专利名称：一类西佛碱配位锆络合物乙烯齐聚催化剂的制备和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一类西佛碱螯合配位锆络合物作为乙烯齐聚催化剂前体的合成方法及应用。
背景技术：
乙烯齐聚是烯烃聚合工业中最重要的反应之一。通过齐聚反应，可以将廉价的小分子烯烃转变成具有高附加值的产品。乙烯齐聚产物-直链α-烯烃是重要的有机化工原料。例如，C4～C8直链α-烯烃在聚合工业中作为共聚单体有着广泛的需求，并且市场需求量近年来持续增长；C10～C18α-烯烃则广泛用于生产洗涤剂、增塑剂、润滑剂和表面活性剂等。由于低碳线性α-烯烃作为基本化工原料在烯烃聚合、精细合成等众多领域中存在大量需求，化学工作者在不断寻求生产线性α-烯烃的更优化的途径。化学家不仅对已工业化的现有催化体系进行改良，而且不断地对新的催化体系进行探索研究，期望开发新型高活性、高选择性烯烃齐聚催化剂。
对于乙烯齐聚催化剂的研究多年来主要集中在Ti、Zr、Cr和Ni络合物(Chem.Rev.1991，91，613～648；Catal.Today 1992，14，1～124)。近年来，Brookhart和Gibson等人对于西佛碱配位Fe、Co、Ni和Pd络合物催化乙烯高聚和齐聚的研究报道，使茂后络合物，尤其是各种西佛碱螯合配位过渡金属络合物的合成和催化性能的研究成为均相催化领域新的热点。迄今为止，只有几例关于Salen型或类Salen型钛、锆络合物催化乙烯高聚反应的研究报道，利用这类钛、锆络合物催化烯烃齐聚反应的文献或专利尚未见报道。1990年，瑞士洛桑大学的Floriani等人合成并测定了水杨醛苯环上不带取代基的Salen型锆络合物1和Salphen型锆络合物2(J.Chem.Soc.，Dalton Trans.1990，1335-1344)。该方法首先合成并分离锆络合物ZrCl4·2THF，然后以其为起始物与N，N′-1，2-C2H4-(o-N＝CHC6H4ONa)2或N，N′-1，2-C6H4-(o-N＝CHC6H4ONa)2反应，采用两步合成法制备锆络合物1和2。1997年，芬兰赫尔辛基大学Repo等人报道了将Salen型锆络合物1负载到SiO2上，以甲基铝氧烷MAO为助催化剂催化乙烯高聚反应(Macromolecules 1997，30，171～175)，生成高聚物Mw＝8.8～105.4×104。2001年，钱延龙等人报道了利用Zr(OiPr)4·HOiPr与间苯二胺衍生的二(水杨醛亚胺)反应得到锆络合物3(Inorg.Chem.Commun.2001，4，392～394)，并将其与MAO结合形成催化体系催化乙烯高聚，生成高聚产物。
发明内容
本发明提供了一类西佛碱配位锆Zr络合物催化剂前体LZrCl2或LZrCl2·Sol。其中L代表配体，Sol代表溶剂四氢呋喃THF、丙酮Me2CO、甲醇MeOH、水H2O以及催化剂前体的简便合成方法和应用。L配体具有下列结构通式 式中X＝-CH2CH2-或2-C6H4-R＝-CH3，-t-C4H9，-OCH3，-OC2H5，-Cl或-Br当X＝-CH2CH2-，L配体与ZrCl2配位时R＝-H， 可得到Salen型锆络合物1R＝-CH3， 可得到Salen型锆络合物4R＝-t-C4H9，可得到Salen型锆络合物5R＝-OCH3， 可得到Salen型锆络合物6R＝-OC2H5， 可得到Salen型锆络合物7R＝-Cl，可得到Salen型锆络合物8R＝-Br，可得到Salen型锆络合物9当X＝-1，2-C6H4-，L配体与ZrCl2配位时R＝-H， 可得到Salphen型锆络合物2R＝-CH3， 可得到Salphen型锆络合物10R＝-t-C4H9，可得到Salphen型锆络合物11R＝-OCH3， 可得到Salphen型锆络合物12R＝-OC2H5、 可得到Salphen型锆络合物13R＝-Cl，可得到Salphen型锆络合物14R＝-Br，可得到Salphen型锆络合物15本发明首次合成了12个水杨醛苯环上带有R取代基-CH3，-t-C4H9，-OCH3，-OC2H5，-Cl或-Br的Salen型和Salphen型锆络合物4～15以及带有不同溶剂分子，四氢呋喃THF、丙酮Me2CO、甲醇MeOH和水H2O配位的锆络合物。
本发明简化和改进Salen型和Salphen型锆络合物的合成方法，即以廉价的ZrCl4为起始物，由配体钠盐Na2L与ZrCl4直接反应得到LZrCl2或LZrCl2THF。其特点(1)不分离配体和NaH反应生成的钠盐Na2L，原位用于下一步反应；(2)不预先合成和分离ZrCl4·2THF络合物，而采用在低温下分批直接加入ZrCl4，以避免ZrCl4和四氢呋喃THF溶剂作用时产生剧烈放热带来的不良效应。
锆络合物催化剂前体的简便合成方法如下(1)催化剂前体LZrCl2·THF的合成在氮气保护下，将H2L配体N，N’-1，2-亚乙基或亚苯基-二(5-R取代基水杨醛亚胺)加入干燥的反应瓶中，加入四氢呋喃使之溶解。磁搅拌下，将含量60％的NaH分批加入反应瓶中，放出大量氢气，搅拌至基本无气泡放出。加热回流反应0.5-1小时后，冷却至室温。而后在低温-25～-30℃搅拌下，将ZrCl4在氮气保护下分批缓慢加入反应液中。H2L、NaH和ZrCl4的摩尔比优选为1∶2∶1。加料完毕，继续低温搅拌10分钟，随后使反应液逐渐升至室温，搅拌1小时，继而回流0.5小时。反应后悬浮液过滤，滤饼用四氢呋喃洗涤数次，洗液并入滤液中。滤液浓缩、冷却，析出黄色固体，压滤、真空干燥，得到Salen型或Salphen型锆络合物催化剂前体LZrCl2·THF，在N2保护下室温可长期存放。
(2)催化剂前体LZrCl2的合成将以上合成得到的LZrCl2·THF溶于甲苯中，氮气保护下回流1.5～2小时，可脱去配位四氢呋喃而不破坏络合物的结构，从而得到催化剂前体LZrCl2。
(3)催化剂前体LZrCl2·Sol的合成，Sol＝Me2CO，MeOH或H2O将LZrCl2或LZrCl2·THF在Me2CO或MeOH中重结晶可分离得到络合物LZrCl2·OCMe2和LZrCl2·MeOH。
将LZrCl2或LZrCl2·THF的甲苯溶液中加入等当量的水，搅拌5分钟后，滤液浓缩析出黄色晶体，分离，真空干燥，得到LZrCl2·H2O。
本发明首次将Salen型锆络合物用于乙烯齐聚，助催化剂为R2AlCl，R＝Me或Et；主催化剂浓度为3～16mmol/L；Al/Zr摩尔比为100～1000∶1；乙烯压力为1.0～4.0MPa；反应温度为100～180℃。在优化反应条件下，生成C4-C16烯烃的选择性大于99％，低碳烯烃C4-C10的选择性大于85％，其中线性α-烯烃的选择性大于90％，催化活性可达到105g齐聚物/mol Zr·h-1·atm-1数量级。
综上所述，本发明与前人的研究报道不同之处在于(1)对Salen型和Salphen型锆络合物的合成方法进行了简化和改进，直接以廉价的ZrCl4为起始物，不分离中间体，采用同一反应器中原位反应；(2)首次合成了水杨醛苯环上带有取代基R＝Me，t-C4H9，OMe，OEt，Cl或Br的Salen型和Salphen型锆络合物4～15，以及带有不同溶剂分子Me2CO，MeOH或H2O配位的Salen型和Salphen型锆络合物；(3)首次将Salen型锆络合物与R2AlCl结合，R＝Me或Et，得到新型催化性能优良的乙烯齐聚催化体系。各种N2O2四齿配位Salen型和Salphen锆络合物作为催化剂前驱体具有许多优越性，例如易合成，对于少量水和酰基等有机官能团具有一定的耐受性，配体上可连接多种辅助基团R来调变中心金属的空间配位环境和电子云密度。该催化体系对乙烯齐聚生成低碳烯烃具有很高的催化活性和选择性。
以下给出锆络合物LZrCl2和LZrCl2·THF催化乙烯齐聚的9个实例。
实施例1(1)催化剂的制备在氮气保护下，将1.24g、4.61mmol的N，N’-1，2-亚乙基-二(水杨醛亚胺)加入干燥的反应瓶中，加入70mL四氢呋喃使之溶解。磁搅拌下，将含量60％，0.37g、9.23mmol的NaH分批加入反应液中，放出氢气，搅拌至基本无气泡放出。加热回流反应1小时后，冷却至室温。而后在低温-25～-30℃搅拌下，将1.07g、4.61mmol的ZrCl4在氮气保护下分批缓慢加入反应液中。加料完毕，继续低温搅拌10分钟，随后使反应液逐渐升至室温，搅拌1小时，继而回流0.5小时。反应后悬浮液过滤，滤饼用四氢呋喃洗涤数次，洗液并入滤液中。滤液浓缩、放置冰箱中冷却过夜，析出黄色固体，压滤、真空干燥得到0.92g催化剂前体L1ZrCl2·THF，L1＝[1，2-C2H4(N＝CHC6H4-2-O-)2]，在N2保护下室温保存。
(2)乙烯齐聚乙烯齐聚反应在带有电磁搅拌的100ml高压釜中进行。首先将干燥的高压釜抽空氮气置换三次。在氮气保护下，称取0.01mmol主催化剂1·THF加入Schlenk瓶中，加入15mL甲苯，用干燥的注射器注入1.0mL Et2AlCl的甲苯溶液，Al/Zr摩尔比为1∶100，搅拌数分钟待固体完全溶解，用干燥的注射器将催化剂溶液加入高压釜中，Schlenk瓶再用10mL和5mL甲苯分两次洗涤瓶壁，溶液加入反应釜中。称量高压釜重量。将高压釜置入150℃的油浴中，快速磁搅拌，通入恒压1.4MPa的乙烯。反应30分钟后，停止加热，关闭乙烯阀，高压釜冷至0～5℃，打开高压釜排气阀，使未反应的乙烯排出，再次称重高压釜。打开高压釜，釜中无高聚固体。加入0.5mLNaOH/EtOH饱和溶液淬灭反应，并精确加入0.6mL正庚烷作为内标，搅拌均匀后，过滤，反应清液采用GC和GC/MS方法分析测定。产物分布为C4～C10占89.1％，其中C4占10.1％，C6占35.9％，C8占31.0，C10占12.1％，线性α-烯烃的选择性为91.5％。根据反应前后高压釜重量差计算催化体系的活性为6.80×105g齐聚物/molZr·h-1·atm-1。
实施例2(1)催化剂的制备同实施例1。
(2)乙烯齐聚在氮气保护下，称取0.01mmol主催化剂1·THF加入Schlenk瓶中，加入15mL甲苯，用干燥的注射器注入3.0mL Et2AlCl的甲苯溶液，Al/Zr摩尔比为1∶300，，搅拌数分钟待固体完全溶解，用干燥的注射器将催化剂溶液加入高压釜中，Schlenk瓶再用10mL和5mL甲苯分两次洗涤瓶壁，溶液加入反应釜中。随后操作同实施例1。产物分布为C4～C10占86.3％，其中线性α-烯烃的选择性为91.0％。根据反应前后高压釜重量差计算催化体系的活性为7.48×105g齐聚物/mol Zr·h-1·atm-1。
实施例3(1)催化剂的制备同实施例1。
(2)乙烯齐聚在氮气保护下，称取0.01mmol主催化剂1·THF加入Schlenk瓶中，加入15mL甲苯，用干燥的注射器注入3.0mL Et2AlCl的甲苯溶液，Al/Zr摩尔比为1∶300，，搅拌数分钟待固体完全溶解，用干燥的注射器将催化剂溶液加入高压釜中，Schlenk瓶再用10mL和5mL甲苯分两次洗涤瓶壁，溶液加入反应釜中。称量高压釜重量。将高压釜置入150℃的油浴中，快速磁搅拌，通入恒压1.8MPa的乙烯。接下来操作同实施例1。产物分布为C4～C10占89.3％，其中线性α-烯烃的选择性为94.9％。根据反应前后高压釜重量差计算催化体系的活性为7.67×105g齐聚物/mol Zr·h-1·atm-1。
实施例4(1)催化剂的制备同实施例1。
(2)乙烯齐聚在氮气保护下，称取0.01mmol主催化剂1·THF加入Schlenk瓶中，加入15mL甲苯，用干燥的注射器注入1.0mL Et2AlCl的甲苯溶液，Al/Zr摩尔比为1∶100，，搅拌数分钟待固体完全溶解，用干燥的注射器将催化剂溶液加入高压釜中，Schlenk瓶再用10mL和5mL甲苯分两次洗涤瓶壁，溶液加入反应釜中。称量高压釜重量。将高压釜置入135℃的油浴中，快速磁搅拌，通入恒压1.4MPa的乙烯。接下来操作同实施例1。产物分布为C4～C10占94.5％，其中线性α-烯烃的选择性为97.7％。根据反应前后高压釜重量差计算催化体系的活性为3.27×105g齐聚物/mol Zr·h-1·atm-1。
实施例5(1)催化剂的制备在氮气保护下，将1.46g、4.61mmol的N，N’-1，2-亚苯基-二(水杨醛亚胺)加入干燥的反应瓶中，加入70mL四氢呋喃使之溶解。磁搅拌下，将0.37g、9.23mmol含量为60％的NaH分批加入反应液中，放出氢气，搅拌至基本无气泡放出。加热回流反应1小时后，冷却至室温。而后在低温-25～-30℃搅拌下，将1.07g、4.61mmol的ZrCl4在氮气保护下分批缓慢加入反应液中。加料完毕，继续低温搅拌10分钟，随后使反应液逐渐升至室温，搅拌1小时，继而回流1小时。反应后悬浮液过滤，滤饼用四氢呋喃洗涤数次，洗液并入滤液中。滤液抽干得到黄褐色固体。加入30mL甲苯使橙色固体溶解，在氮气保护下回流2小时，母液浓缩，放置冰箱中冷却过夜，析出黄色固体，压滤、戊烷洗涤、真空干燥，得到1.65g脱去配位四氢呋喃的催化剂前体L2ZrCl2，L2＝[1，2-C6H4(N＝CHC6H4-2-O-)2]，在N2保护下室温保存。
(2)乙烯齐聚在氮气保护下，称取0.05mmol主催化剂2加入Schlenk瓶中，加入15mL甲苯，用干燥的注射器注入5.0mL Et2AlCl的甲苯溶液，Al/Zr摩尔比为1∶100，搅拌数分钟待固体完全溶解，用干燥的注射器将催化剂溶液加入高压釜中，Schlenk瓶再用10mL和5mL甲苯分两次洗涤瓶壁，溶液加入反应釜中。其它操作和反应条件同实施例1。产物分布为C4～C10占89.8％，其中线性α-烯烃的选择性为87.5％。根据反应前后高压釜重量差计算催化体系的活性为2.46×105g齐聚物/mol Zr·h-1·atm-1。
实施例6(1)催化剂的制备在氮气保护下，将1.64g、5.0mmol的N，N’-1，2-亚乙基-二(5-甲氧基水杨醛亚胺)加入干燥的反应瓶中，加入80mL四氢呋喃。磁搅拌下，将0.42g、10.5mmol含量为60％的NaH分批加入反应液中，放出氢气，搅拌至基本无气泡放出。加热回流反应0.5小时后，冷却至室温。而后在低温-25～-30℃搅拌下，将1.17g、5.02mmol的ZrCl4在氮气保护下分批缓慢加入反应液中。加料完毕，继续低温搅拌10分钟，随后使反应液逐渐升至室温，搅拌1小时，继而回流0.5小时。反应后悬浮液过滤，滤饼用四氢呋喃洗涤数次，洗液并入滤液中。滤液真空浓缩至2mL，加入2mL正己烷析出黄色固体。压滤、戊烷洗涤、真空干燥，得到1.82g催化剂前体L6ZrCl2·THF，L6＝[1，2-C2H4(N＝CHC6H3-5-OCH3-2-O-)2]，在N2保护下室温保存。
(2)乙烯齐聚在氮气保护下，称取0.01mmol主催化剂6·THF加入Schlenk瓶中，加入15mL甲苯，用干燥的注射器注入3.0mL Et2AlCl的甲苯溶液，Al/Zr摩尔比为1∶300，搅拌数分钟待固体完全溶解，用干燥的注射器将催化剂溶液加入高压釜中，Schlenk瓶再用10mL和5mL甲苯分两次洗涤瓶壁，溶液加入反应釜中。其它操作和反应条件同实施例1。产物分布为C4～C10占86.2％，其中线性α-烯烃的选择性为91.5％。根据反应前后高压釜重量差计算催化体系的活性为6.94×105g齐聚物/mol Zr·h-1·atm-1。
实施例7(1)催化剂的制备在氮气保护下，将得N，N’-1，2-亚乙基-二(5-氯水杨醛亚胺)加入干燥的反应瓶中，加入90mL四氢呋喃。磁搅拌下，将0.42g、10.5mmol含量为60％的NaH分批加入反应液中，放出氢气，搅拌至基本无气泡放出。加热回流反应1小时后，冷却至室温。而后在低温-25～-30℃搅拌下，将1.17g、5.02mmol的ZrCl4在氮气保护下分批缓慢加入反应液中。加料完毕，继续低温搅拌10分钟，随后使反应液逐渐升至室温，搅拌1小时，继而回流0.5小时。反应后悬浮液过滤，滤饼用四氢呋喃洗涤数次，洗液并入滤液中。滤液真空浓缩至5mL，加入2mL正己烷析出黄色固体。压滤、戊烷洗涤、真空干燥，得到1.91g催化剂前体L8ZrCl2·THF，L8＝[1，2-C2H4(N＝CHC6H3-5-Cl-2-O-)2]，在N2保护下室温保存。
(2)乙烯齐聚在氮气保护下，称取0.01mmol主催化剂8·THF加入Schlenk瓶中，加入15mL甲苯，用干燥的注射器注入3.0mL Et2AlCl的甲苯溶液，Al/Zr摩尔比为1∶300，搅拌数分钟待固体完全溶解，用干燥的注射器将催化剂溶液加入高压釜中，Schlenk瓶再用10mL和5mL甲苯分两次洗涤瓶壁，溶液加入反应釜中。其它操作和反应条件同实施例1。产物分布为C4～C10占86.7％，其中线性α-烯烃的选择性为88.7％。根据反应前后高压釜重量差计算催化体系的活性为4.96×105g齐聚物/mol Zr·h-1·atm-1。
实施例8(1)催化剂的制备同实施例6。
(2)乙烯齐聚在氮气保护下，称取0.01mmol主催化剂6·THF加入Schlenk瓶中，加入15mL甲苯，用干燥的注射器注入10.0mL Et2AlCl的甲苯溶液，Al/Zr摩尔比为1∶1000，搅拌数分钟悬浮固体完全溶解，用干燥的注射器将催化剂溶液加入高压釜中，Schlenk瓶再用10mL和5mL甲苯分两次洗涤瓶壁，溶液加入反应釜中。其它操作和反应条件同实施例1。产物分布为C4～C10占88.3％，其中线性α-烯烃的选择性为83.3％。根据反应前后高压釜重量差计算催化体系的活性为8.97×105g齐聚物/mol Zr·h-1·atm-1。
实施例9(3)催化剂的制备同实施例6。
(4)乙烯齐聚在氮气保护下，称取0.01mmol主催化剂6·THF加入Schlenk瓶中，加入15mL甲苯，用干燥的注射器注入5.0mL Me2AlCl的甲苯溶液，Al/Zr摩尔比为1∶500，搅拌下悬浮固体迅速溶解，用干燥的注射器将催化剂溶液加入高压釜中，Schlenk瓶再用10mL和5mL甲苯分两次洗涤瓶壁，溶液加入反应釜中。其它操作和反应条件同实施例1。产物分布为C4～C10占97.2％，其中线性α-烯烃的选择性为99.3％。根据反应前后高压釜重量差计算催化体系的活性为3.77×105g齐聚物/mol Zr·h-1·atm-1。
权利要求
1.一种直接用四氯化锆ZrCl4与配体N，N’-1，2-C2H4-(o-N＝CHC6H4ONa)2或N，N’-1，2-C6H4-(o-N＝CHC6H4ONa)2反应制备的水杨醛苯环上带有取代基的锆络合物催化剂前体，其特征在于锆络合物催化剂前体是LZrCl2或LZrCl2·Sol，其中Sol代表配位溶剂分子四氢呋喃THF、丙酮Me2CO、甲醇MeOH、水H2O，L为具有下列结构通式的配体 式中X＝-CH2CH2-或1，2-C6H4-R＝-CH3，-t-C4H9，-OCH3，-OC2H5，-Cl或-Br。
2.一种按照权利要求1所述锆络合物催化剂前体的制备方法，其特征在于在氮气保护下，将H2L配体N，N’-1，2-亚乙基或亚苯基-二(5-R取代基水杨醛亚胺)放入干燥反应瓶中，加入四氢呋喃使之溶解，磁搅拌下，将含量为60％的NaH分批加入，室温搅拌至无氢气放出；加热回流反应0.5～1.0小时，冷至室温，然后在-25℃～-30℃，将ZrCl4在氮气保护下加到反应液中，使配体∶NaH∶ZrCl4的摩尔比为1∶2∶1；加料完毕，继续低温搅拌10分钟，逐渐升温至室温，搅拌1小时，回流0.5小时，过滤，用四氢呋喃洗涤滤饼，洗液并入滤液中，经浓缩、冷却、析出黄色固体、压滤、真空干燥，制得锆络合物催化剂前体LZrCl2·THF；将其溶于甲苯中，氮气保护下回流1.5～2.0小时，得到锆络合物催化剂前体LZrCl2；将LZrCl2或LZrCl2·THF在丙酮Me2CO或甲醇MeOH中重结晶，分离，得到锆络合物LZrCl2·OCMe2或LZrCl2·MeOH；将LZrCl2或LZrCl2·THF的甲苯溶液中，加入等当量的水，搅拌5分钟，溶液浓缩，析出黄色晶体，分离，真空干燥，得到LZrCl2·H2O。
3.按照权利要求1所述锆络合物催化剂前体的用途，其特征在于用锆络合物催化剂前体作主催化剂，其浓度为3～16mmol/L，助催化剂为R2AlCl，R为甲基或乙基，当Al/Zr摩尔比为100～1000∶1时，乙烯压力为1.0～4.0MPa，反应温度为100～180℃，乙烯齐聚生成C4～C16烯烃的选择性大于99％，低碳烯烃C4～C10的选择性大于85％，其中线性烯烃的选择性大于90％，催化剂活性达到105g齐聚物/mol Zr·h-1·atm-1数量级。
全文摘要
本发明涉及一类西佛碱配位锆络合物乙烯齐聚催化剂的简便合成方法及应用。这类锆络合物是由各种非取代和取代的西佛碱配体与ZrCl
文档编号C07C2/00GK1524836SQ0315927
公开日2004年9月1日 申请日期2003年9月17日 优先权日2003年9月17日
发明者王梅, 朱红军, 王瑜, 孙立成, 王 梅 申请人:大连理工大学