KR20160110079A - 올리고머화 촉매계 및 이를 이용한 올레핀 올리고머화 방법 - Google Patents

올리고머화 촉매계 및 이를 이용한 올레핀 올리고머화 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 올리고머화 촉매계 및 이를 이용한 올레핀 올리고머화 방법에 관한 것으로, 구체적으로 리간드 화합물; 전이금속 화합물; 및 조촉매;를 포함하고, 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하는 희석용매를 더 포함하는 올리고머화 촉매계와, 상기 희석용매와 동일한 범위에서 선택된 같거나 다른 반응용매 하에서 다량화 반응을 시킴으로써, 상기 올레핀 올리고머화 방법은 반응열의 제열이 용이하고, 열전달능이 우수하며, 반응기의 파울링이 적을 수 있으며, 이에 따라 부산물 발생이 저감될 수 있다.

Description

올리고머화 촉매계 및 이를 이용한 올레핀 올리고머화 방법 {CATALYST SYSTEM FOR OLIGOMERIZATION AND METHOD OF OLEFIN OLIGOMERIZATION}
본 명세서는 올리고머화 촉매계에 용매로써 C7 비환형 탄화수소를 사용함으로써 촉매 특성 및 반응 특성 등이 개선된 올레핀 올리고머화 방법에 관한 것이다.
선형 알파-올레핀(Linear alpha-olefin)은 공단량체, 세정제, 윤활제, 가소제 등에 쓰이는 중요한 물질로 상업적으로 널리 사용되며, 특히 1-헥센과 1-옥텐은 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)의 제조 시 폴리에틸렌의 밀도를 조절하기 위한 공단량체로서 많이 사용된다.
종래의 LLDPE(Linear Low-Density Polyethylene, 선형 저밀도 폴리에틸렌)의 제조 과정에는 에틸렌과 함께 폴리머 골격(polymer backbone)에 분지(branch)를 형성하여 밀도(density)를 조절하기 위하여 알파-올레핀, 예를 들어 1-헥센, 1-옥텐과 같은 공단량체와 공중합이 이루어지도록 하였다.
따라서, 공단량체의 함량이 높은 LLDPE의 제조를 위해서는 공단량체의 가격이 제조 비용의 큰 부분을 차지한다는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 다양한 방법에의 시도가 있어 왔다.
또한, 알파-올레핀은 종류에 따라 응용 분야나 시장 규모가 다르기 때문에 특정 올레핀을 선택적으로 생산할 수 있는 기술은 상업적으로 크게 중요하며, 최근 선택적인 에틸렌 올리고머화(ethylene oligomerization)를 통해 1-헥센 또는 1-옥텐을 높은 선택도로 제조하는 크롬촉매 기술에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.
1-헥센 또는 1-옥텐을 제조하는 기존의 상업적 제조 방법으로는 쉘 케미칼(Shell Chemical)의 SHOP 프로세스(SHOP process), 쉐브론 필립스(Chevron Philips)의 Ziegler 프로세스(Ziegler Process) 등이 있으며, 이를 이용하면 탄소수 C4 ~ C20의 넓은 분포의 알파-올레핀을 생성할 수 있다.
에틸렌의 삼량체화 촉매로서 일반식 (R1)(R2)X-Y-X(R3)(R4)의 리간드를 사용한 크롬계 촉매가 제시되었다. 상기 식에서 X는 인, 비소 또는 안티몬이고, Y는 -N(R5)-와 같은 연결 그룹이며, R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 하나가 극성 또는 전자 수여 치환체를 가진다.
또한 촉매 조건하에 1-헥센에 대해 촉매 활성을 나타내지 않는 리간드로서 R1, R2, R3 및 R4 중 적어도 하나에 극성 치환체를 가지지 않는 화합물인 (o-에틸페닐)2PN(Me)P(o-에틸페닐)2에 대한 연구가 있어 왔다(Chem . Commun ., 2002, 858).
하지만 상술한 종래기술의 헤테로원자를 포함하는 리간드는 1-옥텐 또는 1-헥센 제조 반응시 반응 중 일관되게 지속되는 다량화 반응 활성과 높은 선택성에 대한 요구가 여전히 지속되고 있는 실정이다.
1. Chem. Commun., 2002, 858
본 명세서는 올리고머화의 반응용매 및/또는 촉매계의 희석용매로 탄소수가 7개인 비환형 탄화수소를 사용함으로써, 반응열의 제열이 우수하고, 반응기의 파울링(fouling)이 적으며 부산물 생성이 저감된 올레핀 올리고머화 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서의 일 실시예에 따르면, 리간드 화합물; 전이금속 화합물; 및 조촉매;를 포함하고, 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하는 희석용매를 더 포함하는 올리고머화 촉매계가 제공된다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물은 n-헵탄, 2-메틸헥산, 3-메틸헥산, 3-에틸펜탄, 2,3-디메틸펜탄, 2,4-디메틸펜탄, 2,2-디메틸펜탄, 3,3-디메틸펜탄 및 2,2,3-트리메틸부탄으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상일 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 리간드 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 다이포스핀 모이어티를 함유할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서, 상기 A는 N, As 또는 Sb이며, 상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기이다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 리간드 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 다이포스핀 모이어티를 2 이상 포함할 수 있고, 상기 2 이상의 다이포스핀 모이어티 사이를 연결하는 연결기는, 하이드로카빌기로서 다이포스핀 모이어티간 최단거리의 탄소수가 2 내지 8개일 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 화학식 2에서, 상기 A, R1 내지 R4는 상기 화학식 1과 동일하고, 상기 *는 2 이상의 다이포스핀 모이어티를 연결하는 연결기이다.
상기 연결기는 탄소수 1 내지 20의 지방족 그룹, 탄소수 2 내지 20의 헤테로 지방족 그룹, 탄소수 3 내지 20의 지환족 그룹, 탄소수 3 내지 20의 헤테로 지환족 그룹, 탄소수 6 내지 20의 방향족 그룹 및 탄소수 6 내지 20의 헤테로 방향족 그룹으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 그룹이 결합된 것일 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 리간드 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 3]
Figure pat00003
상기 화학식 3에서, 상기 R1 내지 R4는 상기 화학식 1과 동일하며, 상기 R5는 탄소수 1 내지 20의 알킬기일 수 있다.
상기 R5가 메틸기인 경우, 상기 R6는 탄소수 2 또는 3의 알킬기, 알케닐기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기 또는 이들의 헤테릴기인 직쇄 그룹; 탄소수 4 내지 20의 알킬기, 알케닐기, 아릴알킬기, 아릴알케닐기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기, 헤테로아릴알킬기, 헤테로아릴알케닐기 또는 이들의 헤테릴기; 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 아릴시클로알킬기, 아릴시클로알케닐기 헤테로시클로알킬기, 헤테로시클로알케닐기, 헤테로아릴시클로알킬기, 헤테로아릴시클로알케닐기 또는 이들의 헤테릴기; 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 헤테로아릴기 또는 이들의 헤테릴기; 또는, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기, 헤테로알킬아릴기 또는 이들의 헤테릴기;일 수 있다.
상기 R5가 탄소수 2 내지 20의 알킬기인 경우, 상기 R6는 탄소수 2 내지 20의 알킬기, 알케닐기, 아릴알킬기, 아릴알케닐기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기, 헤테로아릴알킬기, 헤테로아릴알케닐기 또는 이들의 헤테릴기; 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 아릴시클로알킬기, 아릴시클로알케닐기 헤테로시클로알킬기, 헤테로시클로알케닐기, 헤테로아릴시클로알킬기, 헤테로아릴시클로알케닐기 또는 이들의 헤테릴기; 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 헤테로아릴기 또는 이들의 헤테릴기; 또는, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기, 헤테로알킬아릴기 또는 이들의 헤테릴기;일 수 있다.
상기 R7 내지 R9는 각각 독립적으로, 수소; 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 알케닐기, 아릴알킬기, 또는 아릴알케닐기; 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 아릴시클로알킬기, 또는 아릴시클로알케닐기; 탄소수 6 내지 20의 아릴기; 또는, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기;일 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 전이금속 화합물은 유기크롬 화합물을 포함할 수 있고, 상기 유기크롬 화합물은 크롬(III) 아세틸 아세토네이트, 삼염화 크롬 트리스 테트라하이드로퓨란, 크롬(III)-2-에틸헥사노에이트, 크롬(III) 트리스 (2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵테인디오네이트), 크롬(III) 벤조일 아세토네이트, 크롬(III) 헥사플루오로-2,4-펜테인디오네이트 및 크롬(III) 아세테이트 하이드록사이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 조촉매는 하기 화학식 4 내지 6으로 표시되는 화합물들로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
[화학식 4]
-[Al(R5)-O]c-
상기 화학식 4에서,
R5은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 라디칼, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌 라디칼, 또는 할로겐으로 치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌 라디칼이고, c는 2 이상의 정수이며,
[화학식 5]
D(R6)3
상기 화학식 5에서,
D는 알루미늄 또는 보론이고, R6는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌 또는 할로겐으로 치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌이고,
[화학식 6]
[L-H]+[Q(E)4]-
상기 화학식 6에서,
L은 중성 루이스 염기이고, [L-H]+는 브론스테드 산이며, Q는 +3 형식 산화 상태의 붕소 또는 알루미늄이고, E는 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌, 알콕시 작용기 또는 페녹시 작용기로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 명세서의 또 다른 일 실시예에 따르면, 리간드 화합물, 전이금속 화합물 및 조촉매를 포함하는 올리고머화 촉매계, 그리고, 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하는 반응용매의 존재 하에, 올레핀을 다량화 반응시키는 단계; 및 1-헥센을 포함하는 조성물과 1-옥텐을 포함하는 조성물을 생성물로 얻는 단계;를 포함하는 올레핀 올리고머화 방법이 제공된다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 올리고머화 촉매계는 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하는 희석용매를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물은 n-헵탄, 2-메틸헥산, 3-메틸헥산, 3-에틸펜탄, 2,3-디메틸펜탄, 2,4-디메틸펜탄, 2,2-디메틸펜탄, 3,3-디메틸펜탄 및 2,2,3-트리메틸부탄으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상일 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 1-헥센을 포함하는 조성물은 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 10 ppm 이상 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 1-옥텐을 포함하는 조성물은 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 10 ppm 이상 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 올레핀은 에틸렌을 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 상기 다량화 반응 압력은 1 내지 300 bar일 수 있고, 상기 다량화 반응 온도는 5 내지 200 ℃일 수 있다.
본 명세서에 따른 올레핀 올리고머화 방법은 올리고머화 촉매계의 희석용매 및/또는 올리고머화의 반응용매로 탄소수가 7개인 비환형 탄화수소 화합물을 사용하여 올리고머화 반응의 반응열 제열이 우수할 수 있고, 반응기의 파울링(fouling)이 적으며 부산물 생성이 저감된 올레핀 올리고머화 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 명세서에 따른 실시예 2의 반응 이후 반응기의 반응기 내부 장치를 촬영한 이미지이다.
도 2는 본 명세서에 따른 실시예 2의 반응 이후 반응기의 내벽을 촬영한 이미지이다.
도 3은 비교예 2의 반응 이후 반응기의 반응기 내부 장치를 촬영한 이미지이다.
도 4는 비교예 2의 반응 이후 반응기의 내벽을 촬영한 이미지이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
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 명세서 전체에서 '촉매계', '촉매 조성물' 또는 '촉매 시스템' 이라 함은 전이금속 소스, 리간드 화합물 및 조촉매를 포함하는 3 성분, 또는 대안적으로, 전이금속 화합물 및 조촉매의 2 성분이 동시에 또는 임의의 순서로 첨가되어 활성이 있는 촉매 조성물로 수득될 수 있는 상태의 것을 의미한다. 상기 촉매 시스템의 3 성분 또는 2 성분은 용매 및 단량체의 존재 또는 부존재 하에 첨가될 수 있으며, 상기 세 용어는 혼용될 수 있다.
본 명세서에서 사용하는 용어 '올리고머화'란, 올레핀이 소중합 되는 것을 의미한다. 중합되는 올레핀의 개수에 따라 삼량화 (trimerization), 사량화 (tetramerization)라고 불리며, 이를 총칭하여 다량화 (multimerization)라고 한다. 특히 본 명세서에서는 에틸렌으로부터 LLDPE의 주요 공단량체인 1-헥센 및 1-옥텐을 선택적으로 제조하는 것을 의미한다.
본 명세서에서 하이드로카빌기는 탄소와 수소로만 이루어진 모든 화합물을 의미하며, 예를 들면, 알킬기, 아릴기, 알케닐기, 시클로알킬기 등이 있고, 이러한 하이드로카빌기를 의미하는 용어의 사용에 있어서 특별한 언급이 없는 한, 직쇄와 분지쇄 모두를 의미할 수 있으며, 비치환형 및 치환형 모두를 의미할 수 있다. 예를 들면, 탄소수 1 내지 20의 알킬기인 그룹이라 함은 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, 펜틸기, 이소펜틸기, 네오펜틸기 등을 의미할 수 있고, 탄소수 6 내지 20의 아릴기라 함은, 예컨대, 페닐기, 나프틸기, 안트라세닐기 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 알킬아릴기는 1이상의 알킬기를 치환기로 갖는 아릴기를 의미하고, 아릴알킬기는 1이상의 아릴기를 치환기로 갖는 알킬기를 의미한다.
본 명세서에서 헤테로 원소는 N, O, S, P를 의미하고, 헤테로하이드로카빌기는 헤테로 원자가 1이상 포함된 하이드로카빌기를 의미할 수 있다. 즉, 헤테로알킬기는 알킬기의 구성 탄소 중 어느 하나의 탄소가 헤테로 원자로 치환되거나, 치환기로 헤테로 원자를 포함하는 것을 의미할 수 있고, 헤테로아릴기는 피리딜기와 같이 방향족 고리의 탄소 중 어느 하나가 헤테로 원자로 치환된 것을 의미할 수 있다. 이 외 헤테로아릴알킬기, 헤테로알킬아릴기, 헤테로알케닐아릴기 등의 경우도 마찬가지일 수 있다.
상기 헤테로하이드로카빌기의 경우에는 작용기화 되는 연결점이 탄소이지만, '하이드로카보헤테릴기', '오가노헤테릴기', '이들의 헤테릴기' 등 '헤테릴기'라고 함은 작용기화 되는 연결점이 헤테로 원자인 경우를 의미할 수 있다.
올리고머화 촉매계
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 리간드 화합물; 전이금속 화합물; 및 조촉매;를 포함하고, 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하는 희석용매를 더 포함하는 올리고머화 촉매계가 제공된다.
상기 희석용매는 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하며, 상기 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물은 사슬형의 포화 탄화수소 화합물로서 탄소수가 7개인 것일 수 있고, 예를 들면, n-헵탄, 2-메틸헥산, 3-메틸헥산, 3-에틸펜탄, 2,3-디메틸펜탄, 2,4-디메틸펜탄, 2,2-디메틸펜탄, 3,3-디메틸펜탄, 2,2,3-트리메틸부탄 또는 이들의 혼합물이 적용될 수 있다.
상기 희석용매는 올리고머화 촉매계를 제조할 때에, 화합물들의 혼합시 베이스 용매로서 사용될 수 있으며, 전이금속 화합물과 리간드 화합물을 혼합할 때에 희석하는 용매일 수 있고, 조촉매를 희석하는 용매일 수 있으며, 동시에 전이금속 화합물, 리간드 화합물 및 조촉매를 혼합할 때에 사용되는 용매일 수 있다.
또한, 상기 희석용매는 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물 이외에 다른 유기용매를 포함할 수도 있으며, 상기 탄소수 7인 비환형 탄화수소 화합물만 포함되어 있다면 본 명세서에서 제공하고자 하는 희석용매 및/또는 올리고머화 반응의 반응용매의 효과를 얻을 수 있다.
상기 올리고머화 촉매계의 제조방법을 이로써 특별히 제한하는 것은 아니지만, 비제한적인 예로, 상기 올리고머화 촉매계의 제조방법은 전술한 리간드 화합물 및 전이금속 화합물을 혼합하여 촉매조성물을 제조하는 단계; 및 조촉매와 상기 촉매조성물이 혼합되어 활성화 되는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 촉매조성물은 리간드 화합물 및 전이금속 화합물을 포함하며, 본 명세서에 따른 올리고머화 촉매계의 제조방법은 리간드 화합물과 전이금속 화합물을 먼저 혼합하여 두 화합물 간의 금속화 반응(metalation)을 유도할 수 있다.
상기 금속화 반응은 리간드 화합물에 전이금속 화합물이 배위결합 되는 반응일 수 있으며, 리간드 화합물과 전이금속 화합물의 배위 형태, 리간드 화합물의 활성점 등에 관한 설명은 후술한다.
상기 리간드 화합물과 전이금속 화합물의 금속화 반응이 충분히 진행되어 촉매조성물이 제조되면, 상기 촉매조성물과 조촉매를 혼합하여 활성화 되는 단계가 진행될 수 있다. 상기 활성화라는 것은 촉매조성물과 조촉매의 접촉 및 에이징을 통해 올리고머화 촉매계로서 활성화 되는 것을 의미할 수 있다.
상기 촉매조성물과 조촉매의 활성화는 유기용매와 혼합되어 용액상으로 존재하는 조촉매와 촉매조성물이 접촉하여 일정 시간 동안 에이징 되는 것일 수 있고, 상기 활성화는 교반, 단순혼합 등 그 형태에 있어서 특별한 제한 없으며, 촉매조성물과 조촉매가 접촉하여 올리고머화 촉매계로서 활성이 발생할 수 있는 형태라면 모두 적용할 수 있다.
상기 올리고머화 촉매계는 선형 알파 올레핀에 대한 선택도를 높이고, 다량화 반응 활성을 높이기 위해, 상기 리간드 화합물:전이금속 화합물:조촉매의 몰비는 약0.5:1:1 내지 약 10:1:10,000일 수 있고, 바람직하게는 약 0.5:1:100 내지 약 5:1:3,000일 수 있다. 다만 본 명세서에 따른 올리고머화 촉매계가 이에 한정되는 것은 아니다.
리간드 화합물
본 명세서의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 리간드 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 다이포스핀 모이어티를 함유할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00004
상기 화학식 1에서, 상기 A는 N, As 또는 Sb이며, 상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기이다.
또한, 상기 화학식 1로 표시되는 다이포스핀 모이어티를 함유하는 리간드 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 다이포스핀 모이어티를 2 이상 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00005
상기 화학식 2에서, 상기 A, R1 내지 R4는 상기 화학식 1과 동일하고, 상기 *는 2 이상의 다이포스핀 모이어티를 연결하는 연결기이다.
나아가, 상기 화학식 2로 표시되는 다이포스핀 모이어티가 2 개 이고, 상기 A가 질소(N)일 경우라면 상기 리간드 화합물은 하기 화학식 2a로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 2a]
Figure pat00006
상기 화학식 2a에서, R1 내지 R4와 R1` 내지 R4`은, 각각 상기 화학식 1 또는 2의 R1 내지 R4와 동일한 그룹에서 선택될 수 있고, 상기 L은 두 다이포스핀 모이어티를 연결하는 연결기일 수 있다.
상기 연결기(L)는 2 이상의 다이포스핀 모이어티 사이를 연결하는 연결기는 다양한 구조의 하이드로카빌기일 수 있고, 다이포스핀 모이어티간 최단거리의 탄소 원자 수는 2 내지 8개일 수 있다. 즉, 상기 다이포스핀 모이어티 2 개 또는 3개 이상의 사이에 이들을 연결하는 하이드로카빌기가 존재하는 것이며, 상기 하이드로카빌기 내에서 다이포스핀 모이어티 간에 최단거리로 연결되는 탄소 원자의 수는 2 내지 8 개의 범위일 수 있다.
구체적으로 상기 하이드로카빌기인 연결기는, 탄소수 2 내지 20의 지방족 그룹, 탄소수 2 내지 20의 헤테로 지방족 그룹, 탄소수 3 내지 20의 지환족 그룹, 탄소수 3 내지 20의 헤테로 지환족 그룹, 탄소수 6 내지 20의 방향족 그룹 및 탄소수 6 내지 20의 헤테로 방향족 그룹으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 그룹이 결합된 것일 수 있고, 이를 만족하는 것이라면 그 구조는 특별히 제한되지 않는다.
비제한적인 예로, 상기 연결기(L)는 상기 화학식 1로 표시되는 둘 이상의 그룹 사이를 각각 2 내지 8 개의 탄소 원자로 연결하는 탄소수 2 내지 20의 지방족 그룹(예를 들어, 알킬렌 그룹, 알케닐렌 그룹, 알키닐렌 그룹, 또는 상기 지방족 그룹에 헤테로 원자가 포함된 헤테로 지방족 그룹), 탄소수 2 내지 20의 지환족 그룹(예를 들어, 사이클로알킬렌 그룹, 사이클로알케닐렌 그룹, 사이클로알키닐렌 그룹, 또는 상기 지환족 그룹에 헤테로 원자가 포함된 헤테로 지환족 그룹), 또는 상기 지방족(또는 헤테로 지방족) 그룹과 지환족(또는 헤테로 지환족) 그룹이 결합된 그룹을 갖는 화합물일 수 있다.
상술한 연결기의 비제한적인 예로, 다음과 같은 구조를 갖는 하이드로카빌기를 들 수 있다. 아래의 예시에서 상기 화학식 1로 표시되는 다이포스핀 모이어티는 편의상 [A], [A'] 또는 [A"]로 표시되었으며, R1 내지 R4로 선택되는 그룹에 따라서, [A], [A'] 및 [A"] 는 서로 같거나 다를 수 있다.
(i) 복수의 A 사이를 2 또는 3 개의 탄소 원자로 연결하는 그룹을 갖는 화합물:
Figure pat00007
(ii) 복수의 A 사이를 4 개의 탄소 원자로 연결하는 그룹을 갖는 화합물:
Figure pat00008
(iii) 복수의 A 사이를 5 개 이상의 탄소 원자로 연결하는 그룹을 갖는 화합물:
Figure pat00009
이와 같이, 2 이상의 화학식 1로 표시되는 다이포스핀 모이어티가 4개의 탄소 원자로 연결되는 경우, 4개의 탄소 원자로 연결하는 그룹은 상기 2 이상의 다이포스핀 모이어티의 크롬 복합체(complex) 간의 상호작용이 원활하도록 유연한 지방족 그룹을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
즉, 2 이상의 화학식 1로 표시되는 다이포스핀 모이어티가 4개의 탄소 원자로 연결된다 하더라도, 시클로헥산의 1번과 4번 위치에 다이포스핀 모이어티가 연결된 경우와 같이, 지방족 그룹을 포함하지 않고, 지환족 그룹 또는 방향족 그룹만을 포함하여 연결되는 경우, 상호작용이 극히 제한되어 단위 PNP-Cr 당 활성이 크게 낮아지고, 1-헥센 및 1-옥텐과 같은 낮은 탄소 수의 알파-올레핀에 대한 선택도가 저하될 수 있다.
한편, 상기 화학식 2 또는 2a로 표시되는 리간드 화합물은 하기 반응식 1과 같은 방법으로 합성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[반응식 1]
Figure pat00010
상기 반응식 1에서, A는 각각 독립적으로 같거나 다르며 상기 화학식 1, 2, 또는 2a의 R1내지 R4 의 정의와 동일하고, R은 2 내지 8개의 탄소 원자로 연결되는 연결기로서, 상기 화학식 2 또는 2a에서 정의한 바와 같으며, X는 할로겐이다.
본 명세서의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 리간드 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 포함할 수도 있다.
[화학식 3]
Figure pat00011
상기 화학식 3에서, 상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기이며, 상기 R5는 탄소수 1 내지 20의 알킬기일 수 있다.
상기 R5가 메틸기인 경우, 상기 R6는 탄소수 2 또는 3의 알킬기, 알케닐기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기 또는 이들의 헤테릴기인 직쇄 그룹; 탄소수 4 내지 20의 알킬기, 알케닐기, 아릴알킬기, 아릴알케닐기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기, 헤테로아릴알킬기, 헤테로아릴알케닐기 또는 이들의 헤테릴기; 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 아릴시클로알킬기, 아릴시클로알케닐기 헤테로시클로알킬기, 헤테로시클로알케닐기, 헤테로아릴시클로알킬기, 헤테로아릴시클로알케닐기 또는 이들의 헤테릴기; 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 헤테로아릴기 또는 이들의 헤테릴기; 또는, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기, 헤테로알킬아릴기 또는 이들의 헤테릴기;일 수 있다.
상기 R5가 탄소수 2 내지 20의 알킬기인 경우, 상기 R6는 탄소수 2 내지 20의 알킬기, 알케닐기, 아릴알킬기, 아릴알케닐기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기, 헤테로아릴알킬기, 헤테로아릴알케닐기 또는 이들의 헤테릴기; 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 아릴시클로알킬기, 아릴시클로알케닐기 헤테로시클로알킬기, 헤테로시클로알케닐기, 헤테로아릴시클로알킬기, 헤테로아릴시클로알케닐기 또는 이들의 헤테릴기; 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 헤테로아릴기 또는 이들의 헤테릴기; 또는, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기, 헤테로알킬아릴기 또는 이들의 헤테릴기;일 수 있다.
상기 R7 내지 R9는 각각 독립적으로, 수소; 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 알케닐기, 아릴알킬기 또는 아릴알케닐기; 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 아릴시클로알킬기 또는 아릴시클로알케닐기; 탄소수 6 내지 20의 아릴기; 또는, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기;일 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 화학식 3으로 표시되는 리간드 화합물은 일 예로, 아닐린 화합물의 2번 및 6번 탄소가 상기 R5 및 R6으로 치환된 화합물일 수 있고, 2번과 6번 탄소에 치환되는 그룹에 따라 리간드 화합물 및 이를 포함하는 올리고머화 촉매계의 특성이 변화될 수 있다.
상기 2번 탄소 위치에 메틸기가 치환될 경우, 비대칭 구조를 이룰 수 있도록 6번 탄소 위치에는 2번 탄소 위치에 치환된 그룹과는 다른 그룹이 치환될 수 있다.
비제한적인 예로, 탄소수 2 또는 3의 알킬기, 알케닐기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기 또는 이들의 헤테릴기인 직쇄 그룹이 치환될 수 있고; 탄소수 4 내지 20의 알킬기, 알케닐기, 아릴알킬기, 아릴알케닐기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기, 헤테로아릴알킬기, 헤테로아릴알케닐기 또는 이들의 헤테릴기가 치환될 수 있다.
또한, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 아릴시클로알킬기, 아릴시클로알케닐기 헤테로시클로알킬기, 헤테로시클로알케닐기, 헤테로아릴시클로알킬기, 헤테로아릴시클로알케닐기 또는 이들의 헤테릴기가 치환될 수 있고; 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 헤테로아릴기 또는 이들의 헤테릴기가 치환될 수 있으며; 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기, 헤테로알킬아릴기 또는 이들의 헤테릴기;가 치환될 수 있다.
또한, 2번 탄소 위치에 탄소수가 2 내지 20의 알킬기가 치환될 경우, 6번 탄소 위치에는 2번 탄소 위치에 치환된 치환기와 동일하거나 다른 그룹이 치환될 수 있다.
비제한적인 예로, 탄소수 2 내지 20의 알킬기, 알케닐기, 아릴알킬기, 아릴알케닐기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기, 헤테로아릴알킬기, 헤테로아릴알케닐기 또는 이들의 헤테릴기가 치환될 수 있고; 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 아릴시클로알킬기, 아릴시클로알케닐기 헤테로시클로알킬기, 헤테로시클로알케닐기, 헤테로아릴시클로알킬기, 헤테로아릴시클로알케닐기 또는 이들의 헤테릴기가 치환될 수 있으며; 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 헤테로아릴기 또는 이들의 헤테릴기가 치환될 수 있고; 또는, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기, 헤테로알킬아릴기 또는 이들의 헤테릴기;가 치환될 수 있다.
상기와 같은 아닐린기의 치환 그룹들의 구조적인 특징으로 인하여, 상기 리간드 화합물을 포함하는 촉매계는 전이 금속 주위의 전자적, 입체적 환경 등의 여러 가지 조건에 따라 PNP-Cr이 용이하게 상호 작용하여, 높은 올리고머화 반응 활성을 나타낼 수 있으면서도, 특히 1-헥센, 1-옥텐 등에 대한 높은 선택도를 나타낼 수 있고, 나아가, 올리고머화에서 적은 양으로도 생성물에 큰 영향을 끼치는 1-헥센 이성질체의 양을 크게 줄일 수 있으며, 부수적으로는 1-헥센의 증가 및 1-헥센 이성질체의 감소에 따라 분리가 불필요할 수 있음에 따른 에너지 절감의 효과도 가져올 수 있다.
상기 리간드 화합물은 하기 반응식 2와 같은 방법으로 합성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[반응식 2]
Figure pat00012
상기 반응식 2에서, G1은 상기 화학식 3의 R5 내지 R9를 갖는 페닐기일 수 있고, G2 및 G3는 각각 상기 화학식 3의 R1 내지 R4일 수 있으며, X는 할로겐기일 수 있다.
상기 반응식 2는 상기 화학식 3으로 표시되는 리간드 화합물을 합성하는 일반적인 반응식으로서, 아민과 포스핀이 반응하여 다이포스피노아민을 생성하는 반응일 수 있다. 즉, 아민이 친핵체로서 포스핀의 X로 표시되는 이탈기를 이탈시키고 치환되는 반응일 수 있으며, 상기 X는 이탈된 후 안정하여 이탈되기 쉬운 작용기라면 특별히 제한은 없고, 대표적으로는 할로겐기로서 Cl, Br, 또는 I가 있을 수 있다.
리간드 화합물 및 전이금속 화합물
이러한 선택적인 올레핀 올리고머화 반응은 사용하는 촉매 시스템과 밀접한 관련이 있다. 올레핀 올리고머화 반응시 사용되는 촉매계는, 주촉매 역할을 하는 전이금속 화합물과, 조촉매를 포함하는데, 이 때 리간드의 화학구조에 따라 활성 촉매의 구조를 변화시킬 수 있고, 이에 따른 올레핀 선택도나, 활성 또는 부산물 생성량 등이 다르게 나타날 수 있다.
상기 본 명세서의 다른 일 실시예에 따른 올리고머화 촉매계의 전이금속 화합물은 주촉매 역할을 하는 것으로, 전술한 바와 같은 리간드 화합물과 배위결합 된 상태일 수 있다.
구체적으로, 전이금속 화합물과 상기 화학식 2로 표시되는 다이포스핀 모이어티를 2 이상 포함하는 리간드 화합물은 하기 화학식 2-1로 표시되는 것과 같이 배위결합 할 수 있다.
[화학식 2-1]
Figure pat00013
상기 화학식 2-1에서, R1 내지 R4는 상기 화학식 1과 동일하며, *는 상기 화학식 2와 동일하고, 상기 M은 전이금속일 수 있으며, 바람직하게 Cr일 수 있고, 상기 X1 내지 X3은 각각 서로 독립적으로 H, F, Cl, Br, I, 또는, 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 알케닐기, 아릴알킬기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기 또는 헤테로아릴알킬기, 또는 할로겐기일 수 있다.
또한, 전이금속 화합물과 상기 화학식 2a로 표시되는 리간드 화합물은 하기 화학식 2a-1로 표시되는 것과 같이 배위결합 할 수 있다.
[화학식 2a-1]
Figure pat00014
상기 화학식 2a-1에서, R1 내지 R4, X1 내지 X3 및 M은 상기 화학식 2-1에서 정의한 바와 같으며, R1` 내지 R4` 및 X1` 내지 X3`도 R1 내지 R4, X1 내지 X3와 동일하다.
그리고, 전이금속 화합물과 상기 화학식 3으로 표시되는 리간드 화합물은 하기 화학식 3-1로 표시되는 것과 같이 배위결합 할 수 있다.
[화학식 3-1]
Figure pat00015
상기 화학식 3-1에서, X1 내지 X3 및 M은 상기 화학식 2-1에서 정의한 바와 같으며, R1 내지 R9는 상기 화학식 3에서 정의한 바와 동일하다.
구체적으로, 상기 전이금속 화합물은, 유기크롬 화합물을 포함할 수 있고, 상기 유기크롬 화합물은, 예를 들면, 크롬(III)아세틸아세토네이트, 삼염화크롬트리스테트라하이드로퓨란, 크롬(III)-2-에틸헥사노에이트, 크롬(III)트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵테인디오네이트), 크롬(III)벤조일아세토네이트, 크롬(III)헥사플루오로-2,4-펜테인디오네이트 및 크롬(III)아세테이트하이드록사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
조촉매
상기 조촉매는 13족 금속을 포함하는 유기금속 화합물로서, 일반적으로 전이금속 화합물 촉매 하에 올레핀을 다량화 할 때 사용될 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 조촉매는 하기 화학식 4 내지 6으로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
[화학식 4]
-[Al(R5)-O]c-
상기 화학식 4에서, R5은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 라디칼, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌 라디칼, 또는 할로겐으로 치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌 라디칼이고, c는 2 이상의 정수이며,
[화학식 5]
D(R6)3
상기 화학식 5에서,
D는 알루미늄 또는 보론이고, R6는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌 또는 할로겐으로 치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌이고,
[화학식 6]
[L-H]+[Q(E)4]-
상기 화학식 6에서,
L은 중성 루이스 염기이고, [L-H]+는 브론스테드 산이며, Q는 +3 형식 산화 상태의 붕소 또는 알루미늄이고, E는 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌, 알콕시 작용기 또는 페녹시 작용기로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.
상기 화학식 4로 표시되는 화합물로는, 예를 들어 개질메틸알루미녹산(MMAO), 메틸알루미녹산(MAO), 에틸알루미녹산, 이소부틸알루미녹산, 부틸알루미녹산 등이 될 수 있다.
상기 화학식 5로 표시되는 알킬 금속 화합물로는, 예를 들어 트리메틸알루미늄, 트리에틸알루미늄, 트리이소부틸알루미늄, 트리프로필알루미늄, 트리부틸알루미늄, 디메틸클로로알루미늄, 디메틸이소부틸알루미늄, 디메틸에틸알루미늄, 디에틸클로로알루미늄, 트리이소프로필알루미늄, 트리-s-부틸알루미늄, 트리씨클로펜틸알루미늄, 트리펜틸알루미늄, 트리이소펜틸알루미늄, 트리헥실알루미늄, 에틸디메틸알루미늄, 메틸디에틸알루미늄, 트리페닐알루미늄, 트리-p-톨릴알루미늄, 디메틸알루미늄메톡시드, 디메틸알루미늄에톡시드, 트리메틸보론, 트리에틸보론, 트리이소부틸보론, 트리프로필보론, 트리부틸보론 등일 수 있다.
상기 화학식 6으로 표시되는 화합물로는, 예를 들어 트리에틸암모니움테트라페닐보론, 트리부틸암모니움테트라페닐보론, 트리메틸암모니움테트라페닐보론, 트리프로필암모니움테트라페닐보론, 트리메틸암모니움테트라(p-톨릴)보론, 트리프로필암모니움테트라(p-톨릴)보론, 트리에틸암모니움테트라(o,p-디메틸페닐)보론, 트리메틸암모니움테트라(o,p-디메틸페닐)보론, 트리부틸암모니움테트라(p-트리플루오로메틸페닐)보론, 트리메틸암모니움테트라(p-트리플로로메틸페닐)보론, 트리부틸암모니움테트라펜타플루오로페닐보론, N,N-디에틸아닐리니움테트라페닐 보론, N,N-디에틸아닐리니움테트라페닐보론, N,N-디에틸아닐리니움테트라펜타플루오로페닐보론, 디에틸암모니움테트라펜타플루오로페닐보론, 트리페닐포스포늄테트라페닐보론, 트리메틸포스포늄테트라페닐보론, 트리에틸암모니움테트라페닐알루미늄, 트리부틸암모니움테트라페닐알루미늄, 트리메틸암모니움테트라페닐알루미늄, 트리프로필암모니움테트라페닐알루미늄, 트리메틸암모니움테트라(p-톨릴)알루미늄, 트리프로필암모니움테트라(p-톨릴)알루미늄, 트리에틸암모니움테트라(o,p-디메틸페닐)알루미늄, 트리부틸암모니움테트라(p-트리플루오로메틸페닐)알루미늄, 트리메틸암모니움테트라(p-트리플루오로메틸페닐)알루미늄,트리부틸암모니움테트라펜타플루오로페닐알루미늄, N,N-디에틸아닐리니움테트라페닐알루미늄, N,N-디에틸아닐리니움테트라페닐알루미늄, N,N-디에틸아닐리니움테트라펜타플로로페닐알루미늄, 디에틸암모니움테트라펜타플루오로페닐알루미늄, 트리페닐포스포늄테트라페닐알루미늄, 트리메틸포스포늄테트라페닐알루미늄, 트리페닐카보니움테트라페닐보론, 트리페닐카보니움테트라페닐알루미늄, 트리페닐카보니움테트라(p-트리플로로메틸페닐)보론, 트리페닐카보니움테트라펜타플루오로페닐보론등일 수 있다.
상기 일 실시예의 올리고머화 촉매계의 조촉매로 바람직하게는 알루미녹산을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 메틸알루미녹산(MAO) 또는 개질메틸알루미녹산(MMAO)을 사용할 수 있다.
올레핀 올리고머화 방법
본 명세서의 또 다른 실시예에 따르면, 리간드 화합물, 전이금속 화합물 및 조촉매를 포함하는 올리고머화 촉매계, 그리고, 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하는 반응용매의 존재 하에, 올레핀을 다량화 반응시키는 단계; 및 1-헥센을 포함하는 조성물과 1-옥텐을 포함하는 조성물을 생성물로 얻는 단계;를 포함하는 올레핀 올리고머화 방법이 제공된다.
상기 올리고머화 촉매계로는 이에 한정되는 것은 아니지만, 전술한 바와 같은 리간드 화합물, 전이금속 화합물 및 조촉매를 포함할 수 있으며, 이를 사용할 경우 반응의 활성도 및 선택도가 향상된 올레핀의 올리고머화 방법을 제공할 수 있고, 이 때, 상기 올레핀은 에틸렌을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응용매는 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유할 수 있으며, 예컨대, n-헵탄, 2-메틸헥산, 3-메틸헥산, 3-에틸펜탄, 2,3-디메틸펜탄, 2,4-디메틸펜탄, 2,2-디메틸펜탄, 3,3-디메틸펜탄, 2,2,3-트리메틸부탄, 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 전술한 올리고머화 촉매계의 희석용매와 선택되는 범위가 동일하다.
다량화 반응시, 상기 올리고머화 촉매계는 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하는 희석용매를 더 포함할 수 있으며, 상기 반응용매와 희석용매는 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물이라면 종류에 있어서 특별한 제한은 없으며, 두 용매가 동일할 수도 있고 상이할 수도 있으나, 가능하다면 동일한 종류의 용매를 사용하는 것이 반응 효율, 공정 효율 또는 비용 절감 측면에서 바람직할 수 있다.
상기 반응용매는 소량의 알킬알루미늄으로 처리함으로써 촉매 독으로 작용하는 소량의 물 또는 공기 등을 제거하여 사용할 수 있으며, 이는 전술한 올리고머화 촉매계의 희석용매에도 해당될 수 있다.
상기와 같이, 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하는 반응용매를 올레핀의 다량화 반응시 사용할 경우에는, 반응물인 올레핀에 대한 용해도가 기존에 사용하던 용매에 비하여 클 수 있어 반응 효율이 높을 수 있고, 반응열을 제어하기 용이하여 공정 안정성이나 부산물 발생 등의 측면에서 이점이 클 수 있으며, 폴리올레핀과 같은 고체 생성물에 대한 용해도가 낮아 이를 분리하기가 용이할 수 있으며, 이에 따라 반응기 내에 파울링이 극히 줄어들 수 있다.
한편, 상기 반응용매는 올리고머화 촉매계의 희석용매와 상관성은 있을 수 있으나, 희석용매를 제외한 올리고머화 촉매계의 리간드 화합물, 전이금속 화합물 및 조촉매와는 올리고머화 반응에서 크게 영향을 받지 않을 수 있다. 즉, 올리고머화 촉매계가 다이포스피노 아미닐 모이어티를 포함하는 리간드 화합물과 전이금속 화합물이 유기크롬 화합물인 경우라면, 본 명세서에서 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하는 희석용매 및/또는 반응용매를 사용함으로써 얻고자 하는 효과는 얻을 수 있다.
상기 올리고머화 방법의 경우, 올레핀을 다량화 반응 시키는 단계는, 반응기 내에 반응용매가 투입된 상태에서 올레핀과 올리고머화 촉매계가 반응기로 투입됨으로써, 또는 반응용매와 올레핀이 반응기 내에 투입된 상태에서 상기 촉매계가 반응기로 투입됨으로써 개시될 수 있다. 이 때, 올리고머화 촉매계의 경우 희석용매를 포함하고 있을 수도 있으며, 반응용매와 희석용매의 종류가 동일하다면, 올리고머화 촉매계 희석시 희석용매를 반응용매로도 필요한 양만큼을 사용하면 되며, 이 경우에는 별도로 반응용매를 반응기에 투입하지 않을 수 있다.
또한, 상기 올리고머화 방법은, 다량화 반응 이후, 생성물로써 1-헥센을 포함하는 조성물과 1-옥텐을 포함하는 조성물을 얻는 단계가 진행될 수 있다. 이러한 생성물을 얻는 단계는 다량화 반응에 의해 생성된 생성물들을 증류탑 등의 장치를 통하여 분리 공정을 수행하는 단계일 수 있다.
상기 분리 공정에서는 다량화 반응에 사용되는 용매의 종류에 따라서 분리에 필요한 에너지가 상이할 수 있으며, 일반적으로는 주 생성물인 1-헥센의 비점과 1-옥텐의 비점의 사이에서 비점을 갖는 화합물을 반응용매로 사용할 수 있다. 이 경우에는 분리 에너지 측면에서 상당히 유리할 수 있고, 본 명세서에 따른 희석용매 및/또는 반응용매는 상기와 같은 조건에 부합할 수 있어 분리 에너지를 저감할 수 있다.
다만, 이와 같은 조건에 부합하는 용매는 다양할 수 있지만, 전술한 바와 같이, 본 명세서에 따른 희석용매 및/또는 반응용매의 경우, 분리 에너지 측면에서 보다는 올리고머화 촉매계와의 상호작용, 다량화 반응의 반응열 제열, 열전달, 반응물 및 생성물에 대한 용해도 측면에서 보다 유리할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 이점을 갖는 본 명세서에 따른 희석용매 및/또는 반응용매는 1-헥센과 1-옥텐을 분리할 때에 순도 100%로 분리하는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에, 1-헥센과 1-옥텐으로 분리된 각각의 조성물에 포함되어 분리될 수 있고, 그 함량은 약 10 ppm 이상일 수 있다.
본 명세서에 따른 올레핀 올리고머화 방법은, 상기 올리고머화 촉매계와 통상적인 장치 및 접촉기술을 이용하여 불활성 용매의 존재 또는 부재 하에서 균질 액상 반응, 촉매 시스템이 일부 용해되지 않거나 전부 용해되지 않는 형태인 슬러리 반응, 2상 액체/액체반응, 또는 생성물 올레핀이 주매질로 작용하는 벌크상 반응 또는 가스상 반응으로 가능하며, 균질 액상 반응이 바람직할 수 있다.
상기 올레핀 올리고머화 반응은 약 5℃ 내지 약 200℃의 온도, 바람직하게는 약 30℃ 내지 약 150℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 올레핀 올리고머화 반응은 약 1 bar 내지 약 300 bar의 압력에서, 바람직하게는 약 2 bar 내지 약 150 bar의 압력에서 수행될 수 있다.
상기 온도 및 압력 조건의 범위는 올레핀을 다량화 반응 시키는 호적의 조건일 수 있으며, 상기 온도 범위 및 압력 범위 내에서 올레핀을 다량화 시킬 때, 원하는 알파-올레핀에 대해 선택도가 우수할 수 있고, 부산물의 양이 저감될 수 있으며, 공정 운용 상 효율을 상승시키고 비용을 절감할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
< 올리고머화 촉매계의 제조>
모든 반응은 Schlenk technique이나 glove box를 이용하여 아르곤 하에서 진행되었다. 합성된 리간드는 Varian 500 MHz spectrometer를 이용하여 1H (500 MHz)와 31P (202 MHz) NMR spectra를 찍어 분석하였다. Shift는 residual solvent peak를 reference로 하여 TMS로부터 downfield에서 ppm으로 나타내었다. Phosphorous probe는 aqueous H3PO4로 calibration 하였다.
제조예 1
리간드 화합물의 제조
Figure pat00016
아르곤 하에서 3-(아미노메틸)-3,5,5-트리메틸시클로헥사아민 (3-(aminomethyl)-3,5,5-trimethylcyclohexanamine) (5 mmol) 과 트리에틸아민 (3 ~ 10 equiv. to amine)을 다이클로로메테인 (80 mL)에 녹였다. 플라스크를 water bath에 담근 상태에서, 클로로다이페닐포스핀 (chlorodiphenylphosphine) (20 mmol, 2 equiv. to amine)을 천천히 넣고, 밤새 교반하였다. 진공을 잡아 용매를 날린 후, THF를 넣어 충분히 교반하여 air-free glass filter로 염화 트리에틸암모늄염 (triethylammonium chloride salt)를 제거하였다. 여과액에서 용매를 제거하여 상기 리간드 화합물을 얻었다.
리간드 화합물 및 전이금속 화합물의 혼합
아르곤 가스 하에서 Cr(acac)3 (17.5 mg, 0.014 mmol)와, 상기 합성예1에 따라 제조된 리간드 화합물 (1.1 PNP eq. to Cr)을 플라스크에 넣고 100 ml의 n-헵탄을 첨가하고 교반하여 0.5 mM (Cr기준)용액을 제조하였다.
제조예 2
Figure pat00017
3-(아미노메틸)-3,5,5-트리메틸시클로헥사아민 대신 2-메틸-6-에틸아닐린을 사용한 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 상기 도시된 리간드 화합물을 제조하였다. 상기 리간드 화합물을 이용하여 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 촉매 용액을 제조하였다.
<알파-올레핀 올리고머의 제조>
실시예 1
600 ml 용량의 Parr 반응기를 준비하여 180℃로 2시간 동안 진공을 잡은 후, 내부를 아르곤으로 치환하고 온도를 60℃로 내렸다. 그 후, 반응 용매로 175 ml의 n-헵탄과, 조촉매로 MMAO (8.6 wt%, 아이소헵테인 용액) 1.6 ml (Al/Cr=1200)를 주입하고, 상기 제조예 1에서 제조한 촉매 용액 5 ml (2.5umol)를 반응기에 주입하였다. 60 bar로 맞춰진 에틸렌 라인의 벨브를 열어 반응기 안을 에틸렌으로 채운 다음, 500 rpm으로 15분간 교반하였다.
에틸렌 라인 벨브를 잠그고, 반응기를 드라이 아이스/아세톤 bath를 이용하여 0℃로 식힌 후, 미반응 에틸렌을 천천히 vent 하고 노네인(GC internal standard)을 1 ml 넣어주었다. 이 후, 반응기의 액체 부분을 조금 취하여 물로 quench 하고, 유기층을 PTFE 실린지 필터로 필터하여 GC 분석을 수행하였다.
남은 반응액에 에탄올/HCl (10 vol%) 400 ml를 넣어 교반하고 필터링하여 폴리머를 얻었다. 수득한 폴리머는 60℃ vacuum 오븐에 밤새 건조하고, 무게를 측정하였다.
실시예 2
상기 제조예 2에서 제조된 촉매 용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 올리고머화, GC 분석 및 수득된 폴리머의 무게 측정을 수행하였다.
실시예 3
반응용매 및 촉매계 희석용매로 헵탄 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 상기 제조예 2 및 실시예 2와 동일한 방법으로 올리고머화, GC 분석 및 수득된 폴리머의 무게 측정을 수행하였다. 상기 헵탄 혼합물은 탄소수가 7개이며, 비환형인 탄화수소 화합물의 이성질체 혼합물을 의미한다.
비교예 1
반응용매 및 촉매계 희석용매로 메틸사이클로헥산을 사용한 것을 제외하고는 상기 제조예 1 및 실시예 1과 동일한 방법으로 올리고머화, GC 분석 및 수득된 폴리머의 무게 측정을 수행하였다.
비교예 2
반응용매 및 촉매계 희석용매로 사이클로헥산을 사용한 것을 제외하고는 상기 제조예 2 및 실시예 2와 동일한 방법으로 올리고머화, GC 분석 및 수득된 폴리머의 무게 측정을 수행하였다.
비교예 3
반응용매 및 촉매계 희석용매로 n-펜탄을 사용한 것을 제외하고는 상기 제조예 2 및 실시예 2와 동일한 방법으로 올리고머화, GC 분석 및 수득된 폴리머의 무게 측정을 수행하였다.
실험예 1: 활성 및 선택도 평가
상기 실시예 1 내지 3과, 비교예 1 내지 3의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
반응
용매		 촉매계 희석용매 활성 1-C6+1-C8 고형 알파 올레핀 ΔT
ton/molCr/hr wt% wt% ℃
실시예 1 n-헵탄 218 84.4 0.7 30
실시예 2 n-헵탄 131 87.3 1.2 10
실시예 3 헵탄 혼합물 231 89.6 0.7 38
비교예 1 메틸사이클로헥산 196 84.3 1.6 40
비교예 2 사이클로헥산 186 87.9 3.1 43
비교예 3 n-펜탄 18 78.7 1.0 -
상기 표 1을 참조하면, 반응용매에 따라서, 촉매의 활성이나, 올레핀에 대한 선택도에는 크게 영향이 주지 못하는 것으로 결과가 나타났으나, 열전달 및 반응열의 제열 측면에서 평가될 수 있는 ΔT의 경우에는 실시예들이 비교예들 보다 우수한 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 반응열을 제열하는 측면에서 올리고머화의 반응온도가 60℃인 점을 고려한다면, 실시예 2의 경우, 반응온도가 최고 70℃까지 상승했지만, 비교예 1의 경우에는 최고 100℃까지 상승했음을 확인할 수 있고, 비교예 2에서 사용한 용매의 경우에는 반응열을 제어하지도 못할뿐더러(최고 103℃까지 상승), 부산물도 실시예들에 비하여 상당히 많이 생성되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 3의 경우에는 활성이 상당히 좋지 못한 수준으로 나타나고 있어 반응열의 제어가 어려운 것은 물론 원활한 반응의 수행도 어려울 수 있음을 확인하였다.
이를 통하여, 본 명세서에 따라 반응용매 및/또는 희석용매로 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 사용하면 반응열의 제열 및 부산물의 생성량의 제어를 보다 효과적으로 수행할 수 있음을 알 수 있었다.
실험예 2: 반응기의 파울링 여부 관찰
반응용매의 사용에 따른 반응기 내 파울링 여부에 대하여 평가하기 위해, 상기 실시예 2 및 비교예 2의 반응 후 반응기의 임펠러(impeller) 및 딥(dip), 그리고 반응기의 내벽을 육안으로 관찰하였고, 그 결과를 도 1 내지 4에 나타내었다.
도 1 내지 4는 실시예 2 및 비교예 2의 반응 후의 반응기 내부 장치들(임펠러, 내벽, 딥 등)을 육안 관찰 하면서, 촬영한 사진으로서, 용매 사용에 따른 반응기의 파울링 여부를 명확하게 보여주고 있다.
구체적으로, 반응용매로 n-헵탄을 사용한 실시예 2의 결과인 도 1 및 2를 보면, 도 1에 나타난 반응기의 임펠러나 딥, 또는 도 2에 나타난 반응기 내벽에는 반응기의 외부 노출로 잔여 조촉매(MMAO)와 공기의 접촉에 따른 약간의 오염물만이 존재할 뿐, 백색의 고체물질 등이 응고되어 있는 등의 파울링 현상은 전혀 찾아볼 수 없었다.
그러나, 반응용매로 사이클로헥산을 사용한 비교예 2의 결과인 도 3 및 4를 보면, 도 1 및 2와 극명하게 상반되는 결과로서 임펠러, 딥 및 반응기 내벽 등 반응물, 촉매 등이 접촉된 모든 곳에는 상당한 양의 백색 고체가 응고되어 있음을 확인할 수 있었으며, 이는 상기 실험예 1에서 나타난 고형 알파 올레핀의 생성량과도 일맥상통하는 결과라는 점도 확인할 수 있었다.
이를 통하여, 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 반응용매 및/또는 희석용매로 사용할 경우에는, 반응기의 파울링 현상을 크게 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (17)

  1. 리간드 화합물; 전이금속 화합물; 및 조촉매;를 포함하고,
    탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하는 희석용매를 더 포함하는 올리고머화 촉매계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물은 n-헵탄, 2-메틸헥산, 3-메틸헥산, 3-에틸펜탄, 2,3-디메틸펜탄, 2,4-디메틸펜탄, 2,2-디메틸펜탄, 3,3-디메틸펜탄 및 2,2,3-트리메틸부탄으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상인 것인 올리고머화 촉매계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리간드 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 다이포스핀 모이어티를 함유하는 것인 올리고머화 촉매계:
    [화학식 1]
    Figure pat00018

    상기 화학식 1에서, 상기 A는 N, As 또는 Sb이며, 상기 R1 내지 R4는 각각 독립적으로 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기이다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 리간드 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 다이포스핀 모이어티를 2 이상 포함하고,
    상기 2 이상의 다이포스핀 모이어티 사이를 연결하는 연결기는, 하이드로카빌기로서 다이포스핀 모이어티간 최단거리의 탄소수가 2 내지 8개인 것인 올리고머화 촉매계:
    [화학식 2]
    Figure pat00019

    상기 화학식 2에서, 상기 A, R1 내지 R4는 상기 화학식 1과 동일하고, 상기 *는 2 이상의 다이포스핀 모이어티를 연결하는 연결기이다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연결기는 탄소수 1 내지 20의 지방족 그룹, 탄소수 2 내지 20의 헤테로 지방족 그룹, 탄소수 3 내지 20의 지환족 그룹, 탄소수 3 내지 20의 헤테로 지환족 그룹, 탄소수 6 내지 20의 방향족 그룹 및 탄소수 6 내지 20의 헤테로 방향족 그룹으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 그룹이 결합된 것인 올레핀 올리고머화 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 리간드 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 포함하는 것인 올리고머화 촉매계:
    [화학식 3]
    Figure pat00020

    상기 화학식 3에서,
    상기 R1 내지 R4는 상기 화학식 1과 동일하며,
    상기 R5는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이고,
    상기 R5가 메틸기인 경우, 상기 R6는 탄소수 2 또는 3의 알킬기, 알케닐기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기 또는 이들의 헤테릴기인 직쇄 그룹; 탄소수 4 내지 20의 알킬기, 알케닐기, 아릴알킬기, 아릴알케닐기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기, 헤테로아릴알킬기, 헤테로아릴알케닐기 또는 이들의 헤테릴기; 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 아릴시클로알킬기, 아릴시클로알케닐기 헤테로시클로알킬기, 헤테로시클로알케닐기, 헤테로아릴시클로알킬기, 헤테로아릴시클로알케닐기 또는 이들의 헤테릴기; 탄소수 6 내지 20의 아릴기, 헤테로아릴기 또는 이들의 헤테릴기; 또는, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기, 헤테로알킬아릴기 또는 이들의 헤테릴기;이며,
    상기 R5가 탄소수 2 내지 20의 알킬기인 경우, 상기 R6는 탄소수 2 내지 20의 알킬기, 알케닐기, 아릴알킬기, 아릴알케닐기, 헤테로알킬기, 헤테로알케닐기, 헤테로아릴알킬기, 헤테로아릴알케닐기 또는 이들의 헤테릴기; 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 아릴시클로알킬기, 아릴시클로알케닐기 헤테로시클로알킬기, 헤테로시클로알케닐기, 헤테로아릴시클로알킬기, 헤테로아릴시클로알케닐기 또는 이들의 헤테릴기; 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 헤테로아릴기 또는 이들의 헤테릴기; 또는, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기, 헤테로알킬아릴기 또는 이들의 헤테릴기;이고,
    상기 R7 내지 R9는 각각 독립적으로, 수소; 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 알케닐기, 아릴알킬기, 또는 아릴알케닐기; 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기, 시클로알케닐기, 아릴시클로알킬기, 또는 아릴시클로알케닐기; 탄소수 6 내지 20의 아릴기; 또는, 탄소수 7 내지 20의 알킬아릴기;이다.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 화학식 3의 R7 내지 R9는 수소인 것인 올리고머화 촉매계.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전이금속 화합물은 유기크롬 화합물을 포함하고, 상기 유기크롬 화합물은 크롬(III) 아세틸 아세토네이트, 삼염화 크롬 트리스 테트라하이드로퓨란, 크롬(III)-2-에틸헥사노에이트, 크롬(III) 트리스 (2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵테인디오네이트), 크롬(III) 벤조일 아세토네이트, 크롬(III) 헥사플루오로-2,4-펜테인디오네이트 및 크롬(III) 아세테이트 하이드록사이드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 올리고머화 촉매계.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 조촉매는 하기 화학식 4 내지 6으로 표시되는 화합물들로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 올리고머화 촉매계:
    [화학식 4]
    -[Al(R5)-O]c-
    상기 화학식 4에서,
    R5은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 라디칼, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌 라디칼, 또는 할로겐으로 치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌 라디칼이고, c는 2 이상의 정수이며,
    [화학식 5]
    D(R6)3
    상기 화학식 5에서,
    D는 알루미늄 또는 보론이고, R6는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소 또는 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌 또는 할로겐으로 치환된 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌이고,
    [화학식 6]
    [L-H]+[Q(E)4]-
    상기 화학식 6에서,
    L은 중성 루이스 염기이고, [L-H]+는 브론스테드 산이며, Q는 +3 형식 산화 상태의 붕소 또는 알루미늄이고, E는 각각 독립적으로 1 이상의 수소 원자가 할로겐, 탄소수 1 내지 20의 하이드로카빌, 알콕시 작용기 또는 페녹시 작용기로 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 20의 아릴기 또는 탄소수 1 내지 20의 알킬기이다.
  10. 리간드 화합물, 전이금속 화합물 및 조촉매를 포함하는 올리고머화 촉매계, 그리고, 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하는 반응용매의 존재 하에, 올레핀을 다량화 반응시키는 단계; 및
    1-헥센을 포함하는 조성물과 1-옥텐을 포함하는 조성물을 생성물로 얻는 단계;를 포함하는 올레핀 올리고머화 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 올리고머화 촉매계는 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 함유하는 희석용매를 더 포함하는 것인 올레핀 올리고머화 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물은 n-헵탄, 2-메틸헥산, 3-메틸헥산, 3-에틸펜탄, 2,3-디메틸펜탄, 2,4-디메틸펜탄, 2,2-디메틸펜탄, 3,3-디메틸펜탄 및 2,2,3-트리메틸부탄으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상인 것인 올레핀 올리고머화 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 1-헥센을 포함하는 조성물은 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 10 ppm 이상 포함하는 것인 올레핀 올리고머화 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 1-옥텐을 포함하는 조성물은 탄소수가 7인 비환형 탄화수소 화합물을 10 ppm 이상 포함하는 것인 올레핀 올리고머화 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 올레핀은 에틸렌을 포함하는 것인 올레핀 올리고머화 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 다량화 반응 압력은 1 내지 300 bar인 것인 올레핀 올리고머화 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 다량화 반응 온도는 5 내지 200 ℃인 것인 올레핀 올리고머화 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190077735A (ko) 2017-12-26 2019-07-04 주식회사 엘지화학 리간드 화합물의 정제 방법, 이로부터 정제된 리간드 화합물을 포함하는 올리고머화 촉매 시스템 및 이를 이용한 올레핀의 올리고머화 방법

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Title
1. Chem. Commun., 2002, 858

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