后過渡金屬烯烴聚合催化劑的研究進(jìn)展

宋文君孫俊龍

（1.東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，163318；2.大慶石化公司化肥廠，163714：黑龍江 大慶）

后過渡金屬烯烴聚合催化劑的研究進(jìn)展

宋文君1孫俊龍2

（1.東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，163318；2.大慶石化公司化肥廠，163714：黑龍江 大慶）

敘述了近幾年α,α′-二亞胺配體的后過渡烯烴聚合催化劑的研究近況，及關(guān)于此類催化劑負(fù)載化的最新研究成果。具有α,α′-二亞胺配體的后過渡金屬催化劑備受關(guān)注，這類催化劑是具有高活性的單活性中心催化劑，有良好的分子剪裁性，可以在分子層次上實現(xiàn)烯烴聚合的分子設(shè)計與組裝。

α,α′-二亞胺配體；后過渡金屬配合物；烯烴聚合；載體

Ziegler-Natta催化劑的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了聚烯烴商業(yè)生產(chǎn)的巨大發(fā)展。而茂金屬催化劑的采用又使得這一領(lǐng)域有了顯著的更新。在20世紀(jì)90年代中期，一種新型的催化劑被發(fā)現(xiàn)，以后過渡金屬和十分簡單的配體為基礎(chǔ)，所獲得的聚合物具有新型的微觀結(jié)構(gòu)[1-3]。在配體之中最為典型的是具有立構(gòu)要求的α,α′-二亞胺配體。這些雙齒配體具有合成簡單、產(chǎn)率高等特點，并且可以通過改變配體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對金屬中心的控制。本文首先對后過渡金屬作簡要的介紹，而后重點評述近幾年來對雙齒α,α′-二亞胺配體的后過渡金屬催化劑的結(jié)構(gòu)、催化性能及固載化等的研究情況。

1 后過渡金屬烯烴聚合催化劑

后過渡金屬絡(luò)合物催化劑是指以鎳、鈀、鐵、鈷等后過渡金屬原子為活性中心的，對烯烴聚合具有高活性的一類金屬配合物烯烴聚合催化劑。

雖然傳統(tǒng)的Ziegler-Natta催化劑和茂金屬催化劑對于聚烯烴的商業(yè)生產(chǎn)都起到了很大的推動作用，但不幸的是基于前過渡金屬的ziegler催化劑和茂金屬催化劑對于極性單體高度敏感，且在催化α,α′-烯烴聚合時無法實現(xiàn)對聚合物的定向控制。比較而言，由于后過渡金屬弱的親氧特性，因此具有更好的官能團(tuán)容忍度。它不僅可以實現(xiàn)烯烴與極性單體的共聚，而且可以在分子水平上對聚合物實現(xiàn)定向控制合成，提供近乎單一的聚烯烴支化結(jié)構(gòu)。它的出現(xiàn)無疑是對聚烯烴催化的又一次重要革新。其中含有雙齒N-N配體的二亞胺類后過渡金屬配合物備受關(guān)注，它不僅合成簡單，收率高，而且改變其配體骨架或芳環(huán)的取代基結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)不同的空間位阻效應(yīng)及電子效應(yīng)，獲得不同結(jié)構(gòu)和性能的烯烴聚合物[4-10]。

2 雙齒 α,α′-二亞胺配體催化劑

雙齒α,α′-二亞胺配體結(jié)構(gòu)的催化劑為帶有屬于α,α′-二亞胺配體一類的1,4-二氮雜環(huán)-1,3-丁二烯配體（N—N=R′N=C（R）C（R）=NR′，R′=烷基、芳基）的金屬化合物。1995年，美國Brookhart首次報道了 α,α′-二亞胺類鎳、鈀烯烴聚合催化劑[11]，它是第1例可以催化乙烯及α,α′-烯烴聚合成高相對分子質(zhì)量聚合物的后過渡金屬催化劑，其結(jié)構(gòu)為：

自此激發(fā)了相當(dāng)大的研究動力。亞胺C上的取代基R幾乎普遍是1個H原子或烷基團(tuán)或芳基基團(tuán)。這些α,α′-二亞胺通常由基本的胺類或苯胺類物質(zhì)和1,2-二酮（R=烷基、芳基）或乙二醛（R=H）縮合所制備。此前已有多篇關(guān)于類似結(jié)構(gòu)的綜述報道，在這里只敘述近幾年來相關(guān)結(jié)構(gòu)的研究新進(jìn)展。

Hua-Rong Liu等人合成了一種甲烷硅基化的α,α′-二亞胺配體（Ph 為苯基）

研究者通過改變其金屬中心的電子密度，提高了其針對α,α′-烯烴聚合或者是和極性單體的共聚合的活性，結(jié)果顯示，Ni配合物經(jīng)過一氯二乙基鋁或是甲基鋁氧烷活化后，可得到對于乙烯聚合具有非常高的活性的催化體系，并且對丙烯聚合也有適當(dāng)?shù)幕钚?。和非甲烷硅基化的?α′-二亞胺鎳配合物相比，Ni配合物所獲得的高活性可部分的歸因于—Si（tBu）Ph2芳環(huán)取代基的給電子效應(yīng)[12]。

為了系統(tǒng)的研究配體的電子效應(yīng)對后過渡金屬催化劑的影響，Christopher等人合成了一系列具有給電子和吸電子取代基的α,α′-二亞胺配體，并以鈀為中心金屬合成了相應(yīng)的催化劑[13]：

其中 X=NO2或 CF3、Cl、H、Me、OMe、NMe2。

這些催化劑被用于乙烯聚合及乙烯與丙烯酸甲酯的共聚合。發(fā)現(xiàn)具有供電子配體的催化劑所獲得的聚合物具有較高的相對分子質(zhì)量，而由具有強(qiáng)的吸電子基配體的催化劑可獲得更多樹狀的聚乙烯。這是第一次注意到催化劑配體的電子結(jié)構(gòu)對于聚乙烯模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有重要的作用。更引人注目的是，觀察到供電子配體在乙烯與MA的共聚合當(dāng)中，不僅導(dǎo)致產(chǎn)生高的共聚率，而且在某種程度上可減小鈍化作用。

同樣為了考察官能團(tuán)的電子效應(yīng)對催化體系的影響，李錦春等人對傳統(tǒng)的Brookhart型鎳二亞胺催化劑進(jìn)行了修飾，在苯環(huán)上引入了硝基，合成了具有較高活性的中性鎳配合物催化劑，合成路線如下[14-15]：

催化劑合成后，采用甲基鋁氧硅（MAO）為助催化劑，分別考察了催化劑對甲基丙烯酸甲酯（MMA）和丙烯酸甲酯（MA）的最佳聚合條件。其中對MMA的最佳聚合條件為 60 ℃、15 h、n（Al）/n（Ni）=600、n（MMA）/n（Cat）=1 000，在此條件下，催化劑具有較高的催化活性及較長的催化壽命，產(chǎn)物的相對數(shù)均分子質(zhì)量為82.6×103，單體轉(zhuǎn)化率為65.5%；對MA則最佳聚合溫度為 35 ℃、2 h、n（Al）/n（Ni）=250，此條件下聚合物相對數(shù)均分子質(zhì)量為24.1×103，催化劑活性為23.2 kg/（mol·h）。

Dieter Meinhard等采用了3,5-取代的三聯(lián)苯α,α′-二亞胺配體

這些特別的取代基決定了鎳中心前面的球形空間，因此限定了鏈增長和鏈端基異構(gòu)化的比率，得到的聚合產(chǎn)品具有很寬范圍的特性，產(chǎn)品級別可從高密度聚乙烯（HDPE）到線型低密度聚乙烯（LLDPE）。從其報道的聚合結(jié)果可看出，依靠特殊的復(fù)雜的取代基可以對產(chǎn)物的精確微觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)控制。

Zou等合成并表征了一系列不對稱α,α′-二亞胺化合物：

并用MAO活化后用于乙烯聚合[17]。根據(jù)13C NMR表征，可檢測出不對稱取代的苯胺和二元酮反應(yīng)的縮合產(chǎn)品中存在內(nèi)消旋（meso）和外消旋（rac）立體異構(gòu)體（配合物3）。在配合物3中的內(nèi)外消旋異構(gòu)體可以被分離并且可以通過X-ray衍射和NMR分析來識別。在低的聚合溫度下，配合物1-MAO得到的聚乙烯具有雙峰相對分子質(zhì)量分布，然而配合物2-MAO制得的聚乙烯具有單一形式的分布。在相同的聚合條件下由rac 3-MAO所制得的聚乙烯的相對分子質(zhì)量要顯著的高于由meso 3-MAO所制得的聚乙烯的相對分子質(zhì)量。這一事實支持了雙峰相對分子質(zhì)量分布的聚乙烯是由不對稱的α,α′-二亞胺鎳（II）配合物所制得的這種假設(shè)。證實了一種獨特的制備雙峰相對分子質(zhì)量分布的聚乙烯的方法。

Martin Lersch等描述了一種缺電子的 （N-N）PtCl2化合物的制備，這種化合物是在基本的α,α′-二亞胺配體金屬化合物的基礎(chǔ)上，將上面二亞胺C用CF3取代。據(jù)半經(jīng)驗的計算表明，R=全氟烴基或全氟芳基的引入會更加降低最低未占分子軌道（LUMO）并且使配體的π接受能力更加增強(qiáng)。這樣會致使這種化合物的金屬中心更加缺電子，伴隨著可能有效的影響二亞胺鉑化合物在C—H活化過程中的特征機(jī)理和內(nèi)在反應(yīng)[18]。該化合物結(jié)構(gòu)為：

Rachel K O′Reilly 等描述了R[N,N]FeX2（X=鹵素，R[N,N]=RN=CH—CH=NR，R=烷基、芳基）型的鐵系配合物[19]：

其中，X=Cl，R=tBu、c-C12H23、金剛烷、iPr、iBu（異丁基）；

其中，X=Cl，R′=R″=R?=Me，R′=H、R″=R?=iPr，R′=R″=H、R?=Me，R′=Br、R″=R?=Me；X=Br，R=tBu，R′=H，R″=R?=iPr。

將它們應(yīng)用于苯乙烯和丙烯酸鹽單體的可控聚合。這種催化劑以一種可控的方式，引起苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合。機(jī)理研究強(qiáng)烈表明，在苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯反應(yīng)的過程中，出現(xiàn)的是催化鏈轉(zhuǎn)移而不是外層空間電子轉(zhuǎn)移機(jī)理。這些鐵（II）烷基亞胺化合物在質(zhì)子載體高溫情況下，擁有很合理的穩(wěn)定性，允許甲基丙烯酸羥丙酯在25℃和60℃甲醇溶液中發(fā)生聚合反應(yīng)，聚合速率較快且對相對分子質(zhì)量也有很好控制作用。

Vitor Rosa 等人合成了一系列的[CoX2（α,α′-二亞胺）]型化合物[20]：

其 中 ，1：R=R′=Me，X=I；1a：R=R′=Me,X=Cl；2：R=iPr，R′=H，X=I；2a：R=iPr，R′=H，X=Cl；

其 中 ，3：R=R′=Me，X=Cl；4：R=iPr，R′=H，X=Cl；5：R=iPr，R′=H，X=I。

這些化合物是通過等量的無水的COCl2或COI2和相應(yīng)的α,α′-二亞胺配體，在CH2Cl2溶液中直接反應(yīng)所制備，產(chǎn)率達(dá)到75%～94%。通過元素分析、紅外、質(zhì)譜及X-ray衍射等表征方法，可推出化合物2～4的晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出圍繞鈷的扭曲的四面體幾何構(gòu)型，這個四面體結(jié)構(gòu)是由α,α′-二亞胺配體當(dāng)中的2個鹵素原子和2個氮原子所建立的。然而這一類化合物催化乙烯聚合的性能并不是很理想。其中化合物3和4及1a、2a被MAO活化并作為乙烯聚合催化劑來檢測，表現(xiàn)出了較低的催化活性。

3 固載化

盡管單中心催化劑有著自身獨特的優(yōu)勢，但由于其均相聚合的特點妨礙了在工業(yè)化上的順利應(yīng)用，如在聚合過程中會遇到劇烈放熱和嚴(yán)重的粘釜問題等等，此外，均相催化劑體系所制備的聚合物的顆粒形態(tài)還不能完全令人滿意，且催化劑的壽命也相對較短。因此將此催化劑體系直接用于現(xiàn)有的淤漿和氣相聚合的關(guān)鍵因素，在于使均相催化劑固載化。通常情況下采用無機(jī)或高聚物載體。如此，許多的課題組已經(jīng)開始研究將均相的α,α′-二亞胺鎳催化體系載體化。

如John等人報道的采用球形的MgCl2/AlRn（OEt）3-n為載體的方法，這種載體可很容易的由球形MgCl2乙醇溶液與烷基鋁加成所制備[21]。以這種載體負(fù)載的催化劑可不用MAO或硼酸鹽活化，它在某些情況下較之原有的均相催化劑和由二氧化硅負(fù)載的催化劑都有較大的優(yōu)勢，不僅保留了原有的單活性中心催化劑的特征，而且可具備更高的活性和極好的聚合物粉末形態(tài)。

金國新、張道等人制備出含有2個烯烴基團(tuán)的α,α′-二亞胺鎳催化劑，這類催化劑可在聚合的過程中通過自固載形成非均相催化劑，該課題組稱其為“自固載化”催化劑[22]。反應(yīng)式為：

其中，R=iPr。這類催化劑的自固載化作用使得自身的催化活性較傳統(tǒng)的不含烯烴基團(tuán)的催化劑有所提高，且其制得的聚合物產(chǎn)品形態(tài)大為改善，可以獲得微米級的準(zhǔn)球形聚乙烯顆粒。

而后，為了使負(fù)載化的烯烴聚合催化劑發(fā)揮理想的效果，該課題組在認(rèn)真的考查了各種載體的物理性質(zhì)以后，大膽的嘗試了直接以介孔分子篩SBA-15作載體，采用物理吸附和化學(xué)吸附的方法分別對上述α,α′-二亞胺鎳進(jìn)行了負(fù)載研究，并且測試了載體催化劑的乙烯聚合性能[23]。結(jié)果表明，此催化劑由于存在載體的孔道效應(yīng)，生成了纖維狀的聚乙烯，同時聚乙烯產(chǎn)品的相對分子質(zhì)量也有大幅度的提高。

該課題組還進(jìn)一步將上述催化劑制備成了高分子化的鎳系烯烴聚合催化劑。而后在無機(jī)載體SiO2存在下加入二乙烯交聯(lián)劑，獲得了具有殼核結(jié)構(gòu)的α,α′-二亞胺鎳催化劑[24]：

實驗結(jié)果表明，這2類催化劑不僅活性高，而且獲得的聚合產(chǎn)品的顆粒形態(tài)也有所改善，特別是殼核結(jié)構(gòu)的鎳催化劑可以獲得球形的聚乙烯顆粒，這歸因于聚合過程中的“模板效應(yīng)”。這種新的固載化方法使得鎳α,α′-二亞胺催化劑作為多相催化劑適用于現(xiàn)在通用的氣相聚合或於漿聚合反應(yīng)器成為可能，使得這類催化劑的工業(yè)化似乎更近了一步。

薛行華等人采用了以 MgCl2（THF）2負(fù)載[C6H5—N=C（CH3）C（CH3）=N—C6H5]NiCl2和 AlEt2Cl組成的催化體系進(jìn)行乙烯聚合，以庚烷為溶劑可獲得支化的聚乙烯（Mm=24×103～34×103）。 聚合條件對催化活性有很大的影響。負(fù)載催化劑在AlEt2Cl為助催化劑、聚合溫度 14 ℃、n（Al）/n（Ni）=80、金屬鎳濃度 0.18 mmol/L 的條件下催化活性達(dá)到 51 kg/（mol·h）[25]。

Henri S等人將二氧化硅載體以共價鍵的方式與傳統(tǒng)的二亞胺配合物相結(jié)合形成一種負(fù)載催化劑[26]：

這種催化劑具體是通過氨基或羥基化的α,α′-二亞胺鎳配合物，與用三甲基鋁處理過的二氧化硅顆粒反應(yīng)而制得，這其中三甲基鋁被認(rèn)作是有效的連接體。這種化合物經(jīng)乙基三氯化二鋁活化后，即使在非常低的 m（Al）/m（Ni）為 48 的情況下，也是很有效的乙烯於漿聚合催化劑，可生產(chǎn)支化的聚乙烯，且可以通過選取不同的芳環(huán)臨位取代基來控制支化度。

采用相同的負(fù)載方法，江洪流等人合成了一種含有胺基的α,α′-二亞胺鎳配合物后，同樣將該配合物與三乙基鋁改性的SiO2通過共價鍵結(jié)合形成負(fù)載型 α,α′-二亞胺鎳催化劑[27]：

實驗結(jié)果表明，該催化劑具有較高的催化活性，得到的聚乙烯產(chǎn)品不僅含有甲基支鏈，而且含有乙基、丙基、丁基、戊基甚至長支鏈。該催化劑對聚乙烯產(chǎn)品具有很好的模板作用。采用這種方式負(fù)載的催化劑沒有反應(yīng)器污垢產(chǎn)生，適用于許多現(xiàn)有的生產(chǎn)聚乙烯的於漿反應(yīng)器。

A Dorcier等人將 [（α,α′-二亞胺）Ni（CH2SiMe3）2]與氣相SiO2-（700）的硅醇≡Si—OH基團(tuán)相互作用形成 了 表 面 化 合 物 [≡ Si—ONi（α,α′- 二 亞 胺 ）（CH2SiMe3）]，這種配合物以共價鍵結(jié)合二氧化硅，經(jīng)氣態(tài)的BF3活化成為活性的氣相聚乙烯催化劑，所制備的聚合物表現(xiàn)出高的支化結(jié)構(gòu)。這種催化劑的活性歸因于假定的表面的離子對[≡SiOBF3]-[Ni（α,α′-二亞胺）（CH2SiMe3）]+的形成。 然而這種配合物與一些多產(chǎn)的負(fù)載二亞胺鎳體系相比活性較低，這可能是由于它的鎳陽離子中心的親電子特性及較低可移動性[28]。

胡揚(yáng)劍等人合成了配合物N,N′-二[4-（4-氨基-3,5-二乙基芐基）-2,6-二乙基苯基]苊二亞胺二氯化鎳（NiLCl2），并將此化合物與TiCl4復(fù)合負(fù)載在SiO2-MgCl2上制備了負(fù)載催化劑?？疾炝嗽撠?fù)載催化劑對乙烯聚合的催化活性，結(jié)果表明，負(fù)載的NiLCl2-TiCl4較之沒有負(fù)載的NiLCl2的催化活性高，最高能達(dá)到552 kg/（mol h），而需要的助催化劑含量較NiLCl2低[29]。

4 結(jié)束語

近年來，后過渡金屬催化劑漸漸成為烯烴聚合催化劑研究的新熱點，備受各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注，而α,α′-二亞胺型的后過渡金屬催化劑又是其中最為典型的結(jié)構(gòu)。它不僅可以控制聚合體性質(zhì)，而且性能穩(wěn)定、活性高、對各種極性的官能團(tuán)有良好的容忍性。獲得聚合產(chǎn)物不僅可以是高支鏈化、低密度的均聚物，而且還可能是極性單體與烯烴的共聚物。雖然還停留在實驗室研究階段，但隨著對其負(fù)載化的研究深入，在不久的將來定會研制出更加成熟的適用于大型工業(yè)化生產(chǎn)的非均相催化劑。其廣闊的發(fā)展前景令人期待。

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Research Progress on Late-transition Metal Catalysts for Olefin Polymerization

Song Wenjun1,Sun Junlong2
（1.Department of Chemistry&Chemical Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing Heilongjiang 163318;2.Daqing Petrochemical Company Chemical Fertilizer Plant;Daqing,Heilongjiang 163714）

In recent years,late-transition metal complexes catalysts with α,α′-diimine ligand have been attracted much attention,this kinds of catalysts possess high catalytic activity,single active center and wonderful molecular tailoring properties which could realize molecular design and assembly.In the paper,the development of late-transition metal catalysts containing α,α′-diimine ligand for olefin polymerization and the latest research results on supported of these catalysts are reported.

α,α′-diimine ligand;late-transition metal complexes;olefin polymerization;supports

TQ314.24

A DOI10.3969/j.issn.1006-6829.2010.05.0010

2010-08-16