专利名称：用于烯烃聚合的催化剂组分的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由含吡啶的金属化合物和适合的活化剂组成的非茂金属催化剂体系，其在烯烃聚合过程中具有高活性。
烯烃聚合用茂金属催化剂的商业化在非茂金属均相催化剂的设计中已经产生了很大的兴趣。新一代的催化剂可以显示出优良的活性并为已知的聚烯烃提供更简易的合成路线，同时还导致产生了在茂金属催化剂能力之外的方法和产品。另外，非环戊二烯基配体和化合物的取代同系物可能相对易于合成，因此非茂金属催化剂可能会更经济。
多齿阴离子的氧和氮基基团作为非茂金属聚烯烃催化剂已经引起了大家的注意。就二齿配体而言，已经有人报道了吡啶氧基和喹啉氧基配体(如美国专利5637660、5852146、6020493；Bei等，Organometallics，1997，17，3282；Tshukahara等，Organometallics，1997，17，3303)。
一系列含有胺-双(酚盐)基团(酚盐是芳羟基基团)的四齿阴离子配体最近已经由Kol，Goldschmidt和其同事应用于聚烯烃催化剂(美国专利6333423，Tshuva等，Chem.Commun.，2000，379和Chem.Commun.，2001，2120)。但是，这些公开物说明，第四配位部分或额外的给体臂对于高活性催化剂来说是很必要的，并且没有给体臂的化合物显示出差的催化活性。另外，这些公开物主要集中于1-己烯的聚合，没有给出较低级烯烃聚合的信息。Shao等(Organometallics，2000，19，509)描述了作为聚烯烃催化剂的螯合胺-双(醇盐)(醇盐是脂族羟基基团)的锆配合物，但观察到的活性非常低。
含有至少一个酚盐基团的聚烯烃催化剂在本领域中是众所周知的(美国专利4452914，5079205)。美国专利5840646、6034190、EP0606125和WO87/02370公开了用于烯烃聚合的二齿双(酚盐)钛和锆催化剂。
日本未审专利6-192330描述了双(酚盐)加上吡啶-双(醇盐)钛和锆催化剂。作为第4族金属聚烯烃催化剂配体的吡啶-双(醇盐)基团的另外的例子业已公开(JP9-012582和Mack等，J.Chem.Soc.Dalton.Trans.，1998，917)，但观察到的乙烯聚合活性仅仅是中等的。
因此，在本领域中需要新的烯烃聚合催化剂，尤其是包含吡啶-酚盐类多齿配体的催化剂。在本领域中也需要新的包含不对称配体的聚烯烃催化剂，因为这可以导致1-烯烃(α-烯烃)的立体选择性聚合并得到具有与众不同的形态和性能的聚烯烃。
本发明也涉及如下式I所示的非茂金属催化剂 其中，R1-R11各自独立地选自包含1-20个碳原子的烃基、取代的烃基、杂烃基、和取代的杂烃基，且R1-R11中的两个或多个可以连接起来形成环；R1-R11也可以选自氢、卤素和公认的给体和受体基团；E是第16族元素(包括氧)；M是选自第3-10族元素(包括钛和锆)和镧系元素的金属；m是金属的氧化态；X是键合到M上的单价原子或基团；Y是配位键合到M上的单或双齿分子，n是0或最高达5的整数。当与适合的活化剂结合时，这些催化剂在用于烯烃的聚合时是具有活性的。在R1-R11的选择使得三齿[ENE]配体为不对称配体的情况下，可以实现1-烯烃的立体选择性聚合。
图2示出吡啶-双(酚盐)钛配合物4的X-射线晶体结构。
本发明的具体实施方式
本发明涉及聚烯烃催化剂体系，其包含带有三齿含吡啶配体的第3-10族或镧系金属(包括钛和锆)化合物和适合的活化剂。
本发明也涉及如下式I所示的非茂金属催化剂 其中，R1-R11各自独立地选自氢、卤素、公认的给体和受体基团、包含1-20个碳原子的烃基、取代的烃基、杂烃基和取代的杂烃基，且R1-R11中的两个或多个可以连接起来形成环；E是第16族(也称第VI B族)元素(包括氧)；M是选自第3-10族元素(包括钛和锆)和镧系元素的金属；m是金属的氧化态；X是键合到M上的单价原子或基团；Y是配位键合到M上的单或双齿分子，n是0或最高达5的整数。当与适合的活化剂结合(combined)时，这些催化剂在用于烯烃的聚合时是具有活性的。
在式I聚烯烃催化剂的一个实施方案中，基团R1-R5和R7-R11独立地选择并具有以下特征R1＝R11、R2＝R10、R3＝R9、R4＝R8和R5＝R7。这意味着三齿配体是对称的。在另一个实施方案中，基团R1-R5和R7-R11独立地选择并具有以下一种特征或其组合R1≠R11(即，R1不等同于R11)、R2≠R10、R3≠R9、R4≠R8和R5≠R7。这意味着三齿配体是不对称的并可以实现立体选择性聚合。
在式I聚烯烃催化剂的一个示例性实施方案中，M选自钛和锆，E是氧，这样三齿吡啶-双(酚盐)配体与M配位。
在式I聚烯烃催化剂的一个优选实施方案中，X选自卤化物基团(包括氯化物)和烷基(包括苄基)，Y不存在或选自中性O-给体、P-给体和N-给体分子。可以与M形成配位键的O-给体分子的例子包括醚(如四氢呋喃、二乙醚)和酮(如苯乙酮、二苯甲酮)。可以与M形成配位键的P-给体分子的例子包括PRaRbRc，其中Ra-c各自独立地选自氢、卤素、公认的给体和受体基团、包含1-20个碳原子的烃基、取代的烃基、杂烃基、和取代的杂烃基(如三甲基膦、三乙基膦、二甲基苯基膦)。
目标配体的制备可以通过文献中所述方法的改性而实现。例如，对称的吡啶-2，6-二(苯酚)底物可通过来自于氧-保护取代苯酚的格氏试剂与2，6-二溴吡啶反应制得。使用熔融氯化吡啶鎓盐来完成脱保护。用于合成不对称吡啶-2，6-二(苯酚)底物的方法采用的是Silva等人的方法(Tetrahedron，1997，53，11645)，其描述了2，6-二(2’-羟苯基)吡啶的合成，包括两分子的2’-甲氧基苯乙酮分子的加成。在本发明中，当使用两种不同的取代2’-甲氧基苯乙酮，随后脱甲基化，那么所得吡啶-2，6-二(苯酚)底物是不对称的。
含酸性质子的取代吡啶-2，6-二(苯酚)底物的金属化可以通过与碱性金属试剂，如四苄基锆(IV)和四氯化钛(IV)反应，分别消去甲苯和氯化氢而实现。或者，可以用如正丁基锂的试剂对配体去质子化，然后用金属卤化物，如四氯化锆处理。所得金属配合物包含一个以三齿子午线向方式螯合的吡啶-2，6-二(酚盐)配体。中性O-(如四氢呋喃或二乙醚)、P-(如三烷基膦或三芳基膦)、或N-给体溶剂或底物被加入到反应混合物中以有利于配合物的分离，在某些情况下，以其溶剂化/加合形式。如1H NMR波谱和某些情况下X-射线结晶学所测定的，两个残余的卤化物配体为顺式构型，并且这对于将这些配合物作为聚烯烃催化剂使用是很重要的。
本发明涉及一种催化剂体系，其包含金属催化剂和活化剂。一般情况下，活化剂将配合物转化为阳离子活性种。适合的活化剂在本领域中是公知的。其例子包括三甲基铝(TMA)、三乙基铝(TEA)、三异丁基铝(TIBA)、三正辛基铝、二氯化甲基铝、二氯化乙基铝、氯化二甲基铝、氯化二乙基铝、铝氧烷等。铝氧烷在本领域中通常公知为低聚化合物，其可以通过将水控制加成到烷基铝化合物，如三甲基铝中而制备。铝氧烷化合物的例子包括甲基铝氧烷(MAO)、改性甲基铝氧烷(MMAO)、乙基铝氧烷、和二异丁基铝氧烷。在本发明中，优选烷基铝氧烷，如甲基铝氧烷(MAO)。
烷基铝氧烷与三烷基铝化合物的混合物是特别优选的，如MAO与TMA或TIBA的混合。在本发明的上下文中，应当注意，在说明书中使用的术语“烷基铝氧烷”包括可商购的烷基铝氧烷，其可以包含一部分，通常约10wt％，但任选最高达50wt％的相应的三烷基铝；例如，商品MAO通常包含约10wt％的三甲基铝(TMA)，而商品MMAO既包含TMA，又包含TIBA。本发明引用的烷基铝氧烷的量包括这种三烷基铝混杂物，因此，本发明引用的三烷基铝化合物的量，当其存在时被认为包括式AlR3的化合物，包括引入到烷基铝氧烷中的任意的AlR3化合物。
适合的活化剂也包括含有非亲核阴离子的酸盐。这些化合物通常由连接到硼或铝上的庞大的配体组成。其例子包括四(五氟苯基)硼酸锂、四(五氟苯基)硼酸二甲基苯基铵、四(五氟苯基)硼酸三苯甲基酯等。适合的活化剂还包括三烷基或三芳基硼化合物，如三(五氟苯基)硼、三(五溴苯基)硼等。其他适合的活化剂描述于，例如美国专利5064802和5599761中。
在本发明催化剂的制备中，活化剂的使用量要根据试验来决定。发现，使用量为每分子金属化合物0.1-20000原子、优选1-2000原子铝或硼，特别是当使用铝氧烷活化剂时。
在一个优选的实施方案中，一种或多种式I的聚烯烃催化剂与一种或多种上述活化剂或其混合物结合以形成对烯烃聚合过程来说具有活性的催化剂体系。
所述催化剂和催化剂体系对于烯烃聚合(包括均聚和共聚)是特别有价值的。适合的烯烃包括一种或多种乙烯、丙烯、丁烯、戊烯、己烯、辛烯、苯乙烯、1，3-丁二烯、降冰片烯等或其组合。优选的烯烃是乙烯、丙烯及其与1-烯烃，如1-丁烯、1-己烯和1-辛烯的混合物。在一个实施方案中，制备了乙烯均聚物。
本发明的催化剂体系也可以包括一种或多种其他过渡金属化合物，如通用的齐格勒催化剂、茂金属催化剂、受限的几何催化剂、或热活化的负载氧化铬(如Phillips型)催化剂。
所述催化剂和催化剂体系在有或没有无机固体或有机聚合物载体的存在下使用。适合的载体包括二氧化硅、氧化铝、氧化镁、二氧化钛、粘土、沸石、聚合物载体，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、官能化的聚苯乙烯等。载体可以经热或化学预处理以提高催化剂生产量或产品性能。催化剂和/或活化剂可以以任何希望的方式沉积于载体上。例如，可以将催化剂溶于溶剂中，与载体混合并汽提。或者，可以使用初始润湿技术。此外，可以简单地将催化剂与载体分别引入到反应器中。
催化剂可以用于各种公知的烯烃聚合方法中，包括气相、高压液相、浆液、本体、溶液或悬浮相技术及其组合。液相方法包括以下步骤在适合的聚合溶剂中令烯烃单体与催化剂体系接触，在所述催化剂体系存在下在足以产生聚烯烃的温度和压力下，令所述单体反应一段时间。使用的压力通常为约10psi-约15000psi。聚合温度为约-100℃-约300℃，更优选约-50℃-约200℃，最优选约0℃-约150℃。
本发明的聚合方法以高产率得到聚合物，尤其是聚乙烯。这意味着在聚合过程中消耗极少量的催化剂。这也意味着在聚合过程之后，聚合物中的催化剂或残余物的量极少，这样在聚合物回收过程中就可以不需要催化剂分离步骤。
在一个实施方案中，本发明的乙烯聚合过程的活性可以大于5kg聚合物每mmol催化剂每小时每大气压乙烯，这相当于催化剂转换频率(TOF)大于1.8×105每小时每大气压乙烯。这样的高活性和TOF值需非常稀的催化剂溶液以防止出现传质受限速率。对于聚合运行来说，在一定时间间隔之后，可以观察到反应器的温度升高，因此，观察到的活性将由于所述传质受限速率而降低。但是，在这种放热条件下，本发明的聚合方法寿命长，并仍然以高产率得到聚合物。
不论什么时候，一旦形成，本发明的单个催化剂体系组分以及催化剂体系均要进行保护以免受到氧和水分的影响。因此，反应在无氧和无水气氛中进行，其中催化剂体系在无氧和无水气氛中单独回收，因此优选，反应在惰性干燥气体，如氦气或氮气的存在下进行。
以下实施例仅仅阐明本发明。本领域技术人员将认识到的许多变化均在本发明的精神中并属于所述权利要求的范围。
1H NMR(300MHz，CDCl3)1.37(s，9，tBu)，2.25(s，3，Me)，3.89(s，3，OMe)，7.04(s，1，Ar)，7.23(s，1，Ar).正EI-MS(m/z)258[M+].1.2中间体2的合成 中间体2根据以下文献方法的改进方法制备中间体2Holligan等，J.Chem.Soc.Dalton Trans.，1992，3345。通过在四氢呋喃(THF，40ml)中将中间体1(4.82g，18.7mmol)和镁屑(0.90g，37.0mmol)回流2小时制备所需的格氏试剂。在冷却到室温条件下，将所得混合物在N2下过滤，并于0℃下滴加到2，6-二溴吡啶(2.02g，8.53mmol)与[Ni(dppe)Cl2](dppe＝Ph2PCH2CH2PPh2，0.30g，0.57mmol)在干燥THF(20ml)中形成的混合物中，使混合物升温到室温，然后在回流下搅拌12小时。然后通过加入氯化铵水溶液猝灭反应，用HCl酸化，并在减压下除去挥发性物质，用二氯甲烷CH2Cl2(3×20ml)洗涤酸性水溶液，用氢氧化钾水溶液中和，并用CH2Cl2(3×20ml)萃取。通过硫酸镁干燥合并的有机萃取液，除去溶剂得到红色油状物。使用正己烷∶乙酸乙酯(9∶1)作为洗脱剂，通过硅胶快速色谱纯化，得到桔黄色固体。收率2.8g，77％。
1H NMR(300MHz，CDCl3)1.43(s，18，tBu)，2.36(s，6，Me)，3.37(s，6，OMe)，7.15(s，2，Ar)，7.42(s，2，Ar)，7.68-7.76(m，3，py).正EI-MS(m/z)431[M+].1.3中间体3的合成
中间体3根据Dietrich-Buchecker等(Tetrahedron，1990，46，503)的方法，于N2气氛，210℃下，在熔融的氯化吡啶鎓盐(12.0g，104mmol)中将中间体2(3.0g，6.96mmol)脱甲基化得到中间体3，浅黄色固体，可以在正己烷中重结晶。收率1.6g，57％。
1H NMR(300MHz，CDCl3)1.45(s，18，tBu)，2.35(s，6，Me)，7.18(s，2，Ar)，7.30(s，2，Ar)，7.62(d，2，J＝8.0Hz，py-H3，5)，7.96(t，1，J＝8.0Hz，py-H4)，10.52(brs，2，OH).正EI-MS(m/z)403[M+].1.4配合物1的合成 配合物1在-78℃下将正丁基锂(0.70ml，2.5M)的己烷溶液加入到中间体3(0.345g，0.86mmol)的甲苯(25ml)中。使黄色溶液在室温下搅拌1小时，然后在-78℃下缓慢加入甲苯(15ml)和四氢呋喃(THF，8ml)中的四氯化锆(IV)(0.200g，0.86mmol)。所得黄色溶液在-78℃搅拌1小时，然后在室温下搅拌12小时。将混合物过滤、浓缩得到浅黄色固体，通过甲苯重结晶，得到大的黄色晶体。收率0.39g，66％。测定配合物1的X-射线晶体结构(
图1)。1H NMR(500MHz， C6D6)0.76(br，4，thf)，1.79(s，18，tBu)，2.22(s，6，Me)，3.46(br，4，thf)，6.81(s，2，Ar-H6)，7.01-7.04(t，1，J＝7.6Hz，py-H4)，7.09-7.11(d，2，J＝7.6Hz，py-H3，5)，7.34(s，2，Ar-H4).正EI-MS(m/z)563(100％)[M+-thf].
1H NMR(300MHz，C6D6)0.93(br，6，Et2O)，1.78(s，18，tBu)，2.20(s，6，Me)，3.28-3.35(br q，4，Et2O)，6.78(s，2，Ar-H6)，7.09-7.18(m，3，py-H3-5)，7.33(s，2，Ar-H4).
1H NMR(600MHz，C6D6)1.74(s，18，tBu)，2.27(s，6，Me)，2.67(s，4，CH2)，6.58-6.61(t，2，J＝7.3Hz，Ph-H4)，6.75-6.77(m，6，Ph-H3and Ar-H6)，6.79-6.81(t，1，J＝7.8Hz，py-H4)，6.91-6.93(d，2，J＝7.8Hz，py-H3，5)，7.00-7.01(d，4，J＝7.3Hz，Ph-H2)，7.35(s，2，Ar-H4).
通过以下文献方法的改进制备中间体4Silva等，Tetrahedron 1997，53，11654。将3，5-二叔丁基-2-甲氧基苯乙酮(3.12g，12mmol)和叔丁醇钾(2.71g，24mmol)的四氢呋喃(THF，15ml)溶液在室温下搅拌2小时得到黄色悬浮液。然后加入1-N，N-二甲基氨基-3-(2’-甲氧基萘基)-3-氧代-1-丙烯(通过Silva等在Tetrahedron 1997，53，11654的改进从1-甲氧基-2-萘乙酮制备；3.05g，12mmol)的THF(20ml)溶液，并将混合物在室温下搅拌12小时，得到深红色溶液。向混合物中加入乙酸铵(9.18g，119mmol)的乙酸(60ml)溶液。通过蒸馏2小时除去THF，残余物经真空干燥。加入二氯甲烷(30ml)得到红色溶液，用饱和的碳酸氢钠溶液中和，然后用CH2Cl2(3×20ml)萃取。用水和盐水洗涤合并的有机萃取液，经硫酸钠干燥，除去溶剂，得到红色油状物。使用正己烷∶乙酸乙酯(20∶1)作为洗脱剂，通过硅胶快速色谱纯化，得到浅黄色固体。收率1.9g，68％。
1H NMR(300MHz，CDCl3)1.37(s，9，tBu)，1.45(s，9，tBu)，3.40(s，3，OMe)，3.77(s，3，OMe)，7.40(s，1，Ar)，7.52-7.56(m，2，Nap)，7.63(s，1，Ar)，7.73-7.89(m，4，py and Nap)，8.03-8.12(m，2，py和Nap)，8.25-8.28(d，1，J＝8.4Hz，Nap).5.2中间体5的合成 中间体5根据Dietrich-Buchecker等(Tetrahedron 1990，46，503)所述的方法，于N2气氛，220℃下，在熔融的氯化吡啶鎓盐(10.0g，86.5mol)中将中间体4(1.91g，4.21mol)脱甲基化得到中间体5，浅黄色固体，可以在正己烷中重结晶。收率1.12g，63％。
1H NMR(400MHz，C6D6)1.37(s，9，tBu)，1.65(s，9，tBu)，7.04-7.09，7.27-7.32，7.42-7.48，7.63-7.66(m，10，Ar)，8.72-8.75(d，1，J＝8.4Hz，Ar)，9.50(brs，1，OH)，12.78(brs，1，OH).正EI-MS(m/z)425[M+].5.3配合物5的合成 配合物5采用合成配合物4的合成方法，使用中间体5代替中间体3。向深红色反应混合物中加入正己烷得到深红色微晶固体沉淀，收集并真空干燥。收率69％。
1H NMR(500MHz，C6D6)0.78(br，4，thf)，1.33(s，9，5-tBu)，1.88(s，9，3-tBu)，3.37(br，4，thf)，7.07-7.11(t，1，J＝7.9Hz，py-H4)，7.24-7.25(d，1，J＝7.5Hz，py-H3)，7.27-7.34(m，4，Nap)，7.47-7.49(d，1，J＝7.8Hz，py-H5)，7 52(s，1，Ar-H6)，7.59-7.60(d，1，J＝7.2Hz，Nap)，7.73(s，1，Ar-H4)，9.08-9.10(d，1，J＝8.0Hz，Nap).正EI-MS(m/z)541(100％)[M+-thf].聚合试验使用下面的方法进行以下描述的聚合试验。在大气压下，在甲苯中，在100ml含有磁力搅拌棒的玻璃反应器中进行乙烯聚合。将甲苯(40ml)引入到含有催化剂的反应器中并搅拌。该溶液淹没在所需聚合温度的液体浴中30分钟并用乙烯吹扫15分钟。通过加入甲基铝氧烷(MAO)的甲苯溶液引发聚合，将反应器保持在1大气压(atm)乙烯下，时间为聚合的持续时间。在上述时间后，加入HCl-酸化的甲醇(40ml)以终止聚合，停止乙烯气进料。通过过滤收集所得固体聚合物，用酸化甲醇洗涤并真空干燥至恒重。实施例6使用配合物1(3mg，4.72μmol)作为催化剂，与MAO(4.7ml，7.08mmol，10wt％的甲苯溶液，1500当量)活化剂一起，在20℃下进行乙烯聚合20分钟。分离出的聚合物收率为5.42g，相当于活性为3448g/mmol h atm，聚合物的熔点为126.7℃。
1H NMR(500MHz，CD2Cl2)1.21(dt，9，J＝19.9，7.7Hz，PCH2CH3)，1.55(s，18，tBu)，2.18(br，6，PCH2CH3)，2.33(s，6，Me)，7.09(s，2)，7.22(s，2)，7.73(d，2，J＝7.9Hz，py-H3，5)，7.97(t，1，J＝7.9Hz，py-H4).31P NMR(162MHz，CD2Cl2)20.36.正EI-MS(m/z)563[M+-PEt3].
从以上一般性说明和具体实施方案显而易见，虽然已经阐明并描述了本发明的形式，但在不背离本发明范围和精神的情况下可以做出各种变化，因此，并不想由此来限定本发明。
已经引用了许多参考文献，其全文在此引入作为参考。
权利要求
1.一种聚烯烃催化剂组分，其包括式I的非茂金属催化剂 其中，R1-R11各自独立地选自氢、卤素、公认的给体和受体基团、包含1-20个碳原子的烃基、取代的烃基、杂烃基和取代的杂烃基，且R1-R11中的两个或多个可以连接起来形成环；E是第16族元素；M是选自第3-10族元素和镧系元素的金属；m是金属的氧化态；X是键合到M上的单价原子或基团；Y是配位键合到M上的单齿或双齿分子，和n是0或最高达5的整数，其中该催化剂组分，当与适合的活性剂结合时，对于烯烃的聚合具有活性。
2.根据权利要求1的聚烯烃催化剂组分，其中基团R1-R5和R7-R11独立地选择并具有以下特征R1＝R11、R2＝R10、R3＝R9、R4＝R8和R5＝R7。
3.根据权利要求1的聚烯烃催化剂组分，其中基团R1-R5和R7-R11独立地选择并具有以下一种特征或其组合R1≠R11、R2≠R10、R3≠R9、R4≠R8和R5≠R7。
4.根据权利要求1的聚烯烃催化剂组分，其中M选自钛和锆。
5.根据权利要求1的聚烯烃催化剂组分，其中E是氧。
6.根据权利要求1的聚烯烃催化剂组分，其中X选自卤化物和烷基。
7.根据权利要求1的聚烯烃催化剂组分，其中Y选自中性O-给体分子。
8.根据权利要求1的聚烯烃催化剂组分，其中Y选自中性P-给体分子。
9.根据权利要求1的聚烯烃催化剂组分，其中Y不存在或选自中性N-给体分子。
全文摘要
本发明公开了式I所示的化合物，其中，R
文档编号C07F7/00GK1460688SQ0312865
公开日2003年12月10日 申请日期2003年3月29日 优先权日2002年3月29日
发明者陈志宏, 谭家豪 申请人:香港大学