铁催化剂催化1,3-二烯烃聚合的研究进展

天然橡胶的有限供应和对橡胶的高需求促进了合成橡胶的发展。金属催化的配位聚合是当今合成高规整性橡胶材料的主要途径,过渡金属铁催化剂因含量丰富、低价格、低毒性、高活性和高选择性在合成橡胶制备领域受广泛关注。本文总结了Ziegler-Natta三元铁催化剂、N,N-双齿配位、N,N,N-三齿配体配位的铁催化剂在催化1,3-二烯单体聚合中的研究进展,阐述了聚合活性、选择性、聚合物分子量及其分子量分布等催化性能与催化剂组成、结构和聚合条件等因素的关系,为高性能1,3-二烯聚合铁催化剂的设计与合成提供借鉴与思路。     

铁基配合物在催化1,3-二烯单体均相配位-插入聚合中的应用

开发环境友好的催化剂非常迫切。铁元素含量丰富且无毒的双重特性与这种趋势完全一致。在过去的几十年中,基于结构明确的铁络合物的催化反应研究增长非常迅速。在Gibson和Brookhart聚合乙烯的开创性工作之后,越来越多研究者使用铁基催化体系进行1,3-二烯的配位-插入聚合反应。1,3-二烯的聚合具有广泛的工业应用范围。本文通过研究近年来开发的催化体系来更新该领域的研究进展。就活性和选择性(相关时)及其局限性而言,特别着重强调其配合物的结构和催化性能间的关系。     

双吡唑亚胺镍/甲基铝氧烷催化降冰片烯的聚合

合成了两种双吡唑亚胺镍配合物: 双-N-(苯基-1-3,5-二甲基吡唑基亚甲基)苯基亚胺二溴化镍(Cat.1)和双-4-甲氧基-N-(苯基-1-3,5-二甲基吡唑基亚甲基)苯基亚胺二溴化镍(Cat.2). 研究了Cat.1/MAO和Cat.2/MAO催化体系对降冰片烯(NBE)单体聚合的催化性能, 考察了各种聚合条件, 如温度、Al/Ni摩尔比及催化剂浓度对降冰片烯的催化效率、单体转化率、聚合物分子量及分子量分布的影响. 研究结果表明, Cat.1/MAO和Cat.2/MAO催化体系对降冰片烯聚合具有较高的催化效率, 可达到105 g PNBE/(mol Ni)数量级, 所得聚降冰片烯(PNBE)的重均分子量在105以上, 分子量分布指数在2左右. 聚合产物的1H NMR和FTIR谱分析结果表明, 该聚合反应是以单体的乙烯基加成聚合机理进行的.     

乙烯反应中的铁配合物催化剂：从概念到产业化

聚烯烃的核心是催化剂,地球上丰度最高的过渡元素铁的配合物在催化乙烯反应中展示了优异性能,本文综述了用于乙烯低聚与聚合的铁配合物催化剂的最新进展.通过调控所用配体的电子效应和空间位阻可以实现乙烯催化性能与所得聚合物微观结构的控制;铁催化剂具有独特的优势,不仅实现α-烯烃制备,而且可以制备高度线性聚乙烯包括制备窄分布的聚乙烯蜡.铁催化剂未来将在高附加值聚乙烯有巨大应用潜力.     

(P^N^P)钴配合物/倍半氯化乙基铝催化苯乙烯聚合的研究

采用含氮双膦配体与无水氯化钴反应可制得一系列相应的(P^N^P)钴配合物,并研究了该系列钴配合物对苯乙烯聚合的催化性能.在助催化剂倍半氯化乙基铝(EASC)的活化下,该系列钴配合物对甲苯中的苯乙烯溶液聚合表现出高的催化活性(可达5.44×105g(PS)·mol-1(Co)·h-1).通过对不同苯乙烯单体用量、助催化剂用量(Al/Co摩尔比)、聚合温度以及催化剂的配体环境等的研究,详细考察了这些因素对聚合反应和聚合产物性能的影响.通过凝胶渗透色谱法(GPC)和核磁共振碳谱(13C-NMR)表征了所得聚合产物的分子量及分子量分布和微观结构,分析结果表明,所得聚苯乙烯具有较低的分子量(Mn=2000~5900)和较窄的分子量分布(1.75~2.05),其微观结构是无规的.     

后过渡金属催化乙烯齐聚与聚合进展

石化工业最重要的产品是聚烯烃,其中大部分与聚乙烯相关,α-烯烃不仅是重要的共聚单体,也是精细化工的基本原料,乙烯工业发展程度代表了一个国家石化技术的水平。后过渡金属催化剂作为新型催化体系,能够高效催化乙烯齐聚和聚合,并且乙烯聚合可制备新型聚乙烯树脂。通过对配体的修饰,提高后过渡金属配合物催化活性,增加催化体系的热稳定性,仍然是当前催化剂设计的重要课题;实现对所得聚乙烯微观结构的控制,提高聚烯烃宏观性质是产业化的重要基础。本文基于配合物催化剂配体骨架设计为基础,集中讨论了铁、钴和镍配合物用于乙烯聚合和齐聚的性质比较;特别是集中展示了我们近期研究工作,综述了后过渡金属催化剂的新进展。     

2-氨基吡啶镍配合物/MAO高活性催化β-蒎烯聚合研究

合成了一系列2-氨基吡啶镍配合物(2-PyCH2NAr)NiBr,Ar=2,6-二甲基苯基(a),2,6-二异丙基苯基(b),2,6-二氟苯基(c).在助催剂甲基铝氧烷(MAO)存在下,该系列配合物能高活性催化β-蒎烯聚合,得到的聚β-蒎烯分子量明显比传统正离子聚合所得到的聚合物高.对配合物配体结构以及聚合条件对该聚合的催化活性以及聚合物分子量的影响进行了研究.所得聚合物经1H-NMR和13C-NMR分析表明,β-蒎烯聚合是通过正离子方式进行的,聚合中产生开环异构化,得到由环己烯和异丁烷结构单元交替组成的聚β-蒎烯.     

同核双金属烯烃聚合催化剂

与单核金属配合物催化剂相比,双核金属配合物催化剂所具的双金属活性中心对烯烃聚合催化活性和所得聚合物的性能(包括聚合物微结构、分子量大小和分子量分布)产生了重要影响。本文综述了双金属配合物作为均相催化剂催化乙烯聚合及共聚合的最新研究,归纳思路包括不同的金属类型,即基于前过渡金属(Zr, Ti, Hf) 和后过渡金属(Ni, Fe, Co) 的双核金属组合; 不同的配体化合物,即CGC配体、酚氧亚胺配体、氮杂环胺配体、α-二亚胺和亚胺吡啶配体等。这些研究表明,前过渡金属催化剂不仅解决了乙烯自聚还实现了乙烯与α-烯烃共聚;后过渡金属催化剂高效催化乙烯自聚合,其中铁和钴催化剂获得高度线性聚乙烯,镍催化剂则产生多支链聚乙烯。     

卟啉化合物研究(Ⅸ)——聚5-邻丙烯酰胺苯基-10,15,20-三苯基卟啉及其钴配合物的合成

将丙烯酰氯和5-邻氨基苯基-10,15,20-三苯基卟啉(Ⅰ)相连合成了5-邻丙烯酰胺苯基-10,15,20-三苯基卟啉(Ⅱ)。在引发剂作用下,Ⅱ进一步聚合,生成聚5-邻丙烯酰胺苯基-10,15,20-三苯基卟啉(Ⅲ),同时还合成了单体和聚合物的钴配合物。通过元素分析、核磁共振谱、红外光谱和可见吸收光谱对单体和聚合物的结构进行了鉴定。     

α-二亚胺镍(Ⅱ)催化甲基丙烯酸甲酯聚合

以4种不同结构的α-二亚胺镍(Ⅱ)催化剂[(t-Bu)—N CH—CH N—(t-Bu)]NiBr2(C1),[C6H5—N C(Me)—C(Me)N—C6H5]NiBr2(C2),[(2,6-C6H3(Me)2)—N C(Me)—C·(Me)N—(2,6-C6H3(Me)2)]NiBr2(C3)和[(2,6-C6H3(i-Pr)2)—N C(An)—C(An)N—(2,6-C6H3(i-Pr)2)]NiBr2(An=acenaphthyl)(C4),在甲基铝氧烷(MAO)作用下,对甲基丙烯酸甲酯(MMA)进行催化聚合.以C2为模型催化剂系统研究了Al/Ni摩尔比、单体浓度、聚合温度、聚合时间和反应溶剂对催化活性及聚合物分子量的影响.在较适合的聚合条件(催化剂用量为1.6μmol,Al/Ni摩尔比为800,MMA浓度为2.9 mol/L,甲苯为溶剂,聚合温度为60℃,聚合时间为4 h)下,讨论了催化剂结构对催化活性和聚合物分子量的影响.研究发现,催化剂C1~C3催化MMA聚合均得到富含间规结构的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA).催化剂结构中空间位阻增大导致催化活性降低,空间位阻最小的C1催化活性最高[达107.8 kg/(mol Ni·h)];而空间位阻最大的C4催化活性仅为7.8 kg/(mol Ni·h).催化剂结构中给电子效应增加有利于催化活性及聚合物分子量的增加.C2催化活性为62.5 kg/(mol Ni·h),所得聚合物的分子量为5.0×104;而具有较强给电子效应的C3催化活性达到96.9 kg/(mol Ni·h),并得到更高分子量的聚合物(7.6×104).     

8-苯胺-1-萘磺酸钛配合物的合成及催化乙烯与降冰片烯共聚合反应

合成了新型催化剂8-苯胺-1-萘磺酸钛配合物, 并应用于乙烯与降冰片烯的共聚合反应中. 分别考察了助催化剂种类[甲基铝氧烷(MAO)和三乙基铝(TEA)]、 降冰片烯浓度、 Al/Ti摩尔比、 聚合温度和聚合压力对催化活性与共聚性能的影响. 通过核磁共振、示差扫描量热和凝胶渗透色谱等对所制备的共聚物进行了表征. 结果表明, 在相同条件下, 以MAO为助催化剂时, 共聚催化活性更高, 催化剂为单活性中心, 可得到分子量分布较窄(PDI≈3)的共聚产物, 其共聚反应机理为加成聚合. 另外, 随着降冰片烯浓度的升高, 共聚物中降冰片烯单元的摩尔比呈线性上升趋势, 所得共聚物的熔点随之降低.     

单茂钪催化非共轭双烯环化聚合及与乙烯共聚合的研究

以(C5Me4SiMe3)Sc(CH2C6H4NMe2-o)2和[Ph3C][B(C6F5)4]组成的单茂钪催化体系催化非共轭双烯均聚合及与乙烯共聚合,考察了聚合条件及非共轭双烯结构对聚合活性、产物分子量和微结构的影响.单茂钪催化体系中,单体浓度、聚合温度、聚合溶剂以及烷基铝试剂对1,5-己二烯的聚合活性和选择性以及聚合产物的分子量和分子量分布均有较大影响.室温甲苯溶剂中,单茂钪可以催化1,5-己二烯,1,6-庚二烯,1,7-辛二烯,1,9-癸二烯四种非共轭双烯聚合获得相应的聚合物;除1,9-癸二烯聚合获得不溶的交联聚合物外,其它非共轭双烯聚合均获得可溶的环烯烃聚合物.1,5-己二烯聚合形成亚甲基-1,3-环戊基(MCPN)五元环和四元环开环形成的3-乙烯基四亚甲基(VTM)结构单元.1,6-庚二烯聚合完全环化形成亚甲基-1,3-环己基(MCHX)六元环和乙烯基-1,2-环戊基(ECPN)五元环结构单元,1,7-辛二烯聚合形成亚甲基-1,3-环庚基(MCHP)七元环结构单元和未环化的悬挂己烯(HEB)结构单元.室温1.01×105Pa乙烯压力下,单茂钪催化体系还可以快速催化非共轭双烯1,5-己二烯,1,6-庚二烯,1,7-辛二烯,1,9-癸二烯与乙烯共聚合,获得含有环状结构单元、悬挂双键结构单元和聚乙烯嵌段的无规共聚物.在单茂钪催化非共轭双烯均聚合及与乙烯共聚合中,非共轭双烯的链长直接影响了其聚合活性和选择性.     

用原子转移自由基聚合方法制备新型含有高分子金属配合物的无机-有机杂化材料

近年来,表面引发聚合制备聚合物刷,由于其能控制无机物表面性能,在材料科学方面有广泛的应用前景．在制备聚合物刷的一系列聚合方法中,“活性”／可控自由基聚合,尤其是原子转移自由基聚合(Atom Transfer Radical Polymerization,ATRP)得到广泛使用．它可获得分子量分布较窄的结构规整的聚合物,可将一些功能性的单体引入聚合物体系获得功能聚合物,     

[N^N^O]钴配合物催化丁二烯立体选择性聚合的研究

合成并表征了一系列带有[2-(4,5-二苯基-2-咪唑基)-1-苯亚胺基]苯酚配体([N^N^O]三齿配体)的二氯化钴配合物(1~4),并研究了这些配合物对丁二烯溶液聚合的催化性能.研究结果表明,助催化剂的种类对丁二烯聚合的催化活性和产物性能有显著的影响,倍半乙基氯化铝(EASC)为最佳的助催化剂.在EASC的活化作用下,该催化体系引发丁二烯单体聚合,15 min内丁二烯单体的转化率可达92.7%,产物聚丁二烯中顺式1,4-结构的含量高达97.4%.并详细研究了助催化剂的用量、聚合的温度、配体上不同取代基等对丁二烯聚合行为的影响,包括丁二烯单体的转化率、产物聚丁二烯的分子量与分子量分布及微观结构.通过凝胶渗透色谱法(GPC)对聚合产物的分子量及分子量分布进行了表征,核磁共振氢谱(1H-NMR)和碳谱(13CNMR)分析结果表明所得聚合物具有高的顺式1,4-结构含量(97%左右).     

镍配位催化乙烯聚合新进展

在烯烃聚合领域中,催化剂决定了所得聚合物的分子量与分布以及微观结构,进而影响聚烯烃材料的物理与机械性能。镍配合物催化乙烯聚合反应中,既会获得齐聚物也可能获得聚合物,有意思的是所得聚乙烯材料较容易呈现弹性体材料的性质。因此,加强镍配合物催化剂的研究有助于筛选更高活性和优良性能的催化剂体系,制备新型聚乙烯弹性体材料,甚至为该类乙烯聚合中试研究做铺垫。本文综述了近年来镍配合物催化乙烯聚合研究的新进展,重点讨论了配合物结构对于催化活性、热稳定性以及聚合产物微结构的影响与规律。     

ⅣB金属配合物催化烯烃聚合与共聚

在大品种聚烯烃材料中,高附加值聚烯烃通常由乙烯与α-烯烃共聚制备。ⅣB金属配合物能够为烯烃聚合和共聚提供许多催化剂模型;不仅如此,在烯烃聚合机理研究中还可以帮助理解反应中间体和活性物种。针对聚烯烃产业的实用催化剂体系,催化剂不仅满足高的催化活性,而且能够满足升温操作的稳定性。企业的利润需要高附加值聚烯烃,要求催化剂体系能够通过条件变化制得不同性能的聚烯烃材料,而且可以实现乙烯与α-烯烃的共聚。这些对配合物催化剂的需求,在ⅣB金属配合物催化剂中获得了良好地体现;能够在烯烃聚合中获得分子量从低到高的聚合物,也可以进行乙烯与（甚至含有官能团的）α-烯烃共聚制备功能聚烯烃。按照取代基团的分类,本文综述了近年来ⅣB金属配合物催化烯烃聚合与共聚研究的新进展,特别是重点讨论了具有良好热稳定性的配合物催化剂结构变化对于催化活性和聚合性能的影响。     

多核Nd-Al双金属配合物对丁二烯的聚合——Ⅰ.聚合物的分子量与微观结构间的关系及其聚合机理的讨论

在从均相稀土催化剂中分离出有聚合活性的Nd-Al双金属配合物的基础上，利用该配合物可单独引发丁二烯聚合的,较详细地研究了活性体浓度，外加烷基铝浓度，单体浓度以及聚合湿度等因素对聚合产物分子量及微观结构的影响，确认二者之间存在着一定的内在联系，即分子量越高，顺式含量也越高；反之，分子量越低，顺式含量也越低。对此，本文提出了增长链对聚合过程起反作用的观点，从聚合机理的角度给予了解释。     

双-(β-酮萘胺)镍(Ⅱ)/B(C6F5)3/AlEt3体系催化醋酸降冰片烯酯的聚合

采用双-(β-酮萘胺)镍(Ⅱ)/B(C6F5)3/AlEt3体系可在20～90 ℃范围内在甲苯溶剂中催化醋酸降冰片烯酯聚合,得到中等分子量(Mw＝7.0×103～3.1×104 g/mol)和分子量分布较窄(Mw/Mn为1.8～2.0)的醋酸降冰片烯酯聚合物.采用1H NMR、13C NMR、FT-IR、DSC、TGA及广角X射线衍射(WAXD)等技术对所得聚合物进行了结构表征和性能测试.结果表明,所得的聚醋酸降冰片烯酯为加成型产物,证明此催化体系催化醋酸降冰片烯酯聚合是按乙烯基加成模式进行的;所得聚合产物为非晶态,具有短程有序长程无序的特征,分子链间的距离为1.24 nm;聚合产物具有较好的热稳定性(Td＞330 ℃),并能够溶解在大部分普通有机溶剂中.     

α-萘基丁二亚胺氯化镍/MAO制备双(宽)峰聚乙烯

合成了一种新型α 二亚胺镍配合物———α 萘基丁二亚胺氯化镍 ,此配合物作为催化剂在MAO的活化下催化乙烯聚合得到支化聚乙烯 ,聚合活性高达 7 18× 10 5gPE molNi·h ,1 3C NMR、FTIR测试结果表明制备的聚乙烯含有末端双键 ;GPC结果表明所制备的聚乙烯分子量呈双 (宽 )峰分布 ,其原因有两个 ,一是此催化剂能产生分子量较低的α 烯烃 ,在聚合过程中一部分α 烯烃会“就地”与乙烯原位共聚形成分子量较高的聚合物 ,二是此催化剂存在立体异构体 ,而不同异构体在MAO活化下形成的活性中心的配位环境不同 ,因而得到的聚乙烯的分子量也不同 .研究了聚合温度、聚合压力、铝镍摩尔比 (nAl nNi)对催化活性、聚乙烯分子量、支化度的影响 .聚乙烯的分子量随聚合温度的升高而下降 ,支化度增大 ,熔点则降低 .     

卟啉化合物研究（Ⅸ）——聚5—邻丙烯酰胺苯基—10，15，20—三苯基卟啉及

将丙烯酰氯和5－邻丙烯酰胺苯基－10，15，20－三苯基卟啉（I）相连合成了5－邻丙烯酰胺苯基－10，15，20－三苯基卟啉（Ⅱ），在引发剂作用下，Ⅱ进一步聚合，生成聚5－邻丙烯酰胺苯基－10，15，20－三苯基卟啉（Ⅲ），同时还合成了单体和聚合物的钴配合物，通过元素分析、核磁共振谱、红外光谱和可见吸收光谱对单体和聚合物的结构进行了鉴定。