KR20160072826A - 메탈로센 담지 촉매 및 이를 이용하는 폴리올레핀의 제조 방법 - Google Patents

메탈로센 담지 촉매 및 이를 이용하는 폴리올레핀의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신규한 메탈로센 담지 촉매 및 이를 이용하는 폴리올레핀의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 메탈로센 담지 촉매는 메탈로센 화합물을 담체에 담지 시에도 높은 중합 활성을 나타내어, 활성이 우수하고, 고분자량의 폴리올레핀을 제조할 수 있다.

Description

메탈로센 담지 촉매 및 이를 이용하는 폴리올레핀의 제조 방법 {METALLOCENE SUPPORTED CATALYST AND METHOD FOR PREPARING POLYOLEFIN USING THE SAME}
본 발명은 신규한 메탈로센 담지 촉매 및 이를 이용하는 폴리올레핀의 제조 방법에 관한 것이다.
올레핀 중합 촉매계는 지글러 나타 및 메탈로센 촉매계로 분류할 수 있으며, 이 두 가지의 고활성 촉매계는 각각의 특징에 맞게 발전되어 왔다. 지글러 나타 촉매는 50년대 발명된 이래 기존의 상업 프로세스에 널리 적용되어 왔으나, 활성점이 여러 개 혼재하는 다활성점 촉매(multi site catalyst)이기 때문에, 중합체의 분자량 분포가 넓은 것이 특징이며, 공단량체의 조성 분포가 균일하지 않아 원하는 물성 확보에 한계가 있다는 문제점이 있다.
한편, 메탈로센 촉매는 전이금속 화합물이 주성분인 주촉매와 알루미늄이 주성분인 유기 금속 화합물인 조촉매의 조합으로 이루어지며, 이와 같은 촉매는 균일계 착체 촉매로 단일 활성점 촉매(single site catalyst)이며, 단일 활성점 특성에 따라 분자량 분포가 좁으며, 공단량체의 조성 분포가 균일한 고분자가 얻어지며, 촉매의 리간드 구조 변형 및 중합 조건의 변경에 따라 고분자의 입체 규칙도, 공중합 특성, 분자량, 결정화도 등을 변화시킬 수 있는 특성을 가지고 있다.
미국 특허 제5,032,562호에는 두 개의 상이한 전이금속 촉매를 한 개의 담지 촉매 상에 지지시켜 중합 촉매를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 이는 고분자량을 생성하는 티타늄(Ti) 계열의 지글러-나타 촉매와 저분자량을 생성하는 지르코늄(Zr) 계열의 메탈로센 촉매를 하나의 지지체에 담지시켜 이정 분산(bimodal distribution) 고분자를 생성하는 방법으로써, 담지 과정이 복잡하고, 조촉매로 인해 중합체의 형상(morphology)이 나빠지는 단점이 있다.
미국 특허 제5,525,678호에는 메탈로센 화합물과 비메탈로센 화합물을 담체 위에 동시에 담지시켜 고분자량의 중합체와 저분자량의 중합체가 동시에 중합될 수 있는 올레핀 중합용 촉매계를 사용하는 방법을 기재하고 있다. 이는 메탈로센 화합물과 비메탈로센 화합물들을 각각 따로 담지시켜야 하고, 담지 반응을 위해 담체를 여러 가지 화합물로 전처리해야 하는 단점이 있다.
미국 특허 제5,914,289호에는 각각의 담체에 담지된 메탈로센 촉매를 이용하여 고분자의 분자량 및 분자량 분포를 제어하는 방법이 기재되어 있으나, 담지촉매 제조시 사용된 용매의 양 및 제조시간이 많이 소요되고, 사용되는 메탈로센 촉매를 담체에 각각 담지시켜야 하는 번거로움이 따랐다.
대한민국 특허 출원 제2003-12308호에는 담체에 이중핵 메탈로센 촉매와 단일핵 메탈로센 촉매를 활성화제와 함께 담지하여 반응기 내 촉매의 조합을 변화시키며 중합함으로써 분자량 분포를 제어하는 방안을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 방법은 각각의 촉매의 특성을 동시에 구현하기에 한계가 있으며, 또한 완성된 촉매의 담체 성분에서 메탈로센 촉매 부분이 유리되어 반응기에 파울링(fouling)을 유발하는 단점이 있다.
따라서, 상기한 단점들을 해결하기 위해서 간편하게 활성이 우수한 혼성 담지 메탈로센 촉매를 제조하여 원하는 물성의 폴리올레핀을 제조하는 방법에 대한 요구가 계속되고 있다.
상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 활성이 우수하고 고분자량의 폴리올레핀을 생성할 수 있는 메탈로센 담지 촉매, 이를 이용하는 폴리올레핀의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 폴리올레핀을 제공하고자 한다.
특히, 담체에 담지 시에도 높은 중합 활성을 나타내며 고분자량의 폴리올레핀을 중합할 수 있는 메탈로센 화합물, 이를 포함하는 담지 촉매, 이를 이용하는 폴리올레핀의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 폴리올레핀을 제공하고자 한다.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물; 조촉매 화합물; 및 담체를 포함하는 메탈로센 담지 촉매를 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
M은 4족 전이금속이고;
B는 탄소, 실리콘 또는 게르마늄이고;
Q1 및 Q2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C6 내지 C20의 아릴기, C7 내지 C20의 알킬아릴기, C7 내지 C20의 아릴알킬기, C1 내지 C20의 알콕시기, C2 내지 C20의 알콕시알킬기, C3 내지 C20의 헤테로시클로알킬기, 또는 C5 내지 C20의 헤테로아릴기이고;
X1 및 X2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐, C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C6 내지 C20의 아릴기, 니트로기, 아미도기, C1 내지 C20의 알킬실릴기, C1 내지 C20의 알콕시기, 또는 C1 내지 C20의 술폰네이트기이고;
C1 및 C2 중 하나는 하기 화학식 2a로 표시되고, 다른 하나는 하기 화학식 2b로 표시되며;
[화학식 2a]
Figure pat00002
[화학식 2b]
Figure pat00003
상기 화학식 2a에서,
R1 내지 R9는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C1 내지 C20의 알콕시기, C1 내지 C20의 알킬실릴기, C1 내지 C20의 실릴알킬기, C6 내지 C20의 아릴기, C7 내지 C20의 알킬아릴기, 또는 C7 내지 C20의 아릴알킬기이고;
상기 화학식 2b에서,
R10 및 R12 내지 R15는 수소이고,
R11은 C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C1 내지 C20의 알킬실릴기, C1 내지 C20의 실릴알킬기, C1 내지 C20의 알콕시실릴기, C1 내지 C20의 에테르기, C1 내지 C20의 실릴에테르기, C1 내지 C20의 실릴옥시기, C1 내지 C20의 알콕시기, C2 내지 C20의 알콕시알킬기, C6 내지 C20의 아릴기, C7 내지 C20의 알킬아릴기, 또는 C7 내지 C20의 아릴알킬기이다.
또한, 본 발명은 상기 메탈로센 담지 촉매의 존재 하에서 올레핀계 단량체를 중합하는 단계를 포함하는 폴리올레핀의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제조 방법에 따라 제조된 폴리올레핀을 제공한다.
본 발명에 따른 메탈로센 담지 촉매는 폴리올레핀의 제조시 사용할 수 있고, 활성이 우수하며, 고분자량의 폴리올레핀을 제조할 수 있다.
특히, 본 발명의 메탈로센 촉매 화합물은 담체에 담지 시에도 높은 중합 활성을 나타내며 고분자량의 폴리올레핀을 중합할 수 있다.
또한, 촉매의 수명(life time)이 길어 반응기 내에 오랜 체류 시간에도 활성이 유지될 수 있다.
본 발명에서, 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 메탈로센 담지 촉매는 하기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물; 조촉매 화합물; 및 담체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
Figure pat00004
상기 화학식 1에서,
M은 4족 전이금속이고;
B는 탄소, 실리콘 또는 게르마늄이고;
Q1 및 Q2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C6 내지 C20의 아릴기, C7 내지 C20의 알킬아릴기, C7 내지 C20의 아릴알킬기, C1 내지 C20의 알콕시기, C2 내지 C20의 알콕시알킬기, C3 내지 C20의 헤테로시클로알킬기, 또는 C5 내지 C20의 헤테로아릴기이고;
X1 및 X2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐, C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C6 내지 C20의 아릴기, 니트로기, 아미도기, C1 내지 C20의 알킬실릴기, C1 내지 C20의 알콕시기, 또는 C1 내지 C20의 술폰네이트기이고;
C1 및 C2 중 하나는 하기 화학식 2a로 표시되고, 다른 하나는 하기 화학식 2b로 표시되며;
[화학식 2a]
Figure pat00005
[화학식 2b]
Figure pat00006
상기 화학식 2a에서,
R1 내지 R9는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C1 내지 C20의 알콕시기, C1 내지 C20의 알킬실릴기, C1 내지 C20의 실릴알킬기, C6 내지 C20의 아릴기, C7 내지 C20의 알킬아릴기, 또는 C7 내지 C20의 아릴알킬기이고;
상기 화학식 2b에서,
R10 및 R12 내지 R15는 수소이고,
R11은 C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C1 내지 C20의 알킬실릴기, C1 내지 C20의 실릴알킬기, C1 내지 C20의 알콕시실릴기, C1 내지 C20의 에테르기, C1 내지 C20의 실릴에테르기, C1 내지 C20의 실릴옥시기, C1 내지 C20의 알콕시기, C2 내지 C20의 알콕시알킬기, C6 내지 C20의 아릴기, C7 내지 C20의 알킬아릴기, 또는 C7 내지 C20의 아릴알킬기이다.
상기 메탈로센 화합물은 상기 화학식 1의 C1 및 C2 중 하나 이상에 특정의 치환기를 갖는 화학식 2a를 사용하고, 다른 하나에는 화학식 2b를 적용하여 이들 화학식 2a와 2b로 표시되는 치환기들의 조합에 의해, 고분자량의 폴리올레핀을 생성 가능할 뿐만 아니라 우수한 활성 및 중합성을 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 메탈로센 담지 촉매에 있어서, 상기 화학식 1의 메탈로센 화합물의 치환기들을 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
상기 C1 내지 C20의 알킬기로는 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기를 포함하고, 구체적으로 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, n-부틸기, tert-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 헵틸기, 옥틸기 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 C2 내지 C20의 알케닐기로는 직쇄 또는 분지쇄의 알케닐기를 포함하고, 구체적으로 알릴기, 에테닐기, 프로페닐기, 부테닐기, 펜테닐기 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 C6 내지 C20의 아릴기로는 단환 또는 축합환의 아릴기를 포함하고, 구체적으로 페닐기, 비페닐기, 나프틸기, 페난트레닐기, 플루오레닐기 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 C5 내지 C20의 헤테로아릴기로는 단환 또는 축합환의 헤테로아릴기를 포함하고, 카바졸릴기, 피리딜기, 퀴놀린기, 이소퀴놀린기, 티오페닐기, 퓨라닐기, 이미다졸기, 옥사졸릴기, 티아졸릴기, 트리아진기, 테트라하이드로피라닐기, 테트라하이드로퓨라닐기 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 C1 내지 C20의 알콕시기로는 메톡시기, 에톡시기, 페닐옥시기, 시클로헥실옥시기, tert-부톡시헥실기 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 4족 전이금속으로는 티타늄, 지르코늄, 하프늄 등을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 메탈로센 화합물에 있어서, 상기 화학식 2a의 R1 내지 R9는 각각 독립적으로 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, n-부틸기, tert-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 헵틸기, 옥틸기, 에틸렌기, 프로필렌기, 부테닐기, 페닐기, 벤질기, 나프틸기, 메톡시기, 에톡시기, 또는 tert-부톡시헥실기인 것이 바람직하나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 화학식 2b의 R11은 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, n-부틸기, tert-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 헵틸기, 옥틸기, 에틸렌기, 프로필렌기, 부테닐기, 페닐기, 벤질기, 나프틸기, 트리메틸실릴기, 트리에틸실릴기, 트리프로필실릴기, 트리부틸실릴기, 트리이소프로필실릴기, 트리메틸실릴메틸기, tert-부틸디메틸실릴에테르기, 메톡시기, 에톡시기, 또는 tert-부톡시헥실기인 것이 바람직하나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 메탈로센 화합물에 있어서, 상기 화학식 1의 Q1 및 Q2는 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, n-부틸기, tert-부틸기, 메톡시메틸기, tert-부톡시메틸기, tert-부톡시헥실기, 1-에톡시에틸기, 1-메틸-1-메톡시에틸기, 테트라하이드로피라닐기, 또는 테트라하이드로퓨라닐기인 것이 바람직하며, 메틸기, 또는 tert-부톡시헥실기인 것이 보다 바람직하나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 메탈로센 화합물에 있어서, 상기 화학식 1의 B는 실리콘인 것이 바람직하나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 화학식 1의 메탈로센 화합물은 인데노 인돌(indeno indole) 유도체와 인덴(indene) 유도체가 브릿지에 의해 비대칭적으로 가교된 구조를 형성하며, 리간드 구조에 루이스 염기로 작용할 수 있는 비공유 전자쌍을 가짐으로써 높은 중합 활성을 나타낸다. 또한 전자적으로 풍부한 인데노인돌 유도체는 질소 원자가 자라나는 고분자 사슬의 beta-hydrogen을 수소결합에 의해 안정화시켜 beta-hydrogen elimination을 억제하여 고분자량의 올레핀계 중합체를 중합할 수 있다. 또한 상대적으로 입체 장애가 적은 인덴 유도체를 포함함에 따라 높은 공중합 활성과 낮은 수소 반응성을 나타내어 중고분자량의 올레핀 중합체를 고활성으로 중합할 수 있다.
특히, 상기 화학식 1의 메탈로센 화합물은 화학식 2b의 인덴 유도체 화합물의 특정한 위치에 치환기(R11)를 갖는 구조로, 비치환된 인덴 화합물이나, 다른 위치가 치환된 인덴 화합물을 포함하는 메탈로센 화합물에 비하여, 활성이 우수한 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학식 2a로 표시되는 화합물의 구체적인 예로는 하기 구조식들 중 하나로 표시되는 화합물을 들 수 있으나, 본 발명이 이에만 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학식 2b로 표시되는 화합물의 구체적인 예로는 하기 구조식들 중 하나로 표시되는 화합물을 들 수 있으나, 본 발명이 이에만 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물의 구체적인 예로는 하기 구조식들 중 하나로 표시되는 화합물을 들 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
상기 메탈로센 화합물은 활성이 우수하고 중분자량 내지 고분자량의 올레핀계 중합체를 중합할 수 있다.
또한, 담체에 담지된 담지 촉매의 형태로 중합 반응을 진행하는 경우에도, 본 발명에 따른 메탈로센 화합물은 여전히 높은 활성으로 중·고분자량의 올레핀계 중합체의 중합이 가능하다. 따라서, 다른 특성을 갖는 촉매와 혼성으로 사용하는 경우에도 활성의 저하없이 고분자량의 특성을 만족시키는 올레핀계 중합체를 제조할 수 있어, 중고분자량의 올레핀계 중합체를 포함하면서 넓은 분자량 분포를 갖는 올레핀계 중합체를 용이하게 제조할 수 있다.
상기 화학식 1의 메탈로센 화합물은 인데노인돌 유도체와, 인덴 유도체를 브릿지 화합물로 연결하여 리간드 화합물로 제조한 다음, 금속 전구체 화합물을 투입하여 메탈레이션(metallation)을 수행함으로써 수득될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
보다 구체적으로 예를 들어, 먼저 인데노인돌 유도체를 n-BuLi와 같은 유기 리튬 화합물과 반응시켜 리튬염을 제조하고, 인데노인돌의 유기 리튬 염과 브릿지 화합물의 할로겐화 화합물을 혼합 반응한 후, 인덴 유도체를 n-BuLi와 같은 유기 리튬 화합물과 반응시켜 얻은 리튬염과 반응시켜 리간드 화합물을 제조한다. 상기 리간드 화합물 또는 이의 리튬염과 금속 전구체 화합물을 혼합하고 반응이 완결될 때까지 약 12시간 내지 약 24시간 전후로 반응시킨 후 반응물을 여과 및 감압 하에서 건조함으로써 상기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물을 수득할 수 있다.
상기 메탈로센 화합물의 제조 방법은 후술하는 실시예에 구체화하여 설명한다.
본 발명의 메탈로센 담지 촉매는 상기 메탈로센 화합물 이외에 하기 화학식 3, 화학식 4, 또는 화학식 5로 표시되는 조촉매 화합물 중 1종 이상을 추가로 포함한다.
[화학식 3]
-[Al(R16)-O]n-
상기 화학식 3에서,
R16은 서로 동일하거나 다를 수 있으며, 각각 독립적으로 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 탄화수소; 또는 할로겐으로 치환된 탄소수 1 내지 20의 탄화수소이고;
n은 2 이상의 정수이며;
[화학식 4]
J(R17)3
상기 화학식 4에서,
R17은 상기 화학식 3에서 정의된 바와 같고;
J는 알루미늄 또는 보론이며;
[화학식 5]
[E-H]+[ZA4]- 또는 [E]+[ZA4]-
상기 화학식 5에서,
E는 중성 또는 양이온성 루이스 산이고;
H는 수소 원자이며;
Z는 13족 원소이고;
A는 서로 동일하거나 다를 수 있으며, 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 탄화수소, 알콕시 또는 페녹시로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.
상기 화학식 3으로 표시되는 화합물의 예로는 메틸알루미녹산, 에틸알루미녹산, 이소부틸알루미녹산, 부틸알루미녹산 등이 있으며, 더욱 바람직한 화합물은 메틸알루미녹산이다.
상기 화학식 4로 표시되는 화합물의 예로는 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄, 트리프로필알루미늄, 트리부틸알루미늄, 디메틸클로로알루미늄, 트리이소프로필알루미늄, 트리-s-부틸알루미늄, 트리사이클로펜틸알루미늄, 트리펜틸알루미늄, 트리이소펜틸알루미늄, 트리헥실알루미늄, 트리옥틸알루미늄, 에틸디메틸알루미늄, 메틸디에틸알루미늄, 트리페닐알루미늄, 트리-p-톨릴알루미늄, 디메틸알루미늄메톡시드, 디메틸알루미늄에톡시드, 트리메틸보론, 트리에틸보론, 트리이소부틸보론, 트리프로필보론, 트리부틸보론 등이 포함되며, 더욱 바람직한 화합물은 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄 중에서 선택된다.
상기 화학식 5로 표시되는 화합물의 예로는 트리에틸암모니움테트라페닐보론, 트리부틸암모니움테트라페닐보론, 트리메틸암모니움테트라페닐보론, 트리프로필암모니움테트라페닐보론, 트리메틸암모니움테트라(p-톨릴)보론, 트리메틸암모니움테트라(o,p-디메틸페닐)보론, 트리부틸암모니움테트라(p-트리플로로메틸페닐)보론, 트리메틸암모니움테트라(p-트리플로로메틸페닐)보론, 트리부틸암모니움테트라펜타플로로페닐보론, N,N-디에틸아닐리니움테트라페닐보론, N,N-디에틸아닐리니움테트라펜타플로로페닐보론, 디에틸암모니움테트라펜타플로로페닐보론, 트리페닐포스포늄테트라페닐보론, 트리메틸포스포늄테트라페닐보론, 트리에틸암모니움테트라페닐알루미늄, 트리부틸암모니움테트라페닐알루미늄, 트리메틸암모니움테트라페닐알루미늄, 트리프로필암모니움테트라페닐알루미늄, 트리메틸암모니움테트라(p-톨릴)알루미늄, 트리프로필암모니움테트라(p-톨릴)알루미늄, 트리에틸암모니움테트라(o,p-디메틸페닐)알루미늄, 트리부틸암모니움테트라(p-트리플로로메틸페닐)알루미늄, 트리메틸암모니움테트라(p-트리플로로메틸페닐)알루미늄, 트리부틸암모니움테트라펜타플로로페닐알루미늄, N,N-디에틸아닐리니움테트라페닐알루미늄, N,N-디에틸아닐리니움테트라펜타플로로페닐알루미늄, 디에틸암모니움테트라펜타테트라페닐알루미늄, 트리페닐포스포늄테트라페닐알루미늄, 트리메틸포스포늄테트라페닐알루미늄, 트리프로필암모니움테트라(p-톨릴)보론, 트리에틸암모니움테트라(o,p-디메틸페닐)보론, 트리부틸암모니움테트라(p-트리플로로메틸페닐)보론, 트리페닐카보니움테트라(p-트리플로로메틸페닐)보론, 트리페닐카보니움테트라펜타플로로페닐보론 등이 있다.
바람직하게는 알룸옥산을 사용할 수 있으며, 더 바람직하게는 알킬알룸옥산인 메틸알룸옥산(MAO)이다.
본 발명에 따른 메탈로센 담지 촉매는, 첫 번째 방법으로서 1) 상기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물과 상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물을 접촉시켜 혼합물을 얻는 단계; 및 2) 상기 혼합물에 상기 화학식 5로 표시되는 화합물을 첨가하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메탈로센 담지 촉매는, 두 번째 방법으로서 상기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물과 상기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 접촉시키는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 담지 촉매의 제조 방법 중에서 첫 번째 방법의 경우에, 상기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물/상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물의 몰 비율은 1/5,000 내지 1/2 이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1/1,000 내지 1/10 이고, 가장 바람직하게는 1/500 내지 1/20 이다. 상기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물/상기 화학식 3 또는 화학식 4로 표시되는 화합물의 몰 비율이 1/2을 초과하는 경우에는 알킬화제의 양이 매우 작아 금속 화합물의 알킬화가 완전히 진행되지 못하는 문제가 있고, 몰 비율이 1/5,000 미만인 경우에는 금속 화합물의 알킬화는 이루어지지만, 남아있는 과량의 알킬화제와 상기 화학식 6의 활성화제 간의 부반응으로 인하여 알킬화된 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지 못하는 문제가 있다.
또한, 상기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물/상기 화학식 5로 표시되는 화합물의 몰 비율은 1/25 내지 1 이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1/10 내지 1 이고, 가장 바람직하게는 1/5 내지 1 이다. 상기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물/상기 화학식 5로 표시되는 화합물의 몰 비율이 1을 초과하는 경우에는 활성화제의 양이 상대적으로 적어 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지 못해 생성되는 담지 촉매의 활성도가 떨어지는 문제가 있고, 몰 비율이 1/25 미만인 경우에는 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지만, 남아 있는 과량의 활성화제로 담지 촉매의 단가가 경제적이지 못하거나 생성되는 고분자의 순도가 떨어지는 문제가 있다.
상기 담지 촉매의 제조 방법 중에서 두 번째 방법의 경우에, 상기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물/화학식 3으로 표시되는 화합물의 몰 비율은 1/10,000 내지 1/10 이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1/5,000 내지 1/100 이고, 가장 바람직하게는 1/3,000 내지 1/500 이다. 상기 몰 비율이 1/10을 초과하는 경우에는 활성화제의 양이 상대적으로 적어 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지 못해 생성되는 담지 촉매의 활성도가 떨어지는 문제가 있고, 1/10,000 미만인 경우에는 금속 화합물의 활성화가 완전히 이루어지지만, 남아 있는 과량의 활성화제로 담지 촉매의 단가가 경제적이지 못하거나 생성되는 고분자의 순도가 떨어지는 문제가 있다.
상기 담지 촉매의 제조시에 반응 용매로서 펜탄, 헥산, 헵탄 등과 같은 탄화수소계 용매, 또는 벤젠, 톨루엔 등과 같은 방향족계 용매가 사용될 수 있다.
또한, 상기 담지 촉매는 상기 메탈로센 화합물과 조촉매 화합물을 담체에 담지된 형태로 포함할 수 있다.
상기 메탈로센 화합물과 조촉매 화합물을 담체에 담지된 형태로 이용할 때, 담체 100 중량부에 대해, 상기 메탈로센 화합물은 약 0.5 내지 약 20 중량부, 조촉매는 약 1 내지 약 1,000 중량부로 포함될 수 있다. 바람직하게는 상기 담체 100 중량부에 대해, 상기 메탈로센 화합물은 약 1 내지 약 15 중량부, 조촉매는 약 10 내지 약 500 중량부로 포함될 수 있으며, 가장 바람직하게는 상기 담체 100 중량부에 대해, 상기 메탈로센 화합물은 약 1 내지 약 100 중량부, 조촉매는 약 40 내지 약 150 중량부로 포함될 수 있다.
본 발명의 메탈로센 담지 촉매에서, 상기 메탈로센 화합물에 포함되는 전체 전이금속 대 담체의 질량비는 1 : 10 내지 1 : 1,000 일 수 있다. 상기 질량비로 담체 및 메탈로센 화합물을 포함할 때, 최적의 형상을 나타낼 수 있다. 또한, 조촉매 화합물 대 담체의 질량비는 1 : 1 내지 1 : 100 일 수 있다. 상기 질량비로 조촉매 및 메탈로센 화합물을 포함할 때, 활성 및 고분자 미세구조를 최적화할 수 있다.
한편, 이 때 담체는 통상 담지 촉매에 사용되는 금속, 금속 염 또는 금속 산화물의 종류이면 그 구성의 한정이 없다. 구체적으로 실리카, 실리카-알루미나 및 실리카-마그네시아로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 담체를 포함한 형태일 수 있다. 상기 담체는 고온에서 건조될 수 있고, 이들은 통상적으로 Na2O, K2CO3, BaSO4 및 Mg(NO3)2 등과 같은 금속의 산화물, 탄산염, 황산염 또는 질산염 성분을 포함할 수 있다.
상기 담체 표면의 히드록시기(-OH)의 양은 가능하면 적을수록 좋으나 모든 히드록시기를 제거하는 것은 현실적으로 어렵다. 상기 히드록시기의 양은 담체의 제조 방법 및 제조조건 및 건조 조건(온도, 시간, 건조 방법 등) 등에 의해 조절할 수 있으며, 0.1 내지 10 mmol/g이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1 내지 1 mmol/g 이고, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.5 mmol/g 이다. 건조 후에 잔존하는 약간의 히드록시기에 의한 부반응을 줄이기 위해 담지에 참여하는 반응성이 큰 실록산기는 보존하면서 이 히드록시기를 화학적으로 제거한 담체를 이용할 수도 있다.
본 발명에 따른 메탈로센 담지 촉매는 그 자체로서 올레핀계 단량체의 중합에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 메탈로센 담지 촉매는 올레핀계 단량체와 접촉 반응되어 예비 중합된 촉매로 제조하여 사용할 수도 있으며, 예컨대 촉매를 별도로 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-헥센, 1-옥텐 등과 같은 올레핀계 단량체와 접촉시켜 예비 중합된 촉매로 제조하여 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 메탈로센 담지 촉매는, 예를 들어, 담체에 조촉매 화합물을 담지시키는 단계, 상기 담체에 상기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물을 담지시키는 단계로 제조될 수 있다. 이러한 각 담지 단계 사이에는 용매를 사용한 세척 단계가 추가 진행될 수 있다.
상기와 같은 메탈로센 담지 촉매의 제조시, 온도는 약 0 내지 약 100℃, 압력은 상압인 조건에서 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명은 상기 메탈로센 담지 촉매의 존재 하에 올레핀계 단량체를 중합하는 폴리올레핀의 제조 방법 및 상기 제조 방법으로부터 제조되는 폴리올레핀을 제공한다.
상기 올레핀계 단량체는 에틸렌, 알파-올레핀, 사이클릭 올레핀, 이중 결합을 2개 이상 가지고 있는 디엔 올레핀 또는 트리엔 올레핀일 수 있다.
상기 올레핀계 단량체의 구체적인 예로서, 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-데센, 1-운데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 1-에이코센, 노보넨, 노보나디엔, 에틸리덴노보넨, 페닐노보넨, 비닐노보넨, 디사이클로펜타디엔, 1,4-부타디엔, 1,5-펜타디엔, 1,6-헥사디엔, 스티렌, 알파-메틸스티렌, 디비닐벤젠, 3-클로로메틸스티렌 등을 들 수 있으며, 이들 단량체를 2종 이상 혼합하여 공중합할 수도 있다.
상기 중합 반응은 하나의 연속식 슬러리 중합 반응기, 루프 슬러리 반응기, 기상 반응기 또는 용액 반응기 등을 이용하여, 하나의 올레핀 단량체로 호모중합하거나 또는 2종 이상의 단량체로 공중합하여 진행할 수 있다.
상기 메탈로센 담지 촉매는 탄소수 5 내지 12의 지방족 탄화수소 용매, 예를 들면 펜탄, 헥산, 헵탄, 노난, 데칸, 및 이들의 이성질체와 톨루엔, 벤젠과 같은 방향족 탄화수소 용매, 디클로로메탄, 클로로벤젠과 같은 염소원자로 치환된 탄화수소 용매 등에 용해하거나 희석하여 주입할 수 있다. 여기에 사용되는 용매는 소량의 알킬 알루미늄 처리함으로써 촉매 독으로 작용하는 소량의 물 또는 공기 등을 제거하여 사용하는 것이 바람직하며, 조촉매를 더 사용하여 실시하는 것도 가능하다.
상기 올레핀계 단량체의 중합은 약 25 내지 약 500℃의 온도 및 약 1 내지 약 100 kgf/cm2에서 약 1 내지 약 24시간 동안 반응시켜 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 올레핀계 단량체의 중합은 약 25 내지 약 500℃, 바람직하게는 약 25 내지 약 200℃, 보다 바람직하게는 약 50 내지 약 100℃의 온도에서 수행할 수 있다. 또한 반응 압력은 약 1 내지 약 100 kgf/cm2, 바람직하게는 약 1 내지 약 50 kgf/cm2, 보다 바람직하게는 약 5 내지 약 40 kgf/cm2에서 수행할 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 폴리올레핀에 있어서, 상기 올레핀계 단량체의 구체적인 예로는 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-옥텐, 1-데센, 1-운데센, 1-도데센, 1-테트라데센, 1-헥사데센, 1-에이코센 등이 있으며, 이들을 2종 이상 혼합하여 공중합한 공중합체일 수 있다.
상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌 중합체일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀이 에틸렌/알파올레핀 공중합체인 경우에 있어서, 상기 공단량체인 알파올레핀의 함량은 특별히 제한되는 것은 아니며, 폴리올레핀의 용도, 목적 등에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 보다 구체적으로는 0 초과 99 몰% 이하일 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 메탈로센 담지 촉매를 이용하여 제조된 폴리올레핀은 높은 분자량을 나타낼 수 있다. 상기 메탈로센 화합물이 담체에 담지된 형태의 담지 촉매를 이용하여 폴리올레핀을 제조할 경우, 중량 평균 분자량이 약 200,000 g/mol 이상, 예를 들어 약 200,000 내지 약 900,000 g/mol, 또는 약 400,000 내지 약 900,000 g/mol의 고분자량의 폴리올레핀을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 메탈로센 담지 촉매는 우수한 활성을 나타내며, 본 발명의 메탈로센 담지 촉매를 이용하여 제조된 폴리올레핀은 약 2.0 내지 약 5.0, 또는 약 2.0 내지 약 4.0, 또는 2.0 내지 약 3.0의 넓은 분자량 분포(PDI)를 보여 우수한 가공성을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리올레핀의 밀도는 약 0.85 내지 약 0.96 g/cm3 일 수 있고, 바람직하게는, 약 0.90 내지 약 0.95 g/cm3 일 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 >
<메탈로센 화합물의 제조 실시예>
제조예 1
Figure pat00020
1-1 리간드 화합물의 제조
건조된 250 mL schlenk flask에 1.73 g (10 mmol)의 Indenoindole을 넣고 감압 하에서 40 mL의 에테르(ether)를 주입하였다. 에테르 용액을 0℃까지 냉각한 후 flask 내부를 아르곤(argon)으로 치환하고 4.8 mL (12 mmol)의 2.5 M nBuLi hexane solution을 천천히 적가하였다. 반응 혼합물은 천천히 상온으로 올린 후 다음날까지 교반하였다. 다른 250 mL schlenk flask에 에테르 20 mL를 채운 후 3.6 mL (30 mmol)의 dichlorodimethylsilane을 주입하였다. 이 flask를 -78℃까지 냉각한 뒤, 여기에 Indenoindole의 lithiated solution을 cannula를 통해 주입하였다. 주입이 끝난 혼합물은 상온으로 천천히 올린 후 약 5시간 동안 교반시킨 후, 진공 감압 하에서 용매로 사용된 에테르와 남아있는 과량의 dichlorodimethylsilane을 제거하였다. 이를 NMR로 확인하여 약 95% 이상 순도의 10-(chlorodimethylsilyl)-5,8-dimethyl-5,10-dihydroindeno[1,2-b]indole를 얻었다.
Indenoindole part의 합성이 확인된 후, 건조된 100 mL schlenk flask에 1.72 g (10 mmol)의 buthylindene을 주입하고 40 mL의 에테르에 용해시켰다. 이후 -78℃에서 4.8 ml (12 mmol)의 2.5 M nBuLi hexane solution을 천천히 적가하고 하루 동안 교반하였다. 앞서 합성한 fluorene part를 40 mL의 에테르에 녹인 후, -78℃에서 buthylindene의 lithiated solution을 적가하였다. 약 20시간 후, flask 내에 50 mL의 물을 넣어 퀀칭(quenching)하고 유기층을 분리하여 MgSO4로 건조하였다. Filtration을 통해 얻어진 혼합물은 진공 감압 조건에서 용매를 증발시켰다. 그 결과, 4.7 g (10.2 mmol, 102%)의 갈색 오일을 얻었다.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): 0.03 (3H, d), 0.23 (3H, d), 1.67 (2H, m), 2.90 (3H, d), 3.13 (2H, m), 4.12 (1H, s), 4.47 (1H, s), 4.54 (3H, d), 5.47 (1H, m), 5.57 (1H, m), 6.49 (1H, m), 6.50, 6.73 (1H, d), 7.65 (2H, m), 7.67 ~ 8.03 (6H, m), 8.23 (2H, m)
1-2 메탈로센 화합물의 제조
오븐에 건조한 250 mL schlenk flask에 리간드를 넣고 에테르에 녹인 다음, 2.5당량의 nBuLi solution을 가해 다음날까지 lithiation을 시켰다. 글러브 박스(Glove box) 내에서 1당량의 ZrCl4(THF)2를 취해 250 ml schlenk flask에 담고 에테르 또는 톨루엔을 넣은 suspension을 준비하였다. 위 두 개의 flask 모두 -78℃까지 냉각시킨 후 ligand anion을 천천히 Zr suspension에 가하였다. 주입이 끝난 후, 반응 혼합물은 천천히 상온까지 올렸다. 이 과정에서 메탈레이션(metallation)이 성공적으로 진행되고 있는 경우, 촉매 전구체 특유의 색인 자주색이 나타나는 것이 확인되었다. 이를 하룻동안 교반한 후, 혼합물 내의 톨루엔 또는 에테르를 약 1/5 volume까지 진공 감압을 통해 제거하고 남아있는 용매의 5배 정도 volume의 헥산을 가하였다. 이때 헥산을 가하는 이유는 합성된 촉매 전구체가 헥산에 대한 용해도가 떨어지기 때문에 결정화를 촉진시키기 위해서이다. 이 hexane slurry를 아르곤 하에서 필터하고 여과 후 필터된 고체와 여과액을 모두 진공 감압하에서 증발시켰다. 위에 남은 filter cake을 글러브 박스 내에서 계량하고 샘플링하여 합성 여부와 수율, 순도를 확인하였다. 메탈레이션의 용매로는 에테르를 사용하였으며 4.7 g (10.2 mmol)의 리간드로부터 2.4 g (73.5%)의 자주색 고체가 얻어졌다.
NMR 기준 purity (wt%) = 73.5%. Mw = 621.83.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): 0.72 (3H, m), 0.82 (2H, m), 1.19 (2H, m), 1.23, 1.35 (3H, s), 1.49, 1.57 (3H, s), 2.54 (3H, s), 3.52, 3.84 (2H, m), 3.95, 4.16 (3H, s), 5.62 (1H, s), 7.02 (2H, m), 7.22 ~ 7.61 (8H, m), 7.82 (2H, m)
제조예 2
Figure pat00021
2-1 리간드 화합물의 제조
건조된 250 mL schlenk flask에 1.73 g (10 mmol)의 Indenoindole을 넣고 감압 하에서 40 mL의 에테르를 주입하였다. 에테르 용액을 0℃까지 냉각한 후 flask 내부를 아르곤으로 치환하고 4.8 mL (12 mmol)의 2.5 M nBuLi hexane solution을 천천히 적가하였다. 반응 혼합물은 천천히 상온으로 올린 후 다음날까지 교반하였다. 다른 250 mL schlenk flask에 에테르 20 mL를 채운 후 3.6 mL (30 mmol)의 dichlorodimethylsilane을 주입하였다. 이 flask를 -78℃까지 냉각한 뒤, 여기에 Indenoindole의 lithiated solution을 cannula를 통해 주입하였다. 주입이 끝난 혼합물은 상온으로 천천히 올린 후 약 5시간 동안 교반시킨 후, 진공 감압하에서 용매로 사용된 에테르와 남아있는 과량의 dichlorodimethylsilane을 제거하였다. 이를 NMR로 확인하여 약 95% 이상 순도의 10-(chlorodimethylsilyl)-5,8-dimethyl-5,10-dihydroindeno[1,2-b]indole를 얻었다.
Indenoindole part의 합성이 확인된 후, 건조된 100 mL schlenk flask에 1.7 g (10 mmol)의 3-(but-3-enyl)-1H-indene을 주입하고 40 mL의 에테르에 용해시켰다. 이후 -78℃에서 4.8 ml (12 mmol)의 2.5 M nBuLi hexane solution을 천천히 적가하고 하루 동안 교반하였다. 앞서 합성한 fluorene part를 40 mL의 에테르에 녹인 후, -78℃에서 buthylindene의 lithiated solution을 적가하였다. 약 20시간 후, flask 내에 50 mL의 물을 넣어 퀀칭하고 유기층을 분리하여 MgSO4로 건조하였다. Filtration을 통해 얻어진 혼합물은 진공 감압 조건에서 용매를 증발시켰다. 그 결과, 4.4 g (9.7 mmol, 96.7%)의 자주색 오일을 얻었다.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): 0.03 (3H, d), 0.23 (3H, d), 1.67 (2H, m), 2.90 (3H, d), 3.13 (2H, m), 4.12 (1H, s), 4.47 (1H, s), 4.54 (3H, d), 5.47 (1H, m), 5.57 (1H, m), 6.49 (1H, m), 6.50, 6.73 (1H, d), 7.65 (2H, m), 7.67 ~ 8.03 (6H, m), 8.23 (2H, m)
2-2 메탈로센 화합물의 제조
오븐에 건조한 250 mL schlenk flask에 리간드를 넣고 에테르에 녹인 다음, 2.5당량의 nBuLi solution을 가해 다음날까지 lithiation을 시켰다. 글러브 박스 내에서 1당량의 ZrCl4(THF)2를 취해 250 ml schlenk flask에 담고 에테르 또는 톨루엔을 넣은 suspension을 준비하였다. 위 두 개의 flask 모두 -78℃까지 냉각시킨 후 ligand anion을 천천히 Zr suspension에 가하였다. 주입이 끝난 후, 반응 혼합물은 천천히 상온까지 올렸다. 이 과정에서 메탈레이션이 성공적으로 진행되고 있는 경우, 촉매 전구체 특유의 색인 자주색이 나타나는 것이 확인되었다. 이를 하루동안 교반한 후, 혼합물 내의 톨루엔또는 에테르를 약 1/5 volume까지 진공 감압을 통해 제거하고 남아있는 용매의 5배 정도 volume의 헥산을 가하였다. 이 때 헥산을 가하는 이유는 합성된 촉매 전구체가 헥산에 대한 용해도가 떨어지기 때문에 결정화를 촉진시키기 위해서이다. 이 hexane slurry를 아르곤 하에서 필터하고 여과 후 필터된 고체와 여과액을 모두 진공 감압하에서 증발시켰다. 위에 남은 filter cake을 글러브 박스 내에서 계량하고 샘플링하여 합성 여부와 수율, 순도를 확인하였다. 메탈레이션의 용매로는 에테르를 사용하였으며 4.4 g (9.7 mmol)의 리간드로부터 4.0 g (66.6%)의 자주색 고체가 얻어졌다.
NMR 기준 purity (wt%) = 83.1%. Mw = 619.81.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): 1.24, 1.36 (3H, s), 1.51, 1.58 (3H, s), 1.68, 1.87 (1H, m), 2.46, 2.56 (1H, m), 2.82 (1H, m), 3.85 (1H, m), 3.95, 4.16 (3H, s), 4.84 (1H, m), 5.56 (1H, m), 6.55 (1H, m), 6.98 (2H, m), 7.00 ~ 7.33 (3H, m), 7.42 (2H, m), 7.53 (2H, m), 7.61 (2H, d), 7.84 (2H, m)
제조예 3
Figure pat00022
3-1 리간드 화합물의 제조
건조된 250 mL schlenk flask에 2.331 g (10 mmol)의 Indenoindole을 넣고 아르곤 하에서 40 mL의 에테르를 주입하였다. 에테르 용액을 0℃까지 냉각한 후, 4.8 mL (12 mmol)의 2.5 M nBuLi hexane solution을 천천히 적가하였다. 반응 혼합물은 천천히 상온으로 올린 후 다음날까지 교반하였다. 다른 250 mL schlenk flask에 에테르 20 mL를 채운 후 3.6 mL (30 mmol)의 dichloromethyl(tertbutoxyhexyl)silane을 주입하였다. 이 flask를 -78℃까지 냉각한 뒤, 여기에 Indenoindole의 lithiated solution을 cannula를 통해 주입하였다. 주입이 끝난 혼합물은 상온으로 천천히 올린 후 약 5시간 동안 교반시킨 후, 하루동안 교반한 후, Flask 내에 50 ml의 물을 넣어 퀸칭하고 유기층을 분리하여 MgSO4로 건조하였다. 감압 하에서 용매로 사용된 에테르를 제거하였다. 이를 NMR로 확인하여 약 95% 이상 순도의 10-((6-(tert-butoxy)hexyl)chloro(methyl)silyl)-5,8-dimethyl-5,10-dihydroindeno[1,2-b]indole 을 얻었다.
Indenoindole part의 합성이 확인된 후, 건조된 100 mL schlenk flask에 1.7 g (10 mmol)의 ((1H-inden-3-yl)methyl)trimethylsilane을 주입하고 40 mL의 에테르에 용해시켰다. 이후 -78℃에서 4.8 ml (12 mmol)의 2.5 M nBuLi hexane solution을 천천히 적가하고 하루 동안 교반하였다. 앞서 합성한 10-((6-(tert-butoxy)hexyl)chloro(methyl)silyl)-5,8-dimethyl-5,10-dihydroindeno[1,2-b]indole 를 40 mL의 에테르에 녹인 후, -78℃에서 ((1H-inden-3-yl)methyl)trimethylsilane의 lithiated solution을 적가하였다. 약 20시간 후, flask 내에 50 mL의 물을 넣어 퀀칭하고 유기층을 분리하여 MgSO4로 건조하였다. Filtration을 통해 얻어진 혼합물은 진공 감압 조건에서 용매를 증발시켰다. 그 결과, 6.5 g (10.2 mmol, 100%)의 10-((6-(tert-butoxy)hexyl)(methyl)(3-((trimethylsilyl)methyl)-1H-inden-1-yl)silyl)-5,8-dimethyl-5,10-dihydroindeno[1,2-b]indo의 노란색 oil을 얻었다.
Mw : 634.05, Purity(wt%) = 100%
1H NMR (500 MHz, CDCl3): -0.40, -0.37 (3H, d), 0.017 (9H, m), 1.10 (4H, m), 1.18 (9H, s), 1.34 (6H, m), 2.41 (3H, m), 3.25 (2H, m), 3.25 (1H, m), 3.53 (1H, m), 4.09 (3H, s), 5.62, 5.82, 5.95, 5.95, 6.11 (1H, s), 7.04 ~ 7.32 (9H, m), 7.54 (1H, m), 7.75 (1H, m).
3-2 메탈로센 화합물의 제조
오븐에 건조한 250 mL schlenk flask에 리간드를 넣고 에테르에 녹인 다음, 2.1당량의 nBuLi solution을 가해 다음날까지 lithiation을 시켰다. 글러브 박스 내에서 1당량의 ZrCl4(THF)2를 취해 250 ml schlenk flask에 담고 에테르 또는 톨루엔을 넣은 suspension을 준비하였다. 위 두 개의 flask 모두 -78℃까지 냉각시킨 후 ligand anion을 천천히 Zr suspension에 가하였다. 주입이 끝난 후, 반응 혼합물은 천천히 상온까지 올렸다. 이 과정에서 메탈레이션이 성공적으로 진행되고 있는 경우, 촉매 전구체 특유의 색인 자주색이 나타나는 것이 확인되었다. 이를 하루동안 교반한 후, 혼합물 내의 톨루엔 또는 에테르를 약 1/5 volume까지 진공 감압을 통해 제거하고 남아있는 용매의 5배 정도 volume의 헥산을 가하였다. 이 때 헥산을 가하는 이유는 합성된 촉매 전구체가 헥산에 대한 용해도가 떨어지기 때문에 결정화를 촉진시키기 위해서이다. 이 hexane slurry를 아르곤 하에서 필터하고 여과 후 필터된 고체와 여과액을 모두 진공 감압하에서 증발시켰다. 위에 남은 filter cake을 글러브 박스 내에서 계량하고 샘플링하여 합성 여부와 수율, 순도를 확인하였다. 메탈레이션의 용매로는 에테르를 사용하였으며 6.4 g (10 mmol)의 리간드로부터 6.08 g (76.5%)의 자주색 고체가 얻어졌다.
NMR 기준 purity (wt%) = 100%. Mw = 794.17.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): -0.23, -0.16 (9H, d), 0.81 (3H, m), 1.17 (9H, m), 1.20 ~1.24 (3H, m), 1.31 (2H, s), 1.62 ~ 1.74 (5H, m), 1.99 ~ 2.11 (2H, m), 2.55 (3H, d), 3.33 (2H, m), 3.95, 4.13 (3H, s), 5.17, 5.21, 5.32 (1H, s), 6.89 ~7.07 (3H, m), 7.12 ~ 7.21 (3H, m), 7.29 (1H, m), 7.36 (1H, m), 7.44 (1H, m), 7.84 (1H, m).
제조예 4
Figure pat00023
4-1 리간드 화합물의 제조
ndole을 넣고 아르곤 하에서 40 mL의 에테르를 주입하였다. 에테르 용액을 0℃까지 냉각한 후, 4.8 mL (12 mmol)의 2.5 M nBuLi hexane solution을 천천히 적가하였다. 반응 혼합물은 천천히 상온으로 올린 후 다음날까지 교반하였다. 다른 250 mL schlenk flask에 에테르 20 mL를 채운 후 3.6 mL (30 mmol)의 dichloromethyl(tertbutoxyhexyl)silane을 주입하였다. 이 flask를 -78℃까지 냉각한 뒤, 여기에 Indenoindole의 lithiated solution을 cannula를 통해 주입하였다. 주입이 끝난 혼합물은 상온으로 천천히 올린 후 약 5시간 동안 교반시킨 후, 하루동안 교반한 후, Flask 내에 50 ml의 물을 넣어 퀀칭하고 유기층을 분리하여 MgSO4로 건조하였다. 감압하에서 용매로 사용된 에테르를 제거하였다. 이를 NMR로 확인하여 약 95% 이상 순도의 10-((6-(tert-butoxy)hexyl)chloro(methyl)silyl)-5,8-dimethyl-5,10-dihydroindeno[1,2-b]indole 을 얻었다.
Indenoindole part의 합성이 확인된 후, 건조된 100 mL schlenk flask에 1.7 g (10 mmol)의 3-(but-3-en-1-yl)-1H-indene을 주입하고 40 mL의 에테르에 용해시켰다. 이후 -78℃에서 4.8 ml (12 mmol)의 2.5 M nBuLi hexane solution을 천천히 적가하고 하루 동안 교반하였다. 앞서 합성한 10-((6-(tert-butoxy)hexyl)chloro(methyl)silyl)-5,8-dimethyl-5,10-dihydroindeno[1,2-b]indole 를 40 mL의 에테르에 녹인 후, -78℃에서 buthylindene의 lithiated solution을 적가하였다. 약 20시간 후, flask 내에 50 mL의 물을 넣어 퀀칭하고 유기층을 분리하여 MgSO4로 건조하였다. Filtration을 통해 얻어진 혼합물은 진공 감압 조건에서 용매를 증발시켰다. 그 결과, 5.8 g (9.7 mmol, 97.1%)의 10-((3-(but-3-en-1-yl)-1H-inden-1-yl)(6-(tert-butoxy)hexyl)(methyl)silyl)-5,8-dimethyl-5,10-dihydroindeno[1,2-b]indole 얻었다.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): -0.71, -0.23 (3H, d), 0.82 (2H, s), 1.17 (9H, s), 1.23 1.39 (7H, m), 1.51 (1H, s), 2.26 (2H, m), 2.48 (2H, m), 2.61 (2H, m), 3.25 (2H, m), 3.50 (1H, s), 3.82 (1H, s), 4.09 (3H, m), 5.03 (2H, m), 5.89 (1H, m), 7.08 (1H, s), 7.15 ~ 7.75 (11H, m)
4-2 메탈로센 화합물의 제조
오븐에 건조한 250 mL schlenk flask에 리간드를 넣고 에테르에 녹인 다음, 2.1당량의 nBuLi solution을 가해 다음날까지 lithiation을 시켰다. 글러브 박스 내에서 1당량의 ZrCl4(THF)2를 취해 250 ml schlenk flask에 담고 에테르 또는 톨루엔을 넣은 suspension을 준비하였다. 위 두 개의 flask 모두 -78℃까지 냉각시킨 후 ligand anion을 천천히 Zr suspension에 가하였다. 주입이 끝난 후, 반응 혼합물은 천천히 상온까지 올렸다. 이 과정에서 메탈레이션이 성공적으로 진행되고 있는 경우, 촉매 전구체 특유의 색인 자주색이 나타나는 것이 확인되었다. 이를 하루동안 교반한 후, 혼합물 내의 톨루엔 또는 에테르를 약 1/5 volume까지 진공 감압을 통해 제거하고 남아있는 용매의 5배 정도 volume의 헥산을 가하였다. 이 때 헥산을 가하는 이유는 합성된 촉매 전구체가 헥산에 대한 용해도가 떨어지기 때문에 결정화를 촉진시키기 위해서이다. 이 hexane slurry를 아르곤 하에서 필터하고 여과 후 필터된 고체와 여과액을 모두 진공 감압하에서 증발시켰다. 위에 남은 filter cake을 글러브 박스 내에서 계량하고 샘플링하여 합성 여부와 수율, 순도를 확인하였다. 메탈레이션의 용매로는 에테르를 사용하였으며 5.8 g (9.7 mmol)의 리간드로부터 2.5 g (30.5%)의 자주색 고체가 얻어졌다.
NMR 기준 purity (wt%) = 90%. Mw = 762.06.
1H NMR (500 MHz, CDCl3): 0.81 (3H, m), 1.19 (10H, m), 1.55 ~ 1.78 (10H, m), 1.97 (2H, m), 2.26 (2H, m), 2.54 (3H, s), 3.36 (2H, m), 3.94 (3H, s), 4.16 (1H, d), 4.85 (1H, m), 5.64 (1H, s), 6.53 (1H, s), 6.97 (2H, m), 7.10 ~ 7.45 (5H, m), 7.52 ~ 7.87 (4H, m)
<담지 촉매의 제조 실시예>
실시예 1
1-1 담지체 건조
실리카(Grace Davison사 제조 XPO 2410)를 300℃의 온도에서 12 시간 동안 진공을 가한 상태에서 탈수하였다.
1-2 담지 촉매 제조
건조된 실리카 20 g를 유리 반응기에 넣고, 13mmol의 알루미늄(Al)이 들어 있는 메틸알루미녹산(MAO)을 포함하는 톨루엔 용액을 가하여 40℃에서 1시간 교반하며 천천히 반응시켰다. 이 후 충분한 양의 톨루엔으로 세척하여 반응하지 않은 알루미늄 화합물을 제거하였다. 다음으로 40℃로 감압하여 남아있는 톨루엔을 제거한 결과, 메틸알루미녹산이 담지된 담체 32g을 수득하였다. 얻어진 담체에는 17 중량%의 알루미늄을 포함하고 있었다.
상기 메틸알루미녹산이 담지된 담체 12 g을 유리 반응기에 넣고 톨루엔 70mL를 투입한 후, 상기 제조예 1에서 제조된 메탈로센 화합물 1 mmol (zirconium 기준)이 녹아있는 톨루엔 용액을 유리 반응기에 가하여 40℃에서 1시간 동안 교반하여 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 충분한 양의 톨루엔으로 세척하고 진공 건조하여 고체 분말 형태의 메탈로센 담지 촉매를 제조하였다.
실시예 2 내지 4
상기 제조예 1의 메탈로센 화합물 대신, 각각 상기 제조예 2 내지 4의 메탈로센 화합물을 이용한 것으로 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 메탈로센 담지 촉매를 제조하였다.
<폴리올레핀 중합의 실시예>
실시예 5
상기 실시예 1에서 제조한 각각의 담지 촉매를 드라이박스에서 정량하여 50 mL의 유리병에 담은 후 고무 격막으로 밀봉하여 드라이박스에서 꺼내어 주입할 촉매를 준비하였다. 중합은 기계식 교반기가 장착된 온도 조절이 가능하고 고압에서 이용되는 600mL 금속 합금 반응기에서 수행하였다.
이 반응기에 1.0 mmol 트리에틸알루미늄(triethylaluminum)이 들어 있는 헥산 400mL와, 상기 준비한 담지 촉매를 반응기에 공기 접촉 없이 투입한 후, 80℃에서 기체 에틸렌 단량체를 30 Kgf/cm2의 압력으로 계속적으로 가하면서 1시간 동안 중합하였다. 중합의 종결은 먼저 교반을 멈춘 후 미반응 에틸렌을 배기시켜 제거함으로써 완료시켰다.
이로부터 얻어진 중합체는 중합 용매를 여과시켜 대부분을 제거한 후 80 ℃ 진공 오븐에서 4 시간 동안 건조시켰다.
실시예 6 내지 8
상기 실시예 1에서 제조된 메탈로센 담지 촉매 대신, 상기 실시예 2 내지 4에 제조한 담지 촉매를 사용한 것으로 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 중합을 실시하였다.
상기에서 제조한 각각의 촉매에 담지 조건, 촉매 활성, 얻어진 중합체의 물성 등을 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 번호 담지촉매
담지 Recipe 활성
(kgPE/gCat.)		 MW
(g/mol)
 분자량 분포(PDI)
MAO
(60℃)
mmol/g-SiO2 		Met
(40℃)
mmol/g-SiO2
실시예 5 실시예 1 8 0.1 9.3 520,000 2.4
실시예 6 실시예 2 8 0.1 9.9 590,000 2.5
실시예 7 실시예 3 8 0.1 11.3 443,000 2.6
실시예 8 실시예 4 8 0.1 14.0 509,000 2.2
중합 조건: 에틸렌 압력 40bar, 온도: 80℃, 반응시간 60min.
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 메탈로센 담지 촉매는 담체에 담지된 상태에서 올레핀 중합을 실시하더라도 고활성을 유지하였으며, 고분자량의 폴리올레핀을 중합할 수 있다.

Claims (15)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 메탈로센 화합물;
    조촉매 화합물; 및
    담체를 포함하는 메탈로센 담지 촉매:
    [화학식 1]
    Figure pat00024

    상기 화학식 1에서,
    M은 4족 전이금속이고;
    B는 탄소, 실리콘 또는 게르마늄이고;
    Q1 및 Q2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C6 내지 C20의 아릴기, C7 내지 C20의 알킬아릴기, C7 내지 C20의 아릴알킬기, C1 내지 C20의 알콕시기, C2 내지 C20의 알콕시알킬기, C3 내지 C20의 헤테로시클로알킬기, 또는 C5 내지 C20의 헤테로아릴기이고;
    X1 및 X2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐, C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C6 내지 C20의 아릴기, 니트로기, 아미도기, C1 내지 C20의 알킬실릴기, C1 내지 C20의 알콕시기, 또는 C1 내지 C20의 술폰네이트기이고;
    C1 및 C2 중 하나는 하기 화학식 2a로 표시되고, 다른 하나는 하기 화학식 2b로 표시되며;
    [화학식 2a]
    Figure pat00025

    [화학식 2b]
    Figure pat00026

    상기 화학식 2a에서,
    R1 내지 R9는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소, C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C1 내지 C20의 알콕시기, C1 내지 C20의 알킬실릴기, C1 내지 C20의 실릴알킬기, C6 내지 C20의 아릴기, C7 내지 C20의 알킬아릴기, 또는 C7 내지 C20의 아릴알킬기이고;
    상기 화학식 2b에서,
    R10 및 R12 내지 R15는 수소이고,
    R11은 C1 내지 C20의 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C1 내지 C20의 알킬실릴기, C1 내지 C20의 실릴알킬기, C1 내지 C20의 알콕시실릴기, C1 내지 C20의 에테르기, C1 내지 C20의 실릴에테르기, C1 내지 C20의 실릴옥시기, C1 내지 C20의 알콕시기, C2 내지 C20의 알콕시알킬기, C6 내지 C20의 아릴기, C7 내지 C20의 알킬아릴기, 또는 C7 내지 C20의 아릴알킬기이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 2a의 R1 내지 R9는 각각 독립적으로 수소, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, n-부틸기, tert-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 헵틸기, 옥틸기, 에틸렌기, 프로필렌기, 부테닐기, 페닐기, 벤질기, 나프틸기, 메톡시기, 에톡시기, 또는 tert-부톡시헥실기이고, 상기 화학식 2b의 R11은 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, n-부틸기, tert-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 헵틸기, 옥틸기, 에틸렌기, 프로필렌기, 부테닐기, 페닐기, 벤질기, 나프틸기, 트리메틸실릴기, 트리에틸실릴기, 트리프로필실릴기, 트리부틸실릴기, 트리이소프로필실릴기, 트리메틸실릴메틸기, tert-부틸디메틸실릴에테르기, 메톡시기, 에톡시기, 또는 tert-부톡시헥실기인, 메탈로센 담지 촉매.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1의 상기 화학식 1의 Q1 및 Q2는 메틸기, 또는 tert-부톡시헥실기인, 메탈로센 담지 촉매.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 2a로 표시되는 화합물은 하기 구조식들 중 하나인 메탈로센 담지 촉매:
    Figure pat00027

    Figure pat00028

    Figure pat00029

    Figure pat00030

  5. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 2b로 표시되는 화합물은 하기 구조식들 중 하나인 메탈로센 담지 촉매:
    Figure pat00031

    Figure pat00032

    Figure pat00033

  6. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 구조식들 중 하나인 메탈로센 담지 촉매:
    Figure pat00034
    Figure pat00035

    Figure pat00036
    Figure pat00037

    Figure pat00038
    Figure pat00039

  7. 제1항에 있어서,
    상기 조촉매 화합물은 하기 화학식 3, 화학식 4, 또는 화학식 5로 표시되는 화합물 중 1종 이상을 포함하는 메탈로센 담지 촉매:
    [화학식 3]
    -[Al(R16)-O]n-
    상기 화학식 3에서,
    R16은 서로 동일하거나 다를 수 있으며, 각각 독립적으로 할로겐; 탄소수 1 내지 20의 탄화수소; 또는 할로겐으로 치환된 탄소수 1 내지 20의 탄화수소이고;
    n은 2 이상의 정수이며;
    [화학식 4]
    J(R17)3
    상기 화학식 4에서,
    R17은 상기 화학식 3에서 정의된 바와 같고;
    J는 알루미늄 또는 보론이며;
    [화학식 5]
    [E-H]+[ZA4]- 또는 [E]+[ZA4]-
    상기 화학식 5에서,
    E는 중성 또는 양이온성 루이스 산이고;
    H는 수소 원자이며;
    Z는 13족 원소이고;
    A는 서로 동일하거나 다를 수 있으며, 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 탄화수소, 알콕시 또는 페녹시로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 담체는 실리카, 실리카-알루미나 및 실리카-마그네시아로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 메탈로센 담지 촉매.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 메탈로센 화합물의 전이금속 대 담체의 질량비는 1 : 10 내지 1 : 1,000 인 메탈로센 담지 촉매.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 조촉매 화합물 대 담체의 질량비는 1 : 1 내지 1 : 100 인 메탈로센 담지 촉매.
  11. 제1항에 따른 메탈로센 담지 촉매의 존재 하에 올레핀계 단량체를 중합하는 단계를 포함하는 폴리올레핀의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 중합은 용액 중합 공정, 슬러리 공정 또는 기상 공정에 의해 수행되는 폴리올레핀의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 올레핀계 단량체는 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-헵텐, 1-데센, 1-운데센, 1-도데센, 노보넨, 에틸리덴노보넨, 스티렌, 알파-메틸스티렌 및 3-클로로메틸스티렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 단량체를 포함하는 폴리올레핀의 제조 방법.
  14. 제11항에 따른 제조 방법에 의해 제조된 폴리올레핀.
  15. 제14항에 있어서,
    중량 평균분자량이 200,000 내지 900,000 g/mol인 폴리올레핀.
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