 실시예 iii-1에 따른 담지 촉매 0.1 g을 순차적으로 가하였다.
이후, 승온하여 70 ℃가 됐을 때 에틸렌 가스를 주입하고, 에틸렌 분압 7 bar를 유지하면서 1 시간 동안 중합 반응을 실시하였다.
상기와 같이 중합반응을 진행한 후 온도를 상온으로 낮춘 다음, 여분의 에틸렌 가스를 배출시켰다. 이어서, 용매 속에 분산되어 있는 폴리에틸렌 파우더를 여과하여 얻은 후, 진공 오븐 내에서 80 ℃로 가열하면서 15 시간 이상 건조시켜 폴리에틸렌(120 g)을 얻었다.
(
실시예
iv
-6: 담지 촉매를 사용한 중합)
실시예 iv-5에서 실시예 iii-1에 따른 담지 촉매 대신 실시예 iii-2에 따른 담지 촉매를 사용한 것으로 제외하고, 실시예 iv-5와 동일한 조건 및 방법으로 폴리에틸렌(90 g)을 얻었다.
(
실시예
iv
-7: 담지 촉매를 사용한 중합)
실시예 iv-5에서 반응기에 중합용 용매(n-Hexane)를 주입한 후 1-헥센(10 ml)을 더욱 주입한 것을 제외하고, 실시예 iv-5와 동일한 조건 및 방법으로 폴리에틸렌 공중합체(80 g)를 얻었다.
(
실시예
iv
-8: 담지 촉매를 사용한 중합)
실시예 iv-6에서 반응기에 중합용 용매(n-Hexane)를 주입한 후 1-헥센(10 ml)을 더욱 주입한 것을 제외하고, 실시예 iv-6과 동일한 조건 및 방법으로 폴리에틸렌 공중합체(65 g)를 얻었다.
(
실시예
iv
-9: 담지 촉매를 사용한 중합)
실시예 iv-5에서 실시예 iii-1에 따른 담지 촉매 대신 실시예 iii-3에 따른 담지 촉매를 사용(전이금속 화합물 E-4가 담지된 촉매 0.05 g 및 비스인데닐지르코늄 디클로라이드가 담지된 촉매 0.05 g을 순차적으로 각각 첨가)한 것으로 제외하고, 실시예 iv-5와 동일한 조건 및 방법으로 폴리에틸렌(100 g)을 얻었다.
(
비교예
iv
-3: 담지 촉매를 사용한 중합)
실시예 iv-5에서 실시예 iii-1에 따른 담지 촉매 대신 비교예 iii-1에 따른 담지 촉매 0.1 g을 첨가한 것을 제외하고, 실시예 iv-5와 동일한 조건 및 방법으로 폴리에틸렌(90 g)을 얻었다.
(
비교예
iv
-4: 담지 촉매를 사용한 중합)
실시예 iv-5에서 실시예 iii-1에 따른 담지 촉매 대신 비교예 iii-2에 따른 담지 촉매 0.1 g을 첨가한 것을 제외하고, 실시예 iv-5와 동일한 조건 및 방법으로 폴리에틸렌(90 g)을 얻었다.
| 촉매 | 활성 (kg-PE)/ (mmol-Metal)(hour) |
분자량(Mw) (X103) |
분자량분포 (Mw/Mn) |
녹는점 (℃) |
|
| 실시예 iv-1 | (E-4) + (Ind2ZrCl2) |
29.9 | 445 | 4.21 | 134 |
| 실시예 iv-2 | (E-6) + (Ind2ZrCl2) |
25.3 | 421 | 3.83 | 133 |
| 실시예 iv-3 | (E-4) + (Ind2ZrCl2) |
34.7 | 310 | 4.64 | 78 |
| 실시예 iv-4 | (E-6) + (Ind2ZrCl2) |
29.3 | 290 | 4.03 | 86 |
| 비교예 iv-1 | (E-4) | 29.3 | 883 | 2.18 | 135 |
| 비교예 iv-2 | (Ind2ZrCl2) | 25.3 | 284 | 2.84 | 135 |
| 촉매 | 활성 (kg-PE)/ (mmol-Catalyst)(hour) |
분자량(Mw) (X103) |
분자량분포 (Mw/Mn) |
녹는점 (℃) |
|
| 실시예 iv-5 | 실시예 iii-1 | 1.2 | 426 | 7.85 | 135 |
| 실시예 iv-6 | 실시예 iii-2 | 0.9 | 386 | 7.24 | 134 |
| 실시예 iv-7 | 실시예 iii-1 | 0.8 | 280 | 8.35 | 128 |
| 실시예 iv-8 | 실시예 iii-1 | 0.7 | 265 | 7.51 | 130 |
| 실시예 iv-9 | 실시예 iii-3 | 1.0 | 410 | 6.57 | 135 |
| 비교예 iv-3 | 비교예 iii-1 | 0.9 | 3207 | 2.96 | 135 |
| 비교예 iv-4 | 비교예 iii-2 | 0.6 | 299 | 2.50 | 135 |
상기 표 1 및 표 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 비교예들에 따른 폴리올레핀은 모두 분자량 분포가 2 내지 3으로 한정되는 것에 비하여, 실시예들은 본 발명에 따른 촉매를 사용함에 따라 촉매의 활성에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 분자량이 크면서도 다양한 분자량 분포를 갖는 폴리올레핀을 제조할 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 올레핀간의 공중합을 통하여 녹는점을 변화시킴으로써, 다양한 물성의 폴리올레핀 제조 또한 가능한 것으로 나타났다.
Claims (15)
- 하기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물; 및
하기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물
을 포함하는 올레핀 중합용 촉매 조성물:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
M은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 하프늄(Hf)이고;
Q1 및 Q2는 각각 독립적으로 할로겐 또는 (C1-C4)알킬이고;
R1 내지 R13은 각각 독립적으로 수소 또는 (C1-C20)알킬이며, 이때 R3 및 R4 중 적어도 하나는 (C1-C20)알킬이다;
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
M은 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 하프늄(Hf)이고,
X는 (C1-C20)알킬기, (C1-C20)알킬실릴기, (C1-C20)실릴알킬기, (C3-C20)사이클로알킬기, (C6-C20)아릴기, (C6-C20)아릴(C1-C20)알킬기, (C1-C20)알킬(C6-C20)아릴기, (C6-C20)아릴실릴기, (C6-C20)실릴아릴기, (C1-C20)알콕시기, (C1-C20)알킬실록시기, (C6-C20)아릴옥시기, 할로겐기, 아민기 또는 테트라하이드로보레이트기이고,
n은 1~5의 정수이고,
Cp1과 Cp2는 각각 독립적으로 사이클로펜타디에닐 골격을 갖는 리간드로서, 사이클로펜타디에닐기(Cyclopentadienyl), 인데닐기(Indenyl), 또는 플루오레닐기(Fluorenyl)이고,
B는 상기 M에 직접 배위하지 않고 Cp1과 Cp2를 연결하는 다리로서, 디메틸실릴렌기(Dimethylsilylene), 디에틸실릴렌기(Diethylsilylene), 디페닐실릴렌기(Diphenylsilylene) 또는 에틸렌기(Ethylene)이고,
q는 0~4의 정수이다. - 제 1 항에 있어서,
상기 화학식 1에서 상기 Q1 및 Q2 는 각각 독립적으로 메틸 또는 염소이고;
상기 R1, R2, R3, R4 및 R5 는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸이고;
상기 R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12 및 R13 은 각각 수소인 올레핀 중합용 촉매 조성물. - 제 2 항에 있어서,
상기 R3 및 R4 중 적어도 하나는 메틸이고, 상기 R5는 메틸인 올레핀 중합용 촉매 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 화학식 2에서 상기 X는 메틸기(Methyl), 에틸기(Ethyl), 메톡시기(Methoxy), 페녹시기(Phenoxy), 할로겐기, 디메틸아미노(Dimethylamino) 또는 디에틸아미노기(Dietnylamino)인 올레핀 중합용 촉매 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물에 대하여, 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물을 1:0.05~20의 몰비(전이금속 원자의 몰비 기준)로 포함하는 올레핀 중합용 촉매 조성물. - 제 1 항에 있어서,
하기 화학식 3, 화학식 4 및 화학식 5로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 조촉매 화합물을 더 포함하는 올레핀 중합용 촉매 조성물:
[화학식 3]
-[Al(R31)-O]a-
상기 화학식 3에서,
R31은 각각 독립적으로 할로겐 라디칼, (C1-C20)하이드로카르빌 라디칼 또는 할로겐으로 치환된 (C1-C20)하이드로카르빌 라디칼이며;
a는 2 이상의 정수이다;
[화학식 4]
D(R41)3
상기 화학식 4에서,
D는 알루미늄 또는 보론이며;
R41은 각각 독립적으로 할로겐 라디칼, (C1-C20)하이드로카르빌 라디칼 또는 할로겐으로 치환된 (C1-C20)하이드로카르빌 라디칼이고;
[화학식 5]
[L-H]+[Z(A)4]- 또는 [L]+[Z(A)4]-
상기 화학식 5에서,
L은 중성 또는 양이온성 루이스 산이며;
Z는 13족 원소이고;
A는 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 할로겐, (C1-C20)하이드로카르빌, (C1-C20)알콕시 또는 (C6-C20)아릴옥시 라디칼로 치환된 (C6-C20)아릴 또는 (C1-C20)알킬 라디칼이다. - 제 6 항에 있어서,
상기 화학식 3의 R31은 메틸, 에틸, n-부틸 또는 이소부틸이고;
상기 화학식 4의 D는 알루미늄이고 R41은 메틸 또는 이소부틸이고, 또는 D는 보론이고 R41은 펜타플루오로페닐이며;
상기 화학식 5에서 [L-H]+는 디메틸아닐리늄 양이온이고; [Z(A)4]-는 [B(C6F5)4]-이고; [L]+는 [(C6H5)3C]+인 올레핀 중합용 촉매 조성물. - 제 6 항에 있어서,
상기 조촉매 화합물의 함량은 상기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물에 함유된 전이금속 1몰에 대하여 조촉매 화합물에 함유된 금속의 몰비를 기준으로 1:1~100,000인 올레핀 중합용 촉매 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 촉매 조성물은 상기 화학식 1로 표시되는 전이금속 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 전이금속 화합물이 각각 또는 동시에 담지되는 담체를 더욱 포함하는 올레핀 중합용 촉매 조성물. - 제 9 항에 있어서,
상기 담체는 SiO2, Al2O3, MgO, MgCl2, CaCl2, ZrO2, TiO2, B2O3, CaO, ZnO, BaO, ThO2, SiO2-Al2O3, SiO2-MgO, SiO2-TiO2, SiO2-V2O5, SiO2-CrO2O3, SiO2-TiO2-MgO, 보오크사이트, 제올라이트, 전분(starch) 및 사이클로덱스트린(cyclodextrine)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 올레핀 중합용 촉매 조성물. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 촉매 조성물의 존재 하에서, 적어도 1 종의 올레핀계 단량체를 중합시키는 단계를 포함하는 폴리올레핀의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 올레핀계 단량체는 (C2-C20)알파-올레핀(α-Olefin), (C1-C20)디올레핀(Diolefin), (C3-C20)사이클로올레핀(Cyclo-olefin) 또는 (C3-C20)사이클로디올레핀(Cyclo-diolefin)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 폴리올레핀의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 중합 단계는 액상 중합, 기상 중합, 괴상 중합 또는 현탁 중합으로 수행되는 폴리올레핀의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 중합 단계는 -50 내지 500 ℃의 온도 및 1 내지 3000 기압의 압력 하에서 수행되는 폴리올레핀의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 폴리올레핀은 중량평균분자량(Mw)이 10,000 내지 1,000,000이고; 분자량 분포(Mw/Mn)가 3 내지 25인 폴리올레핀의 제조방법.
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