WO1999037692A1 - Katalytisch beschleunigte gasphasenreaktionen - Google Patents

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WO1999037692A1
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Peter Chen
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Christian Hinderling
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Peter Chen
Plattner Dietmar A
Christian Hinderling
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Definitions

  • the present invention relates to a process for carrying out an anionically or cationically catalytically accelerated gas phase reaction, a process for carrying out a catalytically accelerated gas phase polymerization and uses of the processes and polymers prepared by the process according to the invention.
  • the catalysts are generally arranged on support substances and thereby added.
  • the carrier together with the catalyst is kept in the gaseous reaction mixture by means of a fluidized bed.
  • catalysts which are arranged on carrier substances are used, so-called metal locene-based catalysts being used recently, which are arranged, inter alia, on silica gel or magnesium chloride as carrier particles.
  • the reaction rate usually has to be negatively influenced by the presence of the solvent and the counterions.
  • the solvent can react partially with the catalyst or form complexes by addition to the active anion or cation, as a result of which the activity of the catalyst is reduced.
  • the solvent also destroys a favorable electrostatic interaction that exists in the gas phase.
  • these catalysts are so-called Ziegler-Natta catalysts or catalysts suitable for carrying out so-called metathesis processes.
  • the object is achieved by a method according to the wording, in particular according to claim 1.
  • the active anion or the active cation which forms the catalyst, as a free anion or cation without a corresponding counterion and at least to a large extent - 3 -
  • the substance forming the catalyst is first introduced into a solvent or activated in solution and then the solvent and the counterion are largely removed before being introduced into the gaseous reaction mixture.
  • Electrospray ionization, thermospray ion evaporation or with so-called atmospheric pressure ionization is introduced.
  • So-called Ziegler-Natta catalysts or metallocene catalysts are particularly suitable as catalysts, which are first dissolved and activated in a suitable solvent.
  • the catalyst thus dissolved and activated is then sprayed by means of electrospray, thermospray or ion evaporation or by means of atmospheric pressure ionization, the spraying generally being carried out under high pressure, while simultaneously enveloping the spray cloud in an inert gas such as nitrogen or Noble gas.
  • an inert gas such as nitrogen or Noble gas.
  • the anion or cation now isolated in this way which serves as a catalyst for the reaction, is then introduced into a reaction space in which the gaseous reaction mixture or the gaseous monomer to be polymerized is arranged. It is it is possible to arrange several reaction stages or spaces one after the other in order to carry out subsequent chain-forming polymerization reactions, in particular in the case of the polymerization.
  • FIG. 1 shows an electrospray arrangement which can generally be found in mass spectrometers, a slightly modified Finnigan-MAT-TSQ7000 electrospray tandem mass spectrometer, with an octopole-quadrupole-octopole-quadrupole (for carrying out the experiments described below, 01 / Q1 / 02 / Q2) - arrangement equipped, was used, similarly described by Armentrout et al. (Ref. 1) with directed ion beams, but with an electrospray instead of a conventional ion source (see Ref. 2).
  • FIG. 1 shows an electron spray ion source 1, which is formed by a cylindrical electrode 3.
  • the solvent loaded with the catalyst is introduced into a first region A via a hypodermic needle or a fine inlet tube 5, the sprayed solvent with catalyst being shown schematically by means of a spray cloud 13.
  • This hypodermic needle is encased by inlet pipes 5 for a protective gas, such as nitrogen or an inert gas, which is sprayed with the solvent when sprayed.
  • a conditioning gas is introduced via lines 9 into the first area A in order to condition the sprayed solvent, including the activated catalyst, to a certain temperature.
  • a voltage is applied in the area of the discharge nozzle 11 of the cylindrical electrode 3, in the order of magnitude from 0 to +8 kV or in the order of magnitude from 0 to -8 kV.
  • the catalyst electrospray mist is passed through a heated capillary 13, at the end of which a tubular lens 17 is arranged, on which a voltage of approximately 0 to +200 or 0 to -200 V is applied. Via this tubular lens 17, the electrospray mist is discharged into a subsequent area B, in which a vacuum is applied in order to suck off evaporated solvent, for example via a separating pump 19.
  • a separator 21 which is grounded, the counterion is also collected, so that through the passage opening 23 arranged in the separator only the anion or cation responsible for the catalytic acceleration can pass into a first reaction area C, in which one first octopole arrangement 25 is provided. In this first octopole area, the inert gas or protective gas or conditioning gas is displaced by the reaction gas, so that the catalytically accelerated gas phase reaction is initiated.
  • an analytical area D which has a quadrupole arrangement typical of a mass spectrometer for the analysis of the reaction mixture.
  • the gas phase reaction is continued in a subsequent reaction region E, again having an octopole arrangement 29, for example in order to generate oligomers.
  • the reaction products are analyzed again in the final, subsequent analysis area F, again having a quadrupole arrangement 31.
  • a so-called dinode and an electrical amplifier 33 are arranged at the end of the reaction arrangement.
  • This example is about the addition of several olefin units to an isolated alkyl-zirconocene cation in the gas phase.
  • the addition of 1-butene to free cations takes place at a diffusion-controlled rate which is 10 7 to 10 8 times faster than the corresponding solvent phase addition, in which the metallocene cation is part of an ion pair, often with one or more coordination - ligands (eg solvents).
  • the observed reaction corresponds to the repeated chain reaction steps of a Ziegler-Natta polymerization (ref. 3), which has been well investigated in solution with similar homogeneous catalysts, and has never been previously observed in mass spectrometer studies of isolated ions.
  • meters can be regarded as a reasonable model for the industrial process and can therefore provide suitable analytical and mechanistic options.
  • Hydrogen loss and CH 4 loss products which are believed to have ⁇ -allyl structures, are catalytically inactive in Ziegler-Natta polymerization. Accordingly, the addition of more than one unit of an olefin could not be observed.
  • II is formed as a chemically activated species, which behaves best entropically when there is no collision, namely through dissociation.
  • Enthalpy-favored reactions e.g. Addition reactions, mostly take place under high pressure or condensed phase
  • the chemistry subsequent to the incorporation of an olefin unit in the metal-carbon bond corresponds to the condensed-phase and high-pressure gas-phase chemistry, but with an extraordinary increase in speed by a factor of 10 a to 10 7 , which in large-scale manufacturing processes of stereo-uniform high -performance polyolefins is used.
  • Example 2 Olefin metathesis and ring opening metathesis polymerization using an electrosprayed ruthenium-carbene complex in the gas phase.
  • the new complex VIII had the mass of an adduct of V and norbornene, as one would expect for the product of a one-step ring opening metathesis polymerization reaction (ROMP). Mass selection of VIII and collision in the second octopole region with either argon or norbornene led to the loss of the norbornene mass from the ion and presumably to the reformation of V.
  • Electrospray ionization of medium to large organometallic complexes has only recently been described (Ref. 15), but has not been systematically linked (Ref. 16) to the large number of ion-molecule reaction techniques that are associated with small gas phases -organometallic ions (Lit.
  • the absolute reaction rate is the exception to the similarities of the gas phase and solvent phase reactions.
  • the olefin metathesis and ring opening metathesis polymerization reactions described here are up to a factor of approximately 10 7 relative to the solvent phase rate in the work of Grubbs ( Lit. 1 9) accelerated.
  • the effect is most likely due to the ion dipole or ion induced dipole interactions - 19 -
  • the present invention is naturally not intended to refer to the use of metallocene catalysts for carrying out polymerization reactions or to Ziegler-Natta catalysts in connection with the implementation of metathesis or metathesis ring opening Polymerization reactions may be limited.
  • the two examples only serve to explain the present invention in more detail and also to illustrate the analogy of the reactions by means of comparisons with catalysts correspondingly applied to support substances or with catalysts present in solutions and thus to prove that the anionic or ka ionic catalysts favor the corresponding gas reactions catalytically.
  • the choice of the inert gas and the conditioning it depends, for example, whether the solvent can be removed completely or whether, for example, traces of the solvent still adhere to the catalyst. It is essential to the invention that the free anion or free cation, which serves as a catalyst for accelerating the gas phase reaction, is introduced into the gaseous reaction mixture without a counter ion and largely without solvent. This can be done, for example, by means of electrospray, by means of thermal spray or by means of atmospheric pressure ionization. - 22 -

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Durchführung einer anionisch oder kationisch katalytisch beschleunigten Reaktion in Gasphase wird der Katalysator als freies Anion oder Kation ohne entsprechendes Gegenion sowie mindestens weitgehendst lösungsmittelfrei in das gasförmige Reaktionsgemisch eingebracht. Dabei wird der Katalysator in einem Lösungsmittel aktiviert und anschliessend das Lösungsmittel sowie das Gegenion vor dem Einbringen in das Reaktionsgemisch weitgehendst entfernt. Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Verfahren ist insbesondere geeignet für die Herstellung von Polyolefinen.

Description

- 1 -
Katalytisch beschleunigte Gasphasenreaktionen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer anionisch oder kationisch katalytisch beschleunigten Gasphasenreaktion, ein Verfahren zur Durchführung einer kataly- tisch beschleunigten Gasphasenpolymerisation sowie Verwendungen der Verfahren und Polymerisate, hergestellt nach dem erfin- dungsgemässen Verfahren.
Bei anionisch oder kationisch katalytisch beschleunigten Gas- phasenreaktionen oder in einem Reaktor mit nasser Suspension werden die Katalysatoren in der Regel auf Trägersubstanzen angeordnet und dadurch beigefügt .
Im Falle von auf Trägersubstanzen angeordneten Katalysatoren für die Durchführung einer sogenannten heterogenen Katalyse wird der Träger samt Katalysator mittels einer Wirbelschicht im gasförmigen Reaktionsgemisch gehalten. Insbesondere bei Polymerisation in Gasphase, wie beispielsweise der Herstellung von Polyolefinen, werden derartige, auf Trägersubstanzen angeordnete Katalysatoren verwendet, wobei neuerdings sogenannte Metal- locen-basierende Katalysatoren verwendet werden, welche unter anderem auf Silicagel oder Magnesiumchlorid als Trägerpartikel angeordnet werden. Der grosse Vorteil dieser auf Metallocen- Verbindungen basierenden Katalysatoren liegt darin, dass selektive bzw. gesteuerte Reaktionsabläufe ermöglicht werden und somit die Herstellung von Polymeren ermöglicht wird, mit gegen- über den heute gebräuchlichen Polymeren wesentlich verbesserten Eigenschaften, insbesondere in bezug auf Elastizität, Wärme- formbestätigkeit, Härte etc.
Die Herstellung derartiger, beispielsweise auf Metallocen- Verbindungen basierenden Katalysatoren ist aber nach wie vor - 2 -
sehr teuer und kompliziert, muss doch zunächst die den Katalysator bildende Substanz auf dem Trägermaterial abgelagert werden und anschliessend aktiviert werden, beispielsweise mittels Alkylierungsmitteln oder mit sogenannten Lewis-Säuren. Damit wird aber auch die Herstellung der entsprechenden Polymere, wie beispielsweise der Polyolefine, basierend auf derartigen Metal- locen-Katalysatoren, sehr teuer.
Bei der Verwendung von in Lösungsmitteln gelösten ionischen Katalysatoren besteht das Problem, dass in der Regel durch die Anwesenheit des Lösungsmittels und die Gegenionen die Reaktionsgeschwindigkeit negativ beeinflusst werden muss. Zudem kann das Lösungsmittel partiell mit dem Katalysator reagieren bzw. durch Anlagerung am aktiven Anion oder Kation Komplexe bilden, wodurch die Aktivität des Katalysators reduziert wird. Ausser- dem vernichtet das Lösungsmittel eine günstige elektrostatische Wechselwirkung, die in der Gasphase besteht. In der Regel handelt es sich bei diesen Katalysatoren um sogenannte Ziegler- Natta-Katalysatoren bzw. um Katalysatoren, geeignet für die Durchführung von sogenannten Metathese-Prozessen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Einbringen von anionischen oder kationischen Katalysatoren in ein Gasphasenreaktionsgemisch zur katalytischen Beschleunigung der Reaktion vorzuschlagen ohne die vorab beschriebenen Nachteile .
Erfindungsgemäss wird die gestellte Aufgabe mittels einem Verfahren gemäss dem Wortlaut insbesondere nach Anspruch 1 gelöst .
Vorgeschlagen wird, dass das aktive Anion bzw. das aktive Kation, welches den Katalysator bildet, als freies Anion oder Kation ohne entsprechendes Gegenion sowie mindestens weitgehendst - 3 -
frei von irgendwelchen Lösungsmitteln in das gasförmige Reaktionsgemisch eingebracht wird.
Gemäss einer Variante wird vorgeschlagen, dass die den Katalysator bildende Substanz zunächst in einem Lösungsmittel einge- bracht bzw. gelöst aktiviert wird und anschliessend das Lösungsmittel sowie das Gegenion vor dem Einbringen in das gasförmige Reaktionsgemisch weitgehendst entfernt werden.
Das Einbringen eines Anions oder Kations ohne entsprechendes Gegenion und weitgehendst lösungsmittelfrei ist möglich, indem der Katalysator in das gasförmige Reaktionsgemisch mittels
Elektrospray-Ionisation, Thermospray-Ionenverdampfung oder mit sogenannter Atmospheric Pressure Ionisation eingeführt wird.
Als Katalysatoren eignen sich insbesondere sogenannte Ziegler- Natta-Katalysatoren oder Metallocen-Katalysatoren, welche zu- nächst in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst und aktiviert werden. Anschliessend erfolgt das Versprühen des so gelösten und aktivierten Katalysators mittels Elektrospray, Thermospray bzw. Ionenverdampfung oder mittels Atmosphärendruck-Ionisation, wobei in der Regel die Versprühung unter Hochdruck erfolgt, un- ter gleichzeitigem Einhüllen der Versprühwolke in ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas. Durch Erwärmen sowie durch Anlegen eines Vakuums wird mindestens ein Teil des versprühten Lösungsmittels entfernt sowie das zum Katalysator entsprechende Gegenion mittels Anlegen eines elektri- sehen Potentials bzw. einer elektrischen Spannung. Das nun so isolierte Anion oder Kation, welches der Reaktion als Katalysator dient, wird anschliessend in einen Reaktionsraum eingeführt, in welchem das gasförmige Reaktionsgemisch bzw. das zu polymerisierende gasförmige Monomer angeordnet ist . Dabei ist es möglich, mehrere Reaktionsstufen bzw. -räume nacheinander anzuordnen, um insbesondere im Falle der Polymerisation sich nachfolgende, kettenbildende Polymerisationsreaktionen durchzuführen .
Durch diese relativ einfache Herstellung ausserst effizienter anionischer oder kationischer Katalysatoren (d.h. mit 106 - 107 mal höherer Reaktivität) für die katalytische Beschleunigung von Gasphasenreaktionen wird es beispielsweise möglich, die nach wie vor teuren, aber technisch hochstehenden Metallocen- basierenden Polyolefin-Herstellverfahren zu verbilligen, und zwar in einen Kostenbereich, der demjenigen von linearen Nie- derdruck-Polyethylen- und Polypropylen-Herstellprozessen entspricht. Die Herstellprozess-Kostendifferenz ergibt sich nun nicht mehr aus der Differenz der Herstellung der Katalysatoren, sondern lediglich weitgehendst aus der Differenz der Herstellung der Monomere.
Ähnlich günstige Resultate lassen sich generell bei mit Zieg- ler-Natta-Katalysatoren beschleunigten Gasphasenreaktionen sowie Ringöffnungs-Metathese-Polymerisationsreaktionen in Gaspha- se erzielen, bei welchen in der Regel kationische Katalysatoren verwendet werden. Mittels Elektrospray oder Ionenverdampfung des Katalysators kann die Polymerisation beispielsweise von Gasphase-Olefin-Monomer-Molekülen auf einfache Art und Weise induziert werden.
Die Erfindung wird nun nachfolgend unter Verwendung einer Reaktoranordnung gemäss Figur 1 und unter Bezug auf die nachfolgend angeführten Beispiele von Gasphasereaktionen näher erläutert .
Dabei zeigt Fig. 1 schematisch und vereinfacht eine Reaktionsanordnung, in welcher ein Katalysator mittels Elektrospray - 5 -
in ein gasförmiges Reaktionsgemisch eingeführt wird, zur Durchführung und Analyse einer katalytisch beschleunigten Gasphasenreaktion bzw. der mittels der Reaktion hergestellten Produkte.
Fig. 1 zeigt eine in der Regel in Massenspektrometern anzutref- fende Elektrospray-Anordnung, wobei für die Durchführung der nachfolgend beschriebenen Experimente ein leicht modifiziertes Finnigan-MAT-TSQ7000-Elektrospray-Tandem-Massenspektrometer, mit einer Octopol-Quadrupol-Octopol-Quadrupol (01/Q1/02/Q2) - Anordnung ausgerüstet, verwendet wurde, ähnlich beschrieben von Armentrout et al . (Lit. 1) mit gerichteten Ionenstrahlen, allerdings mit einer Elektrospray- statt einer konventionellen Ionenquelle (siehe Lit. 2).
Die vereinfacht schematisch dargestellte Anordnung gemäss Fig. 1 weist zunächst eine Elektronenspray-Ionenquelle 1 auf, welche durch eine zylindrische Elektrode 3 gebildet wird. Über eine hypodermische Nadel bzw. ein feines Einlassrohr 5 wird das mit dem Katalysator beladene Lösungsmittel in einen ersten Bereich A eingeführt, wobei das versprühte Lösungsmittel mit Katalysator schematisch mittels einer Sprühwolke 13 dargestellt ist . Ummantelt ist diese hypodermische Nadel durch Einlassrohre 5 für ein Schutzgas, wie beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas, welches beim Versprühen mit dem Lösungsmittel eingenebelt wird.
Ebenfalls im Bereich der zylindrischen Elektrode wird ein Kon- ditioniergas über Leitungen 9 in den ersten Bereich A eingeführt, um das versprühte Lösungsmittel, beinhaltend den aktivierten Katalysator, auf eine bestimmte Temperatur zu konditio- nieren . - 6 -
Im Bereich der Ausgabedüse 11 der zylindrischen Elektrode 3 wird eine Spannung angelegt, in der Grössenordnung von 0 bis +8 kV bzw. in der Grössenordnung von 0 bis -8 kV. Im ersten Bereich A herrscht in etwa atmosphärischer Druck.
Aus dem Bereich A in einen nachfolgenden Bereich B wird der Ka- talysator-Elektrospray-Nebel durch eine erhitzte Kapillare 13 geführt, an deren Ende eine rohrförmige Linse 17 angeordnet ist, an welcher eine Spannung von ca. 0 bis +200 bzw. 0 bis -200 V angelegt wird. Über diese Rohrlinse 17 wird der Elektro- spray-Nebel in einen nachfolgenden Bereich B ausgegeben, in welchem ein Vakuum angelegt wird, um verdampftes Lösungsmittel beispielsweise über eine Abscheidepumpe 19 abzusaugen. Durch Anordnen eines Abscheiders 21, welcher geerdet ist, wird zudem das Gegenion aufgefangen, so dass durch die im Abscheider ange- ordnete Durchlassöffnung 23 lediglich das für die katalytische Beschleunigung verantwortlich Anion bzw. Kation in einen ersten Reaktionsbereich C hindurch gelangen kann, in welchem eine erste Octopol-Anordnung 25 vorgesehen ist. In diesem ersten Octo- pol-Bereich wird das Inertgas bzw. Schutzgas oder Konditionier- gas durch das Reaktionsgas verdrängt, so dass die katalytisch beschleunigte Gasphasenreaktion initiiert wird.
Anschliessend an den Bereich C folgt ein analytischer Bereich D, aufweisend eine für ein Massenspektrometer typische Quadru- pol-Anordnung, für die Analyse des Reaktionsgemisches.
In einem erneut nachfolgenden Reaktionsbereich E, wiederum aufweisend eine Octopol-Anordnung 29, wird die Gasphasenreaktion fortgesetzt, beispielsweise, um Oligomere zu erzeugen. Im abschliessend nachfolgenden, erneuten Analysebereich F, wiederum aufweisend eine Quadrupol-Anordnung 31, werden erneut die Reaktionsprodukte analysiert.
Am Ende der Reaktionsanordnung ist eine sogenannte Dinode sowie ein elektrischer Verstärker 33 angeordnet.
Entlang der Reaktionsanordnung ist es möglich, unterschiedliche Vakuumdrücke anzulegen, d.h., dass beispielsweise in den analytischen Quadrupol-Bereichen D und F ein wesentlich höheres Vakuum angelegt werden kann als in den Octopol-Bereichen C und E.
Erstes Beispiel: Gasphasen-Ziegler-Natta-Polymerisation mittels Alkyl-Zirconocen-Kationen in einem Elektrospray-Ionisations- Tandem-Massenspektrometer .
In diesem Beispiel geht es um die Addition von mehreren Ole- fineinheiten zu einem isolierten Alkyl-Zirconocen-Kation in der Gasphase. Die Addition von 1-Buten zu freien Kationen findet bei einer diffusionsgesteuerten Geschwindigkeitsrate statt, welche 107 bis 108 mal schneller ist als die entsprechende Lösemittelphase-Addition, bei welchen das Metallocen-Kation Teil von einem Ionenpaar ist, oft mit einem oder mehreren koordinie- renden Liganden (z.B. Lösungsmittel). Die beobachtete Reaktion entspricht den mehrfach sich nachfolgenden Kettenreaktions- Schritten von einer Ziegler-Natta-Polymerisation (Lit. 3), welche bestens untersucht in Lösung mit ähnlichen homogenen Katalysatoren, vorab nie in Massenspektrometer-Studien von isolier- ten Ionen beobachtet worden ist. Da die grosstechnische Herstellung von Metallocen-basierten Polyolefinen vielfach in lösemittelfreien Gasphasereaktoren mit "homogenen" Katalysatoren, aufgebracht auf einem inerten, festen Trägermaterial, durchgeführt wird, kann die Reaktion in einem Tandem-Massenspektro- - 8 -
meter als vernünftiges Modell für den industriellen Prozess betrachtet werden und kann deshalb geeignete analytische und mechanistische Möglichkeiten liefern.
Das Elektrospray-Ionisations-Tandem-Massenspektrometer (ESI- MS/MS) -Experiment (Lit. 4, 5) wurde in einem modifizierten Fin- nigan-MAT-TSQ7000-Massenspektrometer durchgeführt, wie unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Lösungen des Tetra (perfluoro- phenyl)borat-Salzes vom Methyl-Zirconocen-Kation I, (Cp2Zr- CH3)*, geeignet für Elektrospray, wurden durch Behandeln einer 10"3 molaren Lösung von Cp2Zr(CH3)2 in Acetonitril mit etwas weniger als einem Äquivalent von Dimethylanilinium-Tetra (perflu- orophenyl) borat (Lit. 6) als Aktivierungssäure hergestellt, gefolgt von einer zehnfachen Verdünnung mit CH2C12.
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Figure imgf000010_0001
I II (n = 1 ) III
Die Lösungen wurden mittels der Elektrospray-Vorrichtung unter "hohem" Druck von 10 mTorr Argon (Der maximale Druck wurde von den Pumpen eingeschränkt. Höhere Drücke sollten die Reaktion verbessern.) versprüht, wobei Argon im ersten Octopolbereich als Konditionier- bzw. Thermalisationsgas diente. Die Verteilung und die Intensitäten der Ausschläge im Massenspektrum waren ausserordentlich sensitiv auf Spuren von Wasser, Sauerstoff und anderen Kontaminationen im Einlassystem zum Spektrometer. Jedoch konnte ein grosser Ausschlag entsprechend zu (I + CH3CN) reproduzierbar beobachtet werden. Die Verwendung von 1-Buten anstelle von Argon im ersten Octopol-Bereich und die Erhöhung des Potentials der Kapillar-Rohrlinse, um Acetonitril-Liganden zu entfernen, führte zu der Ausbildung von neuen "Peaks", unter welchen diejenigen Massen entsprechend zu II (n = 1) und III am ausgeprägtesten waren. Das Addukt II (n = 1) ist das Produkt der Einschiebung einer Olefineinheit in die Zr-C-Bindung von I, währenddem III das Produkt darstellt, welches sich bildet durch H2-Verlust von II. Die Massenselektion von II (n = 1) in der ersten Quadrupol-Anordnung und die Kollision mit mehr 1-Buten (10 mTorr, beinahe null Kollisionsenergie) im zweiten Octopol- Bereich ergaben das Tochter-lonenmassenspektrum, dargestellt in Figur 2.
Zweifellos hat die Addition weiterer Olefineinheiten stattgefunden, mit II (n = 1-3) klar erkennbar und II (n = 4) nachweisbar, falls der Skalenmassstab zehnfach vergrössert wird.
Reaktion von I mit Isobutylen anstelle von 1-Buten im ersten Octopol-Bereich ergibt einen wesentlichen Peak infolge des Additionsproduktes mit keinem anschliessenden Verlust von H2 und lediglich einen kleinen Peak entsprechend einem CH4-Verlust (siehe nachfolgend) .
Die vorliegenden Resultate bestätigen die erste Beobachtung einer Ziegler-Natta-Polymerisation, beschleunigt durch isolierte Metallocen-Katalysator-Moleküle in der Gasphase . Frühere Anstrengungen, um Polymerisations-Reaktion in ICR(Ion Cyclotrone Resonance) -Experimenten (Lit. 7) zu beobachten, hauptsächlich durch Richardson, Eyler und Mitarbeiter (Lit. 8), führten immer zu der Produktion von III. Für eine grosse Anzahl von α- Olefinen, untersucht durch Richardson und Eyler, eine analoge Verbindung zu III (oder ein davon hergeleitetes Produkt) war das einzig beobachtete Produkt der Reaktion von I mit Olefinen, - 10 -
enthaltend ein ß-Wasserstoff . Allen allerdings ergab ein Produkt analog zu II (n = 1) , jedoch keine Nachfolgeprodukte. Im Falle von -Olefinen, welche kein ß-Wasserstoff enhalten, wie beispielsweise Isobutylen und α-Methylstyrol, erwähnen Ri- chardson und Eyler exklusive Umwandlung zu Produkten, welche erhalten werden durch den Verlust von CH4. Isotopisch gekennzeichnete Versuche in den späteren Experimenten zeigten ab- schliessend, dass die CH4-Verlustreaktion aus dem π-Komplex nachfolgt in Konkurrenz mit, wahrscheinlicher als nachfolgend, der Einfügung der Olefin-Einheiten in die Zr-C-Bindung. Die
Wasserstoffverlust- sowie CH4-Verlustprodukte, von welchen anzunehmen ist, dass sie π-Allylstrukturen aufweisen, sind katalytisch inaktiv in Ziegler-Natta-Polymerisation. Entsprechend konnte die Addition von mehr als einer Einheit eines Olefins nicht beobachtet werden.
Weder die Wasserstoffverlust- noch die CH4-Verlustreaktionen konnten in Ziegler-Natta-Polymerisationsreaktionen in Lösung oder in der Gasphase bei atmosphärischem Druck beobachtet werden. Richardson und Eyler erklären die Differenz zwischen ihren Resultaten und den Kondensiert-Phasen-Resultaten durch ungenügende Konditionierung (Thermalisation) der Zwischenstufen- Ionen, wie z.B. bei II im sehr niedrigen Umgebungsdruck in einer ICR-Spektrometerzelle. Zudem sind die Verweilzeiten und, sehr wichtig, die Kollisionszeiten sehr lang und erreichen ge- legentlich mehrere Sekunden. Die Exothermizitat einer Einfügungsreaktion kann leicht abgeschätzt werden als die Differenz der Bindungsenergie zwischen einer C-C-Einfachbindung und der π-Komponente von einer C=C-Doppelbindung, welche 20 bis 25 kcal/mol erreicht (die Zr-C-Bindungsstärke hebt sich auf) . - 11 -
Entsprechend wird II als chemisch aktivierte Spezies gebildet, welche bei Ausbleiben von Kollision sich entropisch am günstigsten verhält, namentlich durch Dissoziation. Enthalpiebegünstigte Reaktionen, wie z.B. Additionsreaktionen, erfolgen mehrheitlich unter Hochdruck oder Kondensiert-Phasen-
Bedingungen. Die vorliegenden Resultate mit der Reaktion von elektrogesprayten Ionen unter relativ Hochdruck-Konditionen entsprechen eher den Kondensiert-Phasen-Resultaten als denjenigen im ICR-Hochvakuum. Dieser Effekt ist auf die effizientere Thermalisierung bzw. Konditionierung in den Experimenten mit erhöhtem Druck zurückzuführen, wie auch auf die kürzeren Reaktionszeiten als Eigenschaft durch das gewählte spezielle Mas- senspektrums-Design. Im speziellen ergibt sich durch die vollständige Abwesenheit des Wasserstoff-Verlustes von II (n > 1) , dass die erhöhten Zustandsdichten, verbunden mit wachsenden Al- kyl-Seitenketten, die Wasserstoff-Verlustreaktion ausreichend hemmt, wodurch Kollisionsstabilisierung des Adduktes ermöglicht wird. Daraus kann geschlossen werden, dass die Resultate aus der verwendeten ESI-MS/MS-Technik direkt anwendbar sind auf Re- aktionen unter bekannteren Bedingungen. Trotzdem sind die inhärente Flexibilität und die Stromspannung der Tandem-Massenspektrumsmessungen durch die vorliegende Reaktionsanordnung (Lit. 9) erhältlich.
Der eindrücklichste Unterschied zwischen den vorliegenden Gas- haseresultaten und der analogen Reaktion in Lösung ergibt sich durch die enorme Reaktionsgeschwindigkeits-Beschleunigung. Eine Kinetikstudie des Cp2ZrCl2/MAO-Systems in Lösemittelphase- Olefinpolymerisation ergab einen Wert kp = 168 - 1'670 M"1 sec"1 bei 70°C mit einer absoluten Obergrenze von kp < 5000 M"1 sec"1 mit 75 - 100 % des verfügbaren Zirconiums, vorliegend in einer - 12 -
katalytisch aktiven Form (Lit. 20) . Falls man lediglich die höchste Geschwindigkeitskonstante zweiter Ordnung annimmt und diese mittels der Konzentration von 1-Buten entsprechend zu einem Druck 10 mTorr im zweiten Octopolbereich multipliziert, er- hält man eine Geschwindigkeitskonstante pseudoerster Ordnung von kp'~2.5 x 10"3 sec"1. Die 1/e-Lebensdauer von einem Alkyl Zirconocen-Kation in bezug auf die Addition von einem Olefin ergäbe somit: τ = l/kp'~400 sec. In einer vorangehenden Arbeit wurde die Durchgangszeit im zweiten Octopolbereich bei ungefähr 10 μsec. ermittelt. Die Untersuchung der sich nachfolgenden
Peakintensitäten von II (n = 1-4) in Fig. 2 ergibt jedoch, dass die beobachtete Lebensdauer ungefähr der Durchgangszeit entspricht, d.h. τ ~ 10 μsec., was bedeutet, dass die Reaktion der isolierten Alkyl-Zirconocen-Kationen in der Gasphase bei Abwe- senheit eines Lösungsmittels und eines Gegenions ungefähr 107 bis 108 mal schneller abläuft als die analoge Lösemittelphase. Dies deutet auf eine diffusionsgesteuerte Reaktion im Massen- spektrometer hin.
Fig. 2 zeigt das Tochter-Ionenspektrum, aufgenommen mittels Elektrospray von [Cp2Zr-CH3] * "B (CSF5) 4, gelöst in CH,C12/CH3CN,
Thermalisierung und Reaktion in Octopol 1 mit 1-Buten, massen- selektioniert von m/e = 291 im Quadrupol 1, weitere Reaktion mit weiterem 1-Buten in Octopol 2 unter Niedrigenergie, Mehr- fach-Kollisionsbedingungen, und schliesslich Massenanalyse in Quadrupol 2. Ein kleiner peak bei m/e = 459 ist erkennbar, falls die Skala vergrössert wird. Die Addition von bis zu vier Einheiten von 1-Buten ist erkennbar, woraus sich klar ergibt, dass die Ziegler-Natta-Polymerisations-Reaktion im Massenspek- trometer mit vollständig ungelösten Komplexen fortschreite . - 1 3 -
Obwohl zunächst überraschend, ist das Resultat aufgrund von zwei Gründen vernünftig:
(i) Abwesenheit eines Gegenions oder irgendeiner Ladungserzeugung selbst durch eines schwach koordinierenden Lösemittelmole- küls, und weiter durch das Fehlen eines Vorabgleichgewichtes, um die aktive Spezies zu bilden (Lit. 21) , sollten die isolierten Kationen an sich reaktiver sein, und
(ii) die elektrostatische Interaktion (Lit. 22) entweder des Ionen-Dipols oder des Ionen-induzierten Dipols, welche in Lö- sung abgeschirmt wird, erniedrigt effizient die Aktivierungs- energie einer Bimolekular-Ionenmolekül-Reaktion um 10 bis 20 kcal/mol, verglichen mit derselben Reaktion in Lösung. Für eine Lösemittelphasereaktion mit Ea ~ 10-12 kcal/mol (unter Berücksichtigung durch kp ~ lO^M^sec"1) sollte die entsprechende Gas- phasen-Ionenmolekül-Reaktion diffusionsgesteuert sein. Falls diese Erklärung zutrifft, sollte die Geschwindikgeitsbeschleu- nigung auf irgendeine Gasphasen-katalytische Reaktion von ungelösten ionischen Katalysatoren ohne Gegenionen angewendet werden können. Weiter liegt die Vermutung nahe, dass die Hoch- druckpolymerisation von einem α-Olefin (atmosphärischer Druck anstelle der verwendeten ungefähr 10 mTorr) mit einem elektro- gesprayten Ziegler-Natta-Katalysator ein Produkt ergibt mit einer sehr engen Verteilung der Kettenlängen. Falls einmal die wachsende Kettenlänge lang genug ist, um sich selbst "zu lö- sen", kann die Geschwindigkeitsrate abnehmen, was zu einem selbstregulierenden Verhalten der weiteren Polymerisation führt .
Zusammenfassend kann somit festgehalten werden, dass zum ersten Mal Ziegler-Natta-Polymerisation eines einfachen Olefins mit- tels ungelösten Metallocen-Katalysator-Molekülen, ohne ein Ge- - 1 4 -
genion, in Gasphase beobachtet werden konnte. Die Chemie nachfolgend des Einbaus einer Olefin-Einheit in die Metall- Kohlenstoff-Bindung entspricht der Kondensiert-Phasen- und Hochdruck-Gasphasen-Chemie, jedoch mit einer aussenordentlichen Geschwindigkeitserhöhung um einen Faktor 10ä bis 107, welche bei grosstechnischen Herstellverfahren von stereogleichmässigen high-performance Polyolefinen verwendet wird.
Beispiel 2: Olefin-Metathese- und Ringöffnungs-Metathese- Polymerisation mittels einem elektrogesprayten Ruthenium- Carbenkomplex in der Gasphase.
Eine Olefin-Metathesereaktion (Lit. 10) und eine Ringöffnungs- Metathese-Polymerisation in der Gasphase mittels dem wasserlöslichen Grubbs- (Lit. 11) Ruthenium-Benzyliden-Komplex IV konnte massenspektrometrisch beobachtet werden. Neben einer ersten Be- obachtung einer Olefin-Metathese in Gasphase mittels einem Komplex, welcher dieselbe Reaktion in Lösung ergibt, liefert die vorliegende massenspektrometrische Studie überraschenderweise die Gewissheit, dass Gasphasenreaktionen von einem RuCL2 (=CHPh) (PR2R' ) 2-Komplex weitgehendst analog verläuft zur ent- sprechenden Reaktionen in Lösung in jeglicher Hinsicht, ausser einer ausserordentlichen Geschwindigkeitserhöhung um einen Faktor > 106.
Die Elektrospray-Ionisation- (Lit. 4, 5) Tandem-massenspektro- metrischen (ESI-MS/MS) Experimente wurden in einem modifizier- ten Finnigan MAT TSQ-7000-Massenspektrometer, wie unter Bezug auf Figur 1 beschrieben, durchgeführt. Komplex IV wurde synthetisiert wie beschrieben durch Mohr, Lynn und Grubbs (Lit. 11) . Eine 10"s-molare CH2C12-Lösung des Diodid-Salzes von IV wurde anschliessend mit dem Olefin (1-Buten, Norbornen oder Cyclobu- - 1 5 -
ten) (Lit. 12) bei ungefähr 10 mTorr elektrogespray , wobei das Olefin im ersten Octopolbereich als Konditionier- bzw. Therma- lisationsgas diente. Bei relativ milden Dessolvatisations- Bedingungen, wie beispielsweise einem Kapillarrohr-Linsenpotential von 44 V, bestand das Massenspektrum aus dem Dikation IV, einem Monikation V, entsprechend dem Verlust eines Phos- phin-Liganden von IV, und einem zweiten Monokation VI mit einer Masse, welche angibt, dass einer der Chloridliganden in V durch ein Iodid ersetzt worden ist.
+ + β3N-^A^-PCy2 M ^K^y PCy2
Figure imgf000017_0001
α^.Ru=^ph-< ^ α^Ru=^ph *- |^.'Ru=^ph
Me3^^\^-PCy:
IV VI
Die Verwendung des D'ichloridsalzes von IV anstelle des Diodids eliminierten VI. Das Kapillarrohr-Linsenpotential wurde auf 150 V erhöht, so dass zunächst IV und anschliessend V verschwanden, und ein neuer "Peak" stellte sich ein, dessen Masse dem Olefin entspricht. Im Falle von 1-Buten als Olefin entsprach die neue Masse dem Ruthenium-Propyliden-Komplex VII, welcher aus einer Olefin-Metathese mit Reaktion mit dem Verlust von Styrol resultiert. Die Komplexe IV und VI lagerten keine Olefine in vergleichbaren Experimenten an. Im weiteren, wenn sowohl IV oder V im ersten Quadrupolbereich massenselektioniert wurden und anschliessend im zweiten Octopolbereich mit 1-Buten reagierten, war das einzige Metathese-Produkt in beiden Fällen VII (siehe Fig. 3; Fig. 3 zeigt ein Tochter-Ionenspektren, aufgenommen durch Elektrospray von IV in CH2C12-Lösung, desolvatisiert , Kollisionsentfernung eines Phosphinliganden und Thermalisierung - 16
in Octopol 1, Massenselektion von m/z = 546 in Quadrupol 1, gefolgt von Reaktion mit 1-Buten in Octopol 2 und schlussendliche Massenanalyse in Quadrupol 2) .
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0002
Mit Norbornen wies der neue Komplex VIII die Masse eines Adduk- tes von V und Norbornen auf, wie man erwarten würde für das Produkt einer Einstufen-Ringöffnungsmetathese-Polymerisations- Reaktion (ROMP) . Massenselektion von VIII und Kollision im zweiten Octopol-Bereich mit entweder Argon oder Norbornen führte zum Verlust der Norbornen-Masse vom Ion und vermutlich zur Reformation von V.
Mit dem reaktiveren Cyclobuten im ersten Octopol-Bereich während der Herstellung von V tritt nachweislich ein Addukt IX (n = 1) im Massenspektrum auf. Eine genauere Untersuchung des Massenspektrums lässt einen kleineren Massenpeak erkennen für IX (n = 2) , was darauf schliessen lässt, dass ein zweites Molekül von Cyclobuten eingefügt worden ist. - 17 -
Verschiedene reaktionsmechanistische Standpunkte können aus den Daten hergeleitet werden, sogar ohne Vorliegen der genaueren thermochemischen Messungen (via Kollisions-induzierten Reaktionsübergängen (Lit.13) , welche mit den vorliegenden Instru en- ten möglich sind) (Lit. 14) .
Elektrospray-Ionisation von mittleren bis grossen organo-metal- lischen Komplexen wurde erst kürzlich beschrieben (Lit. 15), wurde aber nicht systematisch (Lit. 16) mit der grossen Anzahl von Ionenmolekül-Reaktionstechniken verbunden, welche im Zusam- menhang mit kleinen Gasphasen-organo-metallischen Ionen (Lit.
17) erhältlich sind. Andere Arbeiten in der Ionenmolekül-Chemie haben Olefin-Metathesereaktionen beobachtet, im speziellen mit verschiedenen einfachen Metallkarbenen (Lit. 18), wie beispielsweise [Mn=CH2]+, [Fe=CH2] + und [Co=CH2]*, meistens durch Reaktion mit deuteriertem Ethylen. Die vorliegenden Resultate bestätigen allerdings das erste Beispiel, in welchem gezeigt wurde, dass ein Lösemittelphasen-Olefin-Metathese-Katalysator dieselbe Reaktion in der Gasphase auslöst. Kritisch in bezug auf die Signifikanz des Experiments ist die Tatsache, dass sich die Gasphase- und die Lösemittelphase-Reaktionen sehr ähnlich sind. Die erhaltenen Reaktionsmechanismen zeigen, dass viele Merkmale, welche bei Lösemittelphasen-Metathese-Reaktionen auftreten, ebenfalls in Gasphasereaktionen auftreten (mindestens tendentiell) . Die Dissoziation von einem Phosphin-Liganden vom formellen 18-e"-Komplex IV scheint notwendig zu sein, bevor die Metathese-Reaktion auftreten kann, als Beweis durch die Anwesenheit von Produkten, wie VII und der totalen Abwesenheit von Metathese-Produkten, enthaltend zwei der Phosphin-Liganden. Qualitativ ist Norbornen reaktiver mit V im Massenspektrometer als 1-Buten, wiederum wie zu erwarten. Mit Cyclo-Olefinen ist - 18 -
die Addition der ersten Monomereinheit wesentlich einfacher als die nachfolgenden Additionen. Dies in Übereinstimmung mit den Beobachtungen von Grubbs (Lit. 19), dass die Ruthenium- Benzyliden-Komplexe in Lösemittelphase-Ringöffnungs-Metathese- poly erisations-Reaktionen wesentlich schnellere Anfangsreaktionen (ungefähr neunmal) zeigen als die nachfolgenden Geschwindigkeiten der Kettenbildung. Die Parallelität der Gasphase- und der Lösemittelphase-Reaktivität wird durch eine ab- schliessende Beobachtung unterstrichen. Das Produkt der Me- tathese von 1-Buten durch den Komplex V ist Ruthenium-Propyl- iden VIII, und nicht das alternative Ruthenium-Methylen. Innerhalb des Signal-zu-Rausch-Spektrums von 50:1 oder besser ist der andere mögliche Produkt-Karben-Komplex abwesend. Es ist anzunehmen, dass dadurch eine kinetische Präferenz in der Me- tathese-Reaktion dargestellt ist, was dadurch zu erklären ist, dass die Reaktion nicht unter Gleichgewichtsbedingungen durchgeführt wird. Genau dieselbe kinetische Präferenz wurde von Grubbs (Lit. 19) bei Lösemittelphasereaktion von RuCl2(=CHPh) (Pcy3)2 mit 1-Buten erwähnt, wobei zuerst der Propy- lidenkomplex gebildet wird, bevor sich das Gleichgewicht zum thermodynamisch favorisierten Methylenkomplex einstellt.
Die absolute Reaktionsgeschwindigkeit bildet die Ausnahme zu den Ähnlichkeiten der Gasphase- und der Lösemittelphase- Reaktionen. Wie im Falle von Ziegler-Natta-Polymerisation bei ungelösten Metallocen-Kationen, werden die hier beschriebenen Olefin-Metathese- und Ringδffnungs-Metathese-Polymerisations- Reaktionen bis zu einem Faktor von ungefähr 107 relativ zur Lösemittelphase-Geschwindigkeit in den Arbeiten von Grubbs (Lit. 19) beschleunigt. Der Effekt ergibt sich höchstwahrscheinlich infolge der Ionendipol- oder Ionen-induzierten Dipolwechselwir- - 19 -
kung, welche allen Ionenmolekül-Reaktionen eigen ist, welche ungefähr 10 kcal/mol für die Überbrückung einer Aktivierungs- barriere für eine bimolekulare Reaktion (Lit. 23) liefern kann. Die Geschwindigkeitserhöhung ist nicht gross genug, damit alle Metathese-Reaktionen von V diffusionsgesteuert werden, da der Geschwindigkeits-Unterschied zwischen Addition von z.B. dem ersten Norbornen oder Cyclobuten und den nachfolgenden Additionen von jedem Olefin nach wie vor festzustellen ist.
In der Ringöffnungs-Metathese-Polymerisationsreaktion von V mit zwei Cycloolefinen könnte angenommen werden, dass die Komplexe mit Massen entsprechend zu sowohl VIII wie XI (n = 1) eher nur die π-Komplexe sein könnten als die Ringöffnungs-Metathese- Polymersationsprodukte. Die spontan reversible Bildung von VIII könnte als Beweis für eine derartige strukturelle Zuteilung in- terpretiert werden. Allerdings ergibt für Cyclobuten, dem reaktiveren der beiden Cycloolefine, die Beobachtung von IX (n = 2) definitiv, dass eine Einschiebung stattgefunden haben muss.
Als letzter Punkt ist zu erwähnen, dass währenddem Grubbs den "kationisierten" Trialkylphosphin-Liganden hergestellt hat, um die Wasserlöslichkeit herzustellen, für einen Metathese- Katalysator derselbe oder ähnliche Liganden verwendet werden können, lediglich um irgendwelche nichtgeladenen organometallischen Komplexe mit Phosphinliganden herzustellen, geeignet für Elektrospray-Anwendung in der Gasphase. Mit den weit- verbreiteten Phosphinliganden in der organometallischen Chemie und dem weiten Bereich von Tandem-Massenspektrometrie-Techniken, entwickelt für die Untersuchung von Ionenmolekül-Reaktionen, ist die Bandbreite von möglichen Anwendungen enorm. - 20 -
Abschliessend kann somit festgehalten werden, dass eine OlefinMetathese mittels eines Ruthenium-Benzyliden-Komplexes massen- spektrometrisch für elektroversprühte Ionen in Gasphase beobachtet werden konnte. Mehrere Merkmale der beobachteten Reakti- on entsprechen den beobachteten Merkmalen für denselben Komplex in Lösung. Eine enorme Beschleunigung der Gasphase-Reaktion im Vergleich mit derjenigen, welche im Lösungsmittel stattfindet, kann jedoch beobachtet werden.
Durch die beiden angeführten Beispiele soll die vorliegende Er- findung selbstverständlich nicht auf die Verwendung von Metal- locen-Katalysatoren für die Durchführung von Polymerisationsreaktionen bzw. auf Ziegler-Natta-Katalysatoren im Zusammenhang mit der Durchführung von Metathese- bzw. Metathese-Ringöff- nungs-Polymerisations-Reaktionen beschränkt sein. Die beiden Beispiele dienen lediglich dazu, die vorliegende Erfindung näher zu erläutern und auch anhand von Vergleichen mit entsprechend auf Trägersubstanzen aufgebrachten Katalysatoren oder mit in Lösungen vorliegenden Katalysatoren die Analogie der Reaktionen darzulegen und somit zu beweisen, dass die erfindungsge- mäss eingeführten anionischen bzw. ka ionischen Katalysatoren die entsprechenden Gas-Reaktionen katalytisch begünstigen. Untersuchungen der entsprechenden Reaktionsgeschwindigkeiten haben zudem gezeigt, dass gemäss dem vorliegenden erfinderischen Prinzip die entsprechenden Reaktionen bis zu 107-fach beschleu- nigt werden können, verglichen mit den entsprechenden Reaktionen, durchgeführt mit auf Trägern aufgebrachten Katalysatoren oder mit in Lösungsmitteln vorliegenden Katalysatoren. Somit ist es erfindungsgemäss nicht nur wesentlich einfacher und billiger, den entsprechenden anionischen oder kationischen Kataly- sator vorzulegen bzw. in das Reaktionsgemisch einzuführen, son- - 21 -
dem die Reaktion selbst wird auch wesentlich beschleunigt, was selbstverständlich ebenfalls kommerzielle Auswirkungen hat.
Weitere Reaktionen, welche erfindungsgemäss kationisch beschleunigt werden können, sind ebenfalls Additionsreaktionen von Olefinen, Hydrierungs- und Dehydrierungs-Reaktionen, sowie "normale" kationische oder anionische Polymerisations- Reaktionen.
Ebenfalls geht es in den vorliegenden Beispielen lediglich darum, das Grundprinzip der Erfindung darzulegen und keinesfalls darum, optimale Prozessbedingungen darzulegen. Dies ist insofern nicht möglich, da die beiden Beispiele in Laboranlagen durchgeführt worden sind und lediglich die Bildung von Monomeren bzw. Oligomeren bei Polymerisationsreaktionen untersucht worden sind und somit der praktische Bezug auf entsprechende grosstechnische Herstellung fehlt. So sind insbesondere Parameter, wie anzulegendes elektrisches Potential, Wahl des Lösungsmittels, Wahl des inerten Gases, Wahl des Konditionierungsgases etc. etc., schlussendlich zu optimierende Parameter, welche einerseits von der durchzuführenden Reaktion und andererseits von der Dimensionierung der entsprechenden Anlage abhängen. Insbesondere vom Anlegen des Potentials, Wahl des Inertgases und der Konditionierung ist beispielsweise abhängig, ob das Lösungsmittel vollständig entfernt werden kann, oder ob beispielsweise Spuren des Lösungsmittels noch am Katalysator anhaften. Erfindungswesentlich ist, dass das freie Anion bzw. freie Kation, welches als Katalysator für die Beschleunigung der Gasphasenreaktion dient, ohne Gegenion und weitgehendst lδsungsmit- telfrei in das gasförmige Reaktionsgemisch eingeführt wird. Dies kann beispielsweise mittels Elektrospray, mittels Thermo- spray oder mittels Atmospheric pressure ionisation erfolgen. - 22 -
1. K.M. Ervin, P.B. Armentrout, J. Chem. Phys. 1985, 83, 166.
2. Die Elektrospray-Quelle für massenspektrometrische Anwendungen wurde beschrieben: CM. Whitehouse, R.N. Dreyer, M. Yamashita, J.B. Fenn, Anal. Chem. 1985, 57, 675.
3 • A recent collection of reviews Covers progress in the field. Ziegler Cαtαlysts, G. Fink, R.
Mülhaupt, H.H. Brintzinger, ed., Springer: New York, 1995.
4 • The basic electrospray source for mass spectrometry is described by: CM. Whitehouse,
R.N. Dreyer, M. Yamashita, J.B. Fenn, Anal Chem. 1985, 57, 675.
5 • A complete monograph on the technique is: Electrospray Ionization Mass Spectrometry,
R.D. Cole, ed., John Wiley: New York, 1997.
6 . Generous donation of a sample of dimethy lanilinium tetrakis(pentafluorophenyl)borate by
Dr. Marc O. Kristen, BASF, is gratefully acknowledged.
7 . J.S. Uppal, D.E. Johnson, R.H. Staley, J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 508.
8. C.S. Christ, J.R. Eyler, D.E. Richardson, J. Am. Chem. Soc. 1988, HO, 4038; C.S. Christ, J.R. Eyler, D.E. Richardson, J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 596; N.G. Alameddin, M.F. Ryan, J.R. Eyler, A.R. Siedle, D.E. Richardson, Organometallics 1995, 14, 5005.
9 . For a recent monograph, see: Organometallic Ion Chemistry, Freiser, B. S., Ed.; Kiuwer:
Dordrecht, 1996.
1 0 . The olefin metathesis reaction. first recognized as such by: N. Calderon, H.Y. Chen, K.W.
Scott, Tetrahedron Leu. 1967, 3327; is reviewed thoroughly in a recent monograph: Olefin Metathesis and Metathesis Polymerization, Ivin, K.J., Mol, J.C., Academic Press, New York, 1997.
1 1 . B. Mohr, D.M.Lynn, R.H. Grubbs, Organometallics 1996, 15, 4317. - 23 - Cyclobutene was prepared by E2-eIimination from cyclobutyl tosylate. The material was checked by lH nmr to ensure that there was none of the isomeric 1,3-butadiene.
L.F. Halle, P.B. Armentrout, J.L. Beauchamp, Organometallics 1982, 1, 963; P.B. Armentrout, L.F. Halle, J.L. Beauchamp, J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 6501; P.B. Armentrout, J.L. Beauchamp, J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 784. For some more recent work on small complexes, see: L.S. Sunderlin, D. Wang, R.R. Squires, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 12060; L.S. Sunderlin, R.R. Squires, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 337.
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Claims

- 25 -Patentansprüche :
1. Verfahren zur Durchführung einer anionisch oder kationisch katalytisch beschleunigten Reaktion in Gasphase, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator als freies Anion oder Kation ohne entsprechendes Gegenion sowie mindestens weitgehendst lösungsmittelfrei in das gasförmige Reaktionsgemisch eingebracht wird.
2. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator in einem Lösungsmittel aktiviert wird und anschliessend das Lösungsmittel sowie das Gegenion vor dem Einbringen in das Reaktionsgemisch weitgehendst entfernt werden.
3. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des Katalysators in das gasförmige Reaktionsgemisch mittels Elektrospray-Ionisation, Thermospray-Ionenverdampfung oder mittels Atmospheric pressure ionisation erfolgt .
4. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den Katalysator bildende Sub- stanz in einem Lösungsmittel eingeführt wird, anschliessend das Katalysator-Ion aktiviert wird und vor dem Einführen des Katalysator-Ions in das gasförmige Reaktionsgemisch das Lösungsmittel mittels Konditionierung, angelegtem Vakuum, durch Verdampfen sowie ggf. mittels Ausblasen entfernt wird, sowie das Ge- genion durch Anlegen eines entsprechenden elektrischen Potentials.
5. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das den aktivierten Kata- - 26 -
lysator enthaltende Lösungsmittel mittels einer Elektrospray- Vorrichtung versprüht wird, anschliessend durch Erwärmen, Ausblasen, Anlegen eines Vakuums sowie mittels eines erhöhten elektrischen Potentials bzw. durch Anlegen einer elektrischen Spannung sowohl das Lösungsmittel wie auch das Gegenion entfernt werden und der so isolierte Katalysator in Form freier Anionen oder Kationen in eine Reaktionskammer eingeführt wird, in welcher das gasförmige Reaktionsgemisch vorliegt, zum kata- lytischen Beschleunigen der Gasphasereaktion.
6. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Versprühen des den aktiven Katalysator enthaltenden Lösungsmittels mittels Elektrospray weitgehendst unter atmosphärischen Bedingungen erfolgt .
7. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere nacheinander angeordnete Reaktionsbereiche bzw. Reaktionsstufen vorgesehen sind, für die Durchführung einer durch den Katalysator ausgelösten bzw. mit diesem beschleunigten Kettenreaktion bzw. Polymerisationsreaktion.
8. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Katalysator ein Ziegler-Natta- Katalysator verwendet wird, wie vorzugsweise ein Metallocen- Katalysator .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass es sich bei der katalytisch zu beschleunigenden Gasphasenreaktion um eine Metathese-Reaktion, um eine Metathese-Ringδffnungs-Polymerisation oder um eine Gasphasen- Polymerisationsreaktion handelt . - 27 -
10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Herstellung eines Polyolefins .
11. Polymerisat, erhältlich durch anionisch oder kationisch katalytisch beschleunigte Gasphasenpolymerisation, wobei das für die Beschleunigung verantwortliche Anion oder Kation ohne Gegenion und weitgehendst lösemittelfrei in das gasförmige Reaktionsgemisch eingeführt wird.
12. Polyolefin nach Anspruch 11, erhältlich durch anionisch oder kationisch katalytisch beschleunigte Gasphasenpolymerisa- tion, wobei das für die Beschleunigung verantwortliche Anion oder Kation ohne Gegenion und weitgehendst lösemittelfrei in das gasförmige Reaktionsgemisch eingeführt wird.
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