ES2150931T5 - Catalizadores, metodo para preparar estos catalizadores y metodo para usar dichos catalizadores. - Google Patents

Catalizadores, metodo para preparar estos catalizadores y metodo para usar dichos catalizadores.

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Abstract

SE PRESENTA UN CATALIZADOR QUE SE PREPARA COMBINANDO UN PRIMER COMPUESTO QUE CONSTA DE UN COMPUESTO DE METAL DE BIS(CICLOPENTADIENIL) QUE TIENE UNA DE LAS SIGUIENTES FORMULAS GENERALES: 1. (A.CP)MX1X2 2. 3. (A-CP)ML 4. EN DONDE: M ES UN METAL SELECCIONADO ENTRE EL GRUPO QUE CONSTA DE TITANIO, ZIRCONIO Y HAFNIO; (A-CP) ES TANTO (CP)-(CP*) O CP-A-CP* Y CP Y CP* SON RADICALES DE CICLOPENTADIENIL IGUALES O DIFERENTES, SUBSTITUIDOS O INSUBSTITUIDOS; A'' ES UN GRUPO PUENTEADOR CONVALENTE; L ES UNA OLEFINA, DIOLEFINA O UN LIGANTE DE ARINA; X1 Y X2 ESTAN INDEPENDIENTEMENTE SELECCIONADAS ENTRE EL GRUPO QUE CONSTA DE RADICALES DE HIDRURO, RADICALES DE HIDROCARBIL, RADICALES DE HIDROCARBIL SUBSTITUIDO, RADICALES DE ORGANOMETALOIDES Y SIMILARES; X''1 Y X''2 ESTAN JUNTAS Y UNIDAS AL ATOMO DE METAL PARA FORMAR UN METALACICLO, EN EL CUAL EL ATOMO DE METAL, X''1 Y X''2 FORMAN UN ANILLO HIDROCARBOCICLICO QUE CONTIENE ENTRE 3 Y 20 ATOMOS DE CARBONO; Y R ES UN SUBSTITUYENTE SOBRE UNO DE LOS RADICALES DE CICLOPENTADIENIL QUE ESTA TAMBIEN UNIDO AL ATOMO DE METAL. CON UN SEGUNDO COMPUESTO QUE ES UN COMPUESTO INTERCAMBIADOR DE IONES QUE COMPRENDE UN CATION QUE REACCIONARA DE FORMA IRREVERSIBLE CON UN LIGANTE SOBRE DICHO PRIMER COMPONENTE Y UN ANION QUE ES UN COMPLEJO SIMPLE DE COORDINACION QUE COMPRENDE UNA PLURALIDAD DE RADICALES LIPOFILICOS COVALENTEMENTE COORDINADOS A UN ATOMO METALOIDE O DE METAL QUE SOPORATA LA CARGA, DICHO ANION ES ESTABLE A LAS REACCIONES QUE COMPRENDEN EL CATION DEL SEGUNDO COMPONENTE. DESPUES DE LA COMBINACION DEL PRIMER Y SEGUNDO COMPONENTES, EL CATION DEL SEGUNDO COMPONENTE REACCIONA CON UNO DE LOS LIGANTES DEL PRIMER COMPONENTE, GENERANDO DE ESTA FORMA UN PAR DE IONES QUE CONSTAN DE UN CATION DE METAL DEL GRUPO IV-B CON UN NUMERO FORMAL DE COORDINACION DE 3 Y UNA VALENCIA DE +4 Y EL ANTEDICHO ANION, DICHO ANION ES COMPATIBLE Y NO COORDINANTE CON EL CATION DE METAL FORMADO A PARTIR DEL PRIMER COMPONENTE. UNOS SEGUNDOS COMPONENTES ADECUADOS PUEDEN REPRESENTARSE MEDIANTE LA SIGUIENTE FORMULA GENERAL: EN LA QUE: L'' ES UNA BASE DE LEWIS NEUTRA; H ES UN ATOMO DE HIDROGENO; [L''-H] ES UN ACIDO DE BRONSTED; M'' ES UN METAL O UN METALOIDE SELECCIONADO ENTRE LOS GRUPOS COMPRENDIDOS POR LOS GRUPOS V-B A V-A DE LA TABLA PERIODICA DE ELEMENTOS, POR EJEMPLO LOS GRUPOS V-B, VI-B, VII-B, VIII, I-B, II-B, III-A, IV-A Y V-A; Q1 A QN SE SELECCIONAN, INDEPENDIENTEMENTE, ENTRE EL GRUPO QUE CONSTA DE RADICALES DE HIDRURO, RADICALES DE DIALQUILAMINO, RADICALES DE ALCOXIDO Y ARILOXIDO, RADICALES DE HIDROCARBIL Y DE HIDROCARBIL SUBSTITUIDO Y RADICALES DE ORGANOMETALOIDES Y CUALQUIERA DE ELLAS PERO NO MAS DE UNA, DE ENTRE Q1 Y QN PUEDE SER UN RADICAL DE ALURO, LAS Q1 A QN RESTANTES SE SELECCIONARAN INDEPENDIENTEMENTE ENTRE LOS RADICALES ANTERIORES; M ES UN ENTERO ENTRE 1 Y 7; N ES UN ENTERO DE ENTRE 2 Y 8; Y N ATALIZADORES ASI FORMADOS SON ESTABLES Y AISLABLES Y PUEDEN SER RECUPERADOS Y ALMACENADOS. LOS CATALIZADORES PUEDEN USARSE PARA POLIMERIZAR OLEFINAS, DIOLEFINAS Y/O COMPUESTOS ACETILENICAMENTE INSATURADOS TANTO SOLOS COMO EN COMBINACION UNOS CON LOS OTROS O CON OTROS MONOMEROS O LOS CATALIZADORES PUEDEN FORMARSE IN SITU DURANTE LA POLIMERIZACION AÑADIENDO LOS COMPONENTES SEPARADOS A LA REACCION DE POLIMERIZACION. LOS CATALIZADORES SE FORMARAN CUANDO LOS DOS COMPONENTES SE COMBINEN EN UN SOLVENTE O DILUYENTE ADECUADO A UNA TEMPERATURA DENTRO DE LA BANDA DE ENTRE -100 (GRADOS) C Y 300 (GRADOS) C. LOS CATALIZADORES ASI PREPARADOS APORTAN UN MEJOR CONTROL DEL PESO MOLECULAR DEL POLIMERO Y NO ESTAN SUJETOS A UNA INVERSION DEL EQUILIBRIO. LOS CATALIZADORES ASI PRODUCIDOS SON TAMBIEN MENOS PIROFORICOS QUE LA MAYOR PARTE DE LOS CATALIZADORES CONVENCIONALES PARA LA POLIMERIZACION DE OLEFINAS ZIEGLER-NATTA. ALGUNOS DE LOS CATALIZADORES TAMBIEN DAN COMO RESULTADO HOMOPOLIMEROS DE ALFAOLEFINAS QUE TIENEN PESOS MOLECULARES RELATIVAMENTE ALTOS. ALGUNOS DE ESTOS CATALIZADORES TAMBIEN DAN COMO RESULTADO COPOLIMEROS QUE CONTIENEN SIGNIFICATIVAMENTE MAS COMONOMEROS, MUCHOS DE LOS CUALES SERA ELASTOMERICOS.

Description

Catalizadores, métodos para prepararse estos catalizadores y método para usar dichos catalizadores.
Esta invención se refiere a composiciones de materia que son útiles como catalizadores, a un método para preparar estos catalizadores, y a un procedimiento de polimerización que usa estos catalizadores. Más particularmente, esta invención se refiere a catalizadores para la polimerización de olefinas, diolefinas y/o monómeros acetilénicamente insaturados. Se pueden producir con estos catalizadores productos de homopolímeros y copolímeros.
Antecedentes de la invención
Se ha mostrado o sugerido que las especies catalíticas activas para la polimerización de olefinas es un par ion y en particular un par ion con un componente de metal del Grupo IV-B presente como un catión o un producto de descomposición del mismo y como un cocatalizador un ácido de Lewis bien para formar o estabilizar las especies catalíticas iónicas activas. (véase Breslow y Newburg, Long and Breslow: J. Am. Chem. Soc. 1959 volumen 81 páginas 81-86 y J. Am. Chem. Soc. 1960, volumen 82 páginas 1953-1957; Dyachkovskii, Vysokomol, Soyed, 1965, volumen 7 páginas 114-115 y Dyachkovskii, Shilova y Shilov, J. Polym. Sci. Parte C 1967, páginas 2333-2339; 7219-7221).
El catalizador activo se forma, evidentemente, a través de una reacción de ácido de Lewis-base de Lewis de dos componentes neutros (el metaloceno y el alquil-aluminio), que dan lugar a un equilibrio entre un aducto, evidentemente inactivo y neutro, y un par ion, presumiblemente el catalizador activo. Como consecuencia de este equilibrio, existe una competición para el anión que debe estar presente para estabilizar las especies catalíticas catiónicas activas. Este equilibrio es, por supuesto, reversible y dicha reversibilidad desactivará el catalizador.
Los artículos de Long y Breslow, y Breslow y Newburg usan un catalizador homogéneo soluble de dicloruro de bis(ciclopentadienil)-titanio y cloruro de dietil-aluminio, pero estos sistemas no son altamente activos. Recientemente, (véase los Documentos EP 69951 y EP 129368) se ha encontrado que pueden formarse catalizadores tipo Ziegler-Natta activos, usando compuestos de bis(ciclopentadienilo) de metales del Grupo IV-B, incluyendo circonio, hafnio y alumoxanos.
Se obtienen actividades más elevadas que con los catalizadores de Long, Breslow y Newburg y distribuciones de peso molecular más estrechas que con los sistemas de Ziegler-Natta convencionales.
Los ácidos de Lewis (por ejemplo cloruro de dietil-aluminio) contemplados en los sistemas catalíticos solubles pueden actuar como agentes de transferencia de cadena. El cocatalizador de alquil-metal puede ser pirofórico y peligroso de usar. Los catalizadores que usan alumoxano permanecen sujetos a su envenenamiento y requieren un exceso indeseable de alumoxano.
Está por consiguiente entre los objetos de la invención proporcionar un sistema catalítico mejorado que evite el uso de un cocatalizador indeseable. Es también deseable un mejor control del peso molecular y de la distribución del peso molecular, mayor facilidad de producción de polímero de peso molecular más elevado y la incorporación de cantidades más grandes de comonómero.
El Journal of the Chemical Society de 1986 página 1610 describe en un artículo de M. Bochmann y L. M. Wilson la preparación de un compuesto [Cp_{2}Ti(CH_{3})(CH_{3}CN)[BPh_{4}] usando Cp_{2}Ti(CH_{3})Cl y BaBPh_{4} en CH_{3}CN. Se menciona también [(indenil)_{2}Ti(CH_{3})(RCN)][BPh_{4}]. Se establece que ninguno de los complejos reaccionan con etileno, butadieno o acetileno bajo condiciones suaves en ausencia o presencia de ácidos de Lewis.
El Journal of the American Chemical Society de 1986 volumen 108, páginas 1718-1719 describía en un artículo de R. F. Jordan, W. E. Dasher y S. F. Echols sistemas monometálicos que incorporan aniones no coordinantes y no reactivos que implican la preparación de un complejo iónico incluyendo Cp_{2}ZrR^{+} usando Ag[BPh_{4}][CpZr(CH_{3})(CH_{3}CN)][BPh_{4}]. Precipita Agº. El CH_{3}CN puede reemplazarse por tetrahidrofurano (THF) para formar un complejo estable. Se sugería que estos complejos catiónicos pueden reaccionar con poliolefinas.
En el Journal of the American Chemical Society, volumen 108, páginas 7410-7411 R. F. Jordan, C. S. Bajgur, R. Willet y B. Scott describen el uso de [CpZr(CH_{3})(THF)] [BPh_{4}] en la polimerización de etileno en ausencia de cocatalizador de Al. El propósito es demostrar la existencia de cationes Cp_{2}M(IV)R^{+}; se usan ligandos lábiles, presumiblemente THF en lugar de CH_{3}CN. Se usa CH_{2}Cl_{2} como disolvente a 25ºC y 1 a 4 atmósferas de etileno para producir polietileno que tiene típicamente un Mw de 18400, Mz de 33000, y una Mw/Mn de 2,58 a actividad relativamente baja de 0,2 g/mmol de catalizador min. atm. El ligando de THF mientras es lábil se dice que compite con el etileno. Es por consiguiente un objeto adicional de la invención proporcionar un sistema catalítico mejorado que evita la formación de especies catalíticamente inactivas neutras mediante el uso de aniones que son más resistentes a su degradación.
La Solicitud de Patente EP 91113752.9 se concedió como EP-B-468537 y reivindica un catalizador iónico para la polimerización de olefinas, diolefinas, y/o monómeros acetilénicamente insaturados, que comprende: un bis(ciclopentadienil)catión de metal del Grupo IV-B, y un anión no coordinante, voluminoso, y compatible de un complejo de coordinación único que tiene una pluralidad de radicales lipofílicos coordinados covalentemente a y protegiendo un átomo de metal o metaloide que soporta carga formal y central y suficientemente lábil para ser desplazado por una base de Lewis neutra, en el que el anión comprende un grupo arilo y está sustituido sobre los átomos de carbono aromáticos de tal manera que evite la transferencia de un fragmento del anión al catión de metal.
Sumario de la invención
Se ha descubierto ahora que ciertas de las precedentes y otras desventajas de los catalizadores de polimerización de olefinas iónicos de la técnica anterior se pueden evitar, o al menos reducir, con todas las precedentes y otras desventajas de los catalizadores de polimerización de olefinas iónicos de la técnica anterior se pueden evitar, o al menos reducir, con ciertos de los catalizadores iónicos de esta invención y el procedimiento de polimerización de olefinas, diolefinas y/o monómeros acetilénicamente insaturados mejorado proporcionado con la misma. La invención proporciona un catalizador para la polimerización de olefinas, diolefinas, y/o monómeros acetilénicamente insaturados, que comprende un catión obtenido a partir de un compuesto de bis(ciclopentadienil)-circonio o hafnio que tiene sustituciones sobre los átomos de carbono de ciclopentadienilo, y una parte de anión de un complejo de coordinación único que tiene una pluralidad de radicales lipofílicos coordinados covalentemente a y protegiendo un átomo de metal o metaloide que lleva una carga formal central, anión que es compatible con y no coordinante hacia el catión metálico, estando el catalizador formado a partir de los componentes primero y segundo seleccionados de tal manera que eviten la transferencia de un fragmento del anión al catión metálico, formando así unas especies catalíticamente inactivas, evitándose la transferencia mediante el impedimento estérico que resulta de las sustituciones sobre los átomos de carbono de ciclopentadienilo con las condiciones de que el catalizador no esté formado a partir de un sistema de ciclopentadienilo sustituido con peralquilo y un tetrafenilborato y que el catalizador no comprenda un anión no coordinante sustituido sobre los átomos de carbono aromáticos de tal manera que evite una transferencia de un fragmento del anión al catión metálico.
Está también entre los objetos de esta invención proporcionar ciertos catalizadores mejorados, que producirán polímeros de peso molecular relativamente elevado, copolímeros que contienen cantidades relativamente grandes de una pluralidad de comonómeros, los cuales comonómeros están distribuidos de una manera que al menos se aproxima a la distribución al azar. Está también entre los objetos de esta invención proporcionar productos poliméricos producidos con estos catalizadores que tienen distribuciones de peso molecular relativamente estrechas y que están libres de ciertas impurezas de metal.
El catalizador se prepara mediante combinación de al menos dos componentes. El primero de los cuales componentes es un derivado de bis(ciclopentadienilo) de un compuesto de zirconio o hafnio que contiene al menos un ligando que se combinará con el segundo componente o al menos una parte del mismo tal como una parte de catión del mismo. El segundo de los cuales componentes es un compuesto de cambio de ion que comprende un catión que reaccionará irreversiblemente con al menos un ligando contenido en dicho compuesto de zirconio o hafnio (primer componente) y un anión que es voluminoso y un complejo de coordinación único que comprende una pluralidad de radicales lipofílicos coordinados covalentemente a y protegiendo un átomo de metal o metaloide que lleva formalmente carga central. El metal o metaloide que lleva carga puede ser cualquier metal o metaloide capaz de formar un complejo de coordinación que no se hidrolice mediante disoluciones acuosas. Tras la combinación del primer y segundo componentes, el catión del segundo componente reacciona con uno de los ligandos del primer componente. El catión de zirconio o hafnio tiene un índice de coordinación formal de 3 y una valencia de +4. El anión obtenido a partir del segundo componente debe ser capaz de estabilizar el complejo de catión de zirconio o hafnio sin interferir con la capacidad del catión de zirconio o hafnio o de su producto de descomposición para funcionar como un catalizador y debe ser suficientemente lábil para permitir su desplazamiento por una olefina, diolefina o un monómero acetilénicamente insaturado durante la polimerización. Por ejemplo, Bochmann y Wilson han informado (J. Chem. Soc., Chem. Comm., 1986, páginas 1610-1611) que el bis (ciclopentadienil)-titanio-dimetilo reaccionan con ácido tetrafluorobórico para formar tetrafluoroborato de bis(ciclopentadienil)-titanio-metilo. El anión es, sin embargo, insuficientemente lábil para ser desplazado por el etileno.
El segundo compuesto de cambio de ion es una sal que comprende un catión capaz de donar un protón el cual se combinará irreversiblemente con dicho al menos un ligando (sustituyente) liberado por dicho compuesto de metal de zirconio o hafnio y el anión que es un complejo de coordinación único que comprende un núcleo de metal o metaloide que lleva carga.
Todas las referencias a la Tabla Periódica de los Elementos aquí se referirán a la Tabla Periódica de los Elementos publicada y con derecho de propiedad de CRC Press, Inc., 1984. También, cualquier referencia a un grupo o grupos será al grupo o grupos según se refleja en esta Tabla Periódica de los Elementos.
Según se usa aquí, la expresión "anión no coordinante compatible" significa un anión que bien no coordina a dicho catión o que está sólo débilmente coordinado a dicho catión permaneciendo de este modo suficientemente lábil para ser desplazado por una base de Lewis neutra. La expresión "anión no coordinante compatible" se refiere específicamente a un anión que, cuando funciona como un anión estabilizante en el sistema catalítico de esta invención, no transfiere un sustituyente aniónico o fragmento del mismo a dicho catión formando de este modo un metaloceno de coordinación cuatro neutro y un subproducto de metal o metaloide neutro. Los aniones compatibles son aniones que no se degradan a neutralidad cuando el complejo formado inicialmente se descompone. El término "metaloide", según se usa aquí incluye no metales tales como boro y fósforo que exhiben características semi-metálicas.
Los compuestos de circonio y hafnio útiles como primeros compuestos en la preparación de los catalizadores mejorados de esta invención son derivados de bis(ciclopentadienilo) de circonio y hafnio. En general, los compuestos útiles de circonio y hafnio pueden representarse por las fórmulas generales siguientes:
1
\vskip1.000000\baselineskip
2
en las que:
M es un metal seleccionado de circonio y hafnio;
(A-Cp) es bien (Cp)(Cp*) ó Cp-A'-Cp* y Cp y Cp* son los mismos o diferentesradicales de ciclopentadienilo sustituidos o sin sustituir en el que A' es un grupo puente covalente que contiene un elemento del Grupo IV-A;
L es una olefina, diolefina o ligando de arino;
X_{1} y X_{2} se seleccionan, independientemente, del grupo que consiste en radicales hidruro, radicales hidrocarbilo que tienen desde 1 a 20 átomos de carbono, radicales hidrocarbilo sustituidos, en los que uno o más de los átomos de hidrógeno están reemplazados con un átomo de halógeno, teniendo desde 1 a 20 átomos de carbono, radicales organometaloide que comprenden un elemento del Grupo IV-A en el que cada una de las sustituciones de hidrocarbilo contenidas en la parte orgánica de dicho organometaloide, independientemente, contienen desde 1 a 20 átomos de carbono;
X'_{1} y X'_{2} están unidos y fijados al átomo de metal para formar un metalociclo, en el que el átomo de metal, X'_{1} y X'_{2} forman un anillo hidrocarbocíclico que contiene desde 3 a aproximadamente 20 átomos de carbono; y
R es un sustituyente, preferiblemente un sustituyente de hidrocarbilo, sobre uno de los radicales de ciclopentadienilo que está también fijado al átomo de metal.
Cada átomo de carbono en el radical ciclopentadienilo puede estar, independientemente, sustituido o sin sustituir con el mismo o un diferente radical seleccionado del grupo que consiste en radicales hidrocarbilo, radicales hidrocarbilo sustituidos en los que uno o más átomos de hidrógeno está reemplazado por un átomo de halógeno, radicales metaloide sustituidos con hidrocarbilo en los que el metaloide se selecciona del Grupo IV-A de la Tabla Periódica de los Elementos, y radicales halógeno. Los radicales hidrocarbilo e hidrocarbilo sustituidos adecuados, que pueden estar sustituidos con al menos un átomo de hidrógeno en el radical ciclopentadienilo, contendrán desde 1 a 20 átomos de carbono e incluyen radicales alquilo lineales y ramificados, radicales hidrocarbonados cíclicos, radicales hidrocarbonados cíclicos sustituidos con alquilo, radicales aromáticos y radicales aromáticos sustituidos con alquilo. Similarmente, y cuando X_{1} y/o X_{2} es un radical hidrocarbilo o hidrocarbilo sustituido, cada uno puede, independientemente, contener desde 1 a 20 átomos de carbono y ser un radical alquilo lineal o ramificado, un radical hidrocarbilo cíclico, un radical ciclohidrocarbilo sustituido con alquilo, un radical aromático o un radical aromático sustituido con alquilo. Los radicales organometaloide adecuados incluyen radicales organometaloide mono-, di- y tri-sustituidos de elementos del Grupo IV-A en los que cada uno de los grupos hidrocarbilo contienen desde 1 a 20 átomos de carbono. Más particularmente, los radicales organometaloide adecuados incluyen trimetilsililo, trietilsililo, etildimetilsililo, metildietilsililo, trifenilgermilo, y trimetilgermilo.
Ejemplos ilustrativos, pero no limitantes de compuestos de bis-(ciclopentadienil)-circonio que se pueden usar en la preparación del catalizador mejorado de esta invención son compuestos de bis(ciclopentadienil)-circonio sustituido con dihidrocarbilo; compuestos de (ciclopentadienilo sustituido con monohidrocarbilo)-circonio tales como el (metilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis(metilciclopentadienil)-circonio-dimetilo, (etilciclopentadienil)(ciclopenta-
dienil) y bis-(etilciclopentadienil)-circonio-dimetilo, (propilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis(propilciclopentadienil)-circonio-dimetilo, [(n-butil)ciclopentadienil](ciclopentadienil) y bis[(n-butil)ciclopentadienil]-circonio-dimetilo, [(t-butil)ciclopentadienil](ciclopentadienil) y bis-[(t-butil)ciclopentadienil]-circonio-dimetilo, (ciclohexil-metilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis(ciclohexil-metilciclopentadienil)-circonio-dimetilo, (bencilciclopentadienil)
(ciclopentadienil) y bis(bencilciclopentadienil)-circonio-dimetilo,(difenilmetilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis(difenilmetilciclopentadienil)circonio-dimetilo, dihidruro de (metilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis(metilciclopentadienil)-circonio, dihidruro de (etilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis(etilciclopentadienil)-circonio, dihidruro de (propilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis(propilciclopentadienil)-circonio, dihidruro de [(n-butil)ciclopentadienil](ciclopentadienil) y de bis[(n-butil)ciclopentadienil]-circonio, dihidruro de [(t-butil)-ciclopentadienil](ciclopentadienil) y de bis[(t-butil)ciclopentadienil]-circonio, dihidruro de (ciclohexilmetilciclopentadienil)(ciclo-
pentadienil) y de bis(ciclohexilmetilciclopentadienil)-circonio, dihidruro de (bencilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis(bencilciclopentadienil)-circonio, dihidruro de (difenilmetilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis(difenilmetilciclopentadienil)-circonio; compuestos de (ciclopentadienilo sustituido con polihidrocarbilo)-circonio tales como el (dimetilciclopentadienil)-(ciclopentadienil) y bis(dimetilciclopentadienil)-circonio-dimetilo, (trimetilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis(trimetilciclopentadienil)-circonio-dimetilo,(tetrametilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis(tetrametilciclopentadienil)-circonio-dimetilo, (permetilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis(permetilciclopentadienil)-circonio-dimetilo, (etiltetrametilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis(etiltetrame-tilciclopentadienil)-circonio-dimetilo, (indenil)(ciclopen-tadienil) y bis(indenil)-circonio-dimetilo, dihidruro de (dimetilciclopentadienil)
(ciclopentadienil) y de bis(dimetilciclopentadienil)-circonio, dihidruro de (trimetilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis(trimetilciclopentadienil)-circonio, dihidruro de (tetrametilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis(tetrametilciclopentadienil)-circonio, dihidruro de (permetilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis(permetilciclopentadienil)-circonio, dihidruro de (etiltetrametilciclopentadienil) (ciclopentadienil) y de bis(etiltetrametilciclopentadienil)-circonio, dihidruro de (indenil)(ciclopentadienil) y de bis(indenil)-circonio. Se puede usar también compuestos de (ciclopentadienilo sustituido con hidrocarbil-metal)-circonio tales como el (trimetilsililciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis(trimetilsililciclopentadienil)-circonio-dimetilo, (trimetilgermilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis-(trimetil-
germilciclopentadienil)-circonio-dimetilo, (trimetil-estannilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis(trimetil-estannilciclopentadienil)-circonio-dimetilo, (trimetilplumbil-ciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis(trimetilplumbilciclopentadienil)-circonio-dimetilo, dihidruro de (trimetilsililciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis(trimetilsililciclopentadienil)-circonio, dihidruro de (trimetilgermilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis(trimetilgermilciclopentadienil)-circonio, dihidruro de (trimetil-estannilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis(trimetilestannilciclopentadienil)-circonio, dihidruro de (trimetilplumbilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis-(trimetilplumbilciclopenta-
dienil)-circonio; compuestos de (ciclopentadienilo sustituido con halógeno)-circonio tales como el (trifluorometilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y bis(trifluorometilciclopentadienil)-circonio-dimetilo, dihidruro de (trifluorometilciclopentadienil)(ciclopentadienil) y de bis(trifluorometilciclopentadienil)-circonio; compuestos de (ciclcopentadienil)-circonio sustituido con sililo; bis(ciclopentadienil)-zirconaciclos tales como bis(pentametilciclopentadienil)-zircona-ciclobutano y bis(pentametilciclopentadienil)-zircona-ciclopentano; compuestos de bis(ciclopentadienil)-circonio sustituidos con olefina, diolefina y ligando de arino tales como el bis(ciclopentadienil)(2,3-dimetil-1,3-butadieno)-circonio y bis(pentametilciclopentadienil)-(bencino)-circonio; compuestos de bis(ciclopentadienil)-circonio sustituidos con (hidrocarbilo)(hidruro) tales como el bis(pentametilciclopentadienil)-circonio-(fenil)(hidruro) y bis(pentametilciclopentadienil)-circonio-(metil)(hidruro); y compuestos de bis(ciclopentadienil)-circonio en los cuales un sustituyente sobre el radical ciclopentadienilo está unido al metal tal como el hidruro de (pentametilciclopentadienil)(tetrametilciclopentadienilmetilen)-circonio y el (pentametilciclopentadienil)(tetrametilciclopentadienilmetilen)-circonio-fenilo.
Se puede preparar una lista similar de compuestos de bis(ciclopentadienil)-hafnio ilustrativos, pero puesto que las listas serían casi idénticas a las ya presentadas con respecto a los compuestos de bis(ciclopentadienil)-circonio, dichas listas no se consideran esenciales para una descripción completa. Aquellas personas especializadas en la técnica, sin embargo, son conscientes de que los compuestos de bis(ciclopentadienil)-hafnio que se corresponden con ciertos de los compuestos de bis(ciclopentadienil)-circonio listados anteriormente no son conocidos. Las listas, por consiguiente se reducirían, por lo tanto, en estos compuestos. Otros compuestos de bis(ciclopentadienil)-hafnio así como también otros compuestos de bis(ciclopentadienil)-circonio que son útiles en las composiciones catalíticas de esta invención serán evidentes, por supuesto, para aquellas personas especializadas en la técnica.
Los compuestos útiles como un segundo componente en la preparación del catalizador de esta invención comprenderá un catión, que es un ácido de Bronsted capaz de donar un protón, y un anión no coordinante compatible. Los metales adecuados para la parte de anión incluyen, pero no están limitados a, aluminio, oro o platino. Los metaloides adecuados incluyen, pero no están limitados a, boro, fósforo o silicio. Los compuestos que contienen aniones que comprenden complejos de coordinación que contienen un único átomo de metal o de metaloide son, por supuesto, bien conocidos y muchos, particularmente dichos compuestos que contienen un único átomo de boro en la parte de anión, están disponibles comercialmente. A la luz de esto, se prefieren las sales que contienen aniones que comprenden un complejo de coordinación que contienen un único átomo de boro.
En general, los segundos compuestos útiles en la preparación de los catalizadores de esta invención se pueden representar mediante la siguiente fórmula general:
[(L'-H) ^{+}]_{d} [(M') ^{m+}Q_{1}Q_{2}...Q_{n}]^{d-}
en la que:
L' es una base de Lewis neutra;
H es un átomo de hidrógeno;
[L'-H]^{+} es un ácido de Bronsted;
M' es un metal o metaloide seleccionado de los Grupos abarcados por los Grupos V-B a V-A de la Tabla Periódica de los Elementos; es decir, los Grupos V-B, VI-B, VII-B, VIII, I-B, II-B, III-A, IV-A, y V-A;
Q_{1} a Q_{n} se seleccionan, independientemente, del Grupo que consiste en radicales hidruro, radicales dialquil-amido, radicales alcóxido y arilóxido, radicales hidrocarbilo e hidrocarbilo sustituidos y radicales organometaloide y uno cualquiera, pero no más de uno, de Q_{1} a Q_{n} puede ser un radical haluro seleccionándose los restantes Q_{1} a Q_{n}, independientemente, de los radicales precedentes;
m es un número entero desde 1 a 7;
n es un número entero desde 2 a 8; y
n - m = d.
Los segundos compuestos que comprenden boro que son particularmente útiles en la preparación de los catalizadores de esta invención se pueden representar mediante la siguiente fórmula general:
[L'-H] ^{+} [BAr_{1}Ar_{2}X_{3}X_{4}]^{-}
en la que:
L' es una base de Lewis neutra;
H es un átomo de hidrógeno;
[L'-H]^{+} es un ácido de Bronsted;
B es boro en un estado de valencia de 3;
Ar_{1} y Ar_{2} son los mismos o diferentes radicales hidrocarbonados aromáticos o aromáticos sustituidos que contienen desde 6 a 20 átomos de carbono y pueden estar unidos el uno con el otro a través de un grupo puente estable; y
X_{3} y X_{4} son radicales seleccionados, independientemente, del grupo que consiste en radicales hidruro, radicales haluro, con la condición de que sólo X_{3} ó X_{4} será haluro al mismo tiempo, radicales hidrocarbilo que contienen desde 1 a 20 átomos de carbono, radicales hidrocarbilo sustituidos, en los que uno o más de los átomos de hidrógeno está reemplazado por un átomo de halógeno, que contienen desde 1 a 20 átomos de carbono, radicales de metal sustituido con hidrocarbilo (organometaloide) en los que cada sustitución de hidrocarbilo contiene desde 1 a 20 átomos de carbono y dicho metal se selecciona del Grupo IV-A de la Tabla Periódica de los Elementos. Adecuadamente sólo X_{3} ó X_{4} será haluro en cualquier momento.
En general, Ar_{1} y Ar_{2} pueden ser, independientemente, cualquier radical hidrocarbonado aromático o aromático sustituido que contiene desde 6 a 20 átomos de carbono. Los radicales aromáticos adecuados incluyen, pero no están limitados a, radicales fenilo, naftilo y antracenilo. Los sustituyentes adecuados sobre los radicales hidrocarbonados aromáticos sustituidos útiles, incluyen, pero no se limitan necesariamente a, radicales hidrocarbilo, radicales organometaloide, radicales alcoxi, radicales alquilamido, radicales fluoro y fluorohidrocarbilo y los semejantes tales como aquellos útiles como X_{3} o X_{4}. El sustituyente puede estar en posición orto, meta o para, con respecto al átomo de carbono unido al átomo de boro. Cuando uno u otro o ambos de X_{3} y X_{4} son un radical hidrocarbilo, cada uno puede ser el mismo o un diferente radical aromático o aromático sustituido como son Ar_{1} y Ar_{2}, o el mismo puede ser un radical alquilo, alquenilo o alquinilo lineal o ramificado que tiene desde 1 a 20 átomos de carbono, un radical hidrocarbonado cíclico que tiene desde 5 a 8 átomos de carbono o un radical hidrocarbonado cíclico sustituido con alquilo que tiene desde 6 a 20 átomos de carbono. X_{3} y X_{4} pueden ser también, independientemente, radicales alcoxi o dialquilamido en los que la parte de alquilo de dichos radicales alcoxi y dialquilamido contiene desde 1 a 20 átomos de carbono, radicales hidrocarbilo y radicales organometaloide que tienen desde 1 a 20 átomos de carbono. Como se indicó anteriormente, Ar_{1} y Ar_{2} pueden estar unidos el uno con el otro. Similarmente, uno u otro o ambos de Ar_{1} y Ar_{2} pueden estar unidos a bien X_{3} o X_{4}. Finalmente, X_{3} y X_{4} pueden estar unidos también el uno con el otro a través de un grupo puente adecuado.
Ejemplos ilustrativos, pero no limitantes, de compuestos de boro que se pueden usar como un segundo componente en la preparación de los catalizadores mejorados de esta invención son las sales de amonio sustituidas con trialquilo tales como el trietilamonio-tetra(fenil)boro, tripropilamonio-tetra(fenil)boro, tri(n-butil)amonio-tetra(fenil)boro, trimetilamonio-tetra(p-tolil)boro, trimetilamonio-tetra(o-tolil)boro, tributilamonio-tetra(pentafluorofenil)boro, tripropilamonio-tetra(o,p-dimetilfenil)boro, tributilamonio-tetra(m,m-dimetilfenil)boro, tributilamonio-tetra(p-trifluorometilfenil)boro, tributilamonio-tetra(penta-fluorofenil)boro y tri(n-butil)-amonio-tetra(o-tolil)boro; sales de N,N-dialquil-anilinio tales como N,N-dimetil-anilinio-tetra(fenil)boro,N,N-dietilaniliniotetra(fenil)boro y N,N-2,4,6-pentametilanilinio-tetra(fenil)boro; sales de dialquil-amonio tales como di(i-propil)amonio-tetra(pentafluorofenil)boro y diciclohexil-amonio-tetra(fenil)boro; y sales de triaril-fosfonio tales como trifenilfosfonio-tetra(fenil)boro, tri(metilfenil)fosfonio-tetra(fenil)boro y tri(dimetilfenil)fosfonio-tetra(fenil)boro.
Se pueden preparar listas similares de compuestos adecuados que contienen otros metales y metaloides que son útiles como segundos componentes, pero dichas listas no se consideran necesarias para una descripción completa. A este respecto, se debe advertir que la lista precedente no pretende ser exhaustiva y otros compuestos de boro que serían útiles así como también compuestos útiles que contienen otros metales o metaloides serían fácilmente evidentes, a partir de las ecuaciones generales precedentes, para aquellas personas especializadas en la técnica.
En general, y mientras que la mayor parte de los primeros componentes identificados anteriormente se pueden combinar con la mayor parte de los segundos componentes identificados anteriormente para producir un catalizador de polimerización de olefinas activo, es importante para operaciones de polimerización continuadas que bien el catión de metal formado inicialmente a partir del primer componente o un producto de descomposición del mismo sea un catalizador relativamente estable. Es también importante que el anión del segundo compuesto sea estable a la hidrólisis cuando se usa una sal de amonio. Además, es importante que la acidez del segundo componente sea suficiente, con respecto a la del primero, para facilitar la transferencia de protón necesaria. Inversamente, la basicidad del complejo de metal debe ser también suficiente para facilitar la transferencia del protón necesaria. Ciertos compuestos de metaloceno - que usan bis(pentametilciclopentadienil)-hafnio-dimetilo como un ejemplo ilustrativo, pero no limitante - son resistentes a la reacción con todos excepto los ácidos de Bronsted más fuertes y así no son adecuados como primeros componentes para formar los catalizadores de esta invención. En general, los compuestos de bis(ciclopentadienil)metal con átomos de carbono ciclopentadienilo sustituidos que pueden hidrolizarse mediante soluciones acuosas pueden considerarse adecuados como primeros componentes para formar los catalizadores descritos aquí.
Con respecto a la combinación del primer componente (que contiene metal) con el segundo componente para formar un catalizador de esta invención, debe advertirse que los dos compuestos combinados para la preparación del catalizador activo deben seleccionarse de tal manera que se evite la transferencia de un fragmento del anión, particularmente un grupo arilo, al catión de metal, de tal modo que se formen unas especies catalíticas inactivas. Esto puede efectuarse mediante impedimento estérico, lo que tiene lugar por las sustituciones sobre los átomos de carbono del ciclopentadienilo; Se pueden usar además sustituciones sobre los átomos de carbono aromático del anión. De ello se infiere, entonces, que los compuestos de metal (primeros componentes) que comprenden radicales de ciclopentadienilo sustituido con perhidrocarbilo pueden usarse eficazmente con una gama más amplia de segundos componentes que lo pueden hacer los compuestos de metal (primeros componentes) que comprenden radicales de ciclopentadienilo sin sustituir. En general, el catalizador puede prepararse mediante combinación de los dos componentes en un disolvente adecuado a una temperatura dentro del intervalo desde -100ºC a 300ºC. El catalizador puede usarse para polimerizar \alpha-olefinas y/o monómeros acetilénicamente insaturados que tienen desde 2 a 18 átomos de carbono y/o diolefinas que tienen desde 4 a 18 átomos de carbono bien solas o en combinación. El catalizador puede utilizarse también para polimerizar \alpha-olefinas, diolefinas y/o monómeros acetilénicamente insaturados en combinación con otros monómeros insaturados. En general, la polimerización puede realizarse en condiciones bien conocidas en la técnica anterior. Se apreciará, por supuesto, que el sistema catalítico se formará in situ si los componentes del mismo se añaden directamente al procedimiento de polimerización y se usa en dicho procedimiento de polimerización un disolvente o diluyente adecuado, incluyendo el monómero condensado. Se prefiere, sin embargo, formar el catalizador en una etapa separada en un disolvente adecuado con anterioridad a la adición del mismo a la etapa de polimerización. Mientras que los catalizadores no contienen especies pirofóricas, los componentes del catalizador son sensibles tanto a la humedad como al oxígeno y deben manejarse y transferirse en una atmósfera inerte tal como nitrógeno, argón o helio.
Como se indicó anteriormente, el catalizador mejorado de la presente invención se preparará, preferiblemente, en un disolvente o diluyente adecuado. Los disolventes o diluyentes adecuados incluyen cualquiera de los disolventes conocidos en la técnica anterior como que son útiles como disolventes en la polimerización de olefinas, diolefinas y/o monómeros acetilénicamente insaturados. Los disolventes adecuados, entonces, incluyen, pero no se limitan necesariamente a, hidrocarburos de cadena lineal y ramificada tales como isobutano, butano, pentano, hexano, heptano y octano; hidrocarburos cíclicos y alicíclicos tales como ciclohexano, cicloheptano, metilciclohexano y metilcicloheptano y compuestos aromáticos y aromáticos sustituidos con alquilo tales como benceno, tolueno, y xileno. Los disolventes adecuados incluyen también olefinas líquidas que pueden actuar como monómeros o comonómeros incluyendo etileno, propileno, butadieno, ciclopenteno, 1-hexeno, 3-metil-1-penteno, 4-metil-1-penteno, 1,4-hexadieno, 1-octeno y 1-deceno. Los disolventes adecuados incluyen además disolventes básicos no útiles generalmente como disolventes de polimerización cuando se usan catalizadores de polimerización tipo Ziegler-Natta convencionales tales como clorobenceno.
Mientras que los inventores no desean estar vinculados por cualquier teoría en particular, se cree que cuando los dos compuestos usados para preparar los catalizadores mejorados de la presente invención se combinan en un disolvente o diluyente adecuado, todo o una parte del catión del segundo compuesto (el protón ácido) se combina con uno de los sustituyentes sobre el que contiene el metal (primer componente). En el caso en el que el primer componente tiene una fórmula que corresponde a la de la fórmula general anterior, se libera un compuesto neutro, el cual compuesto neutro bien permanece en solución o se libera como un gas. A este respecto, debe advertirse que si uno u otro de X1 ó X2 en el que contiene el metal (primer componente) es un hidruro, puede liberase hidrógeno gas. Similarmente, si uno u otro de X1 ó X2 es un radical metilo, puede liberarse metano como un gas. En los casos en los que el primer componente tiene una fórmula que se corresponde a la de las fórmulas generales 2, 3 ó 4, uno de los sustituyentes del componente que contiene el metal (primer componente) está protonado pero, en general, no se libera sustituyente del metal. Se prefiere que la relación molar del primer componente a segundo componente sea 1:1 ó mayor. La base conjugada del catión del segundo compuesto, si permanece una, será un compuesto neutro que permanecerá en solución o complejada con el catión del metal formado, aunque, en general, se elige un segundo compuesto de tal manera que cualquier enlace de la base conjugada neutra al catión del metal será débil o no existente. Así, a medida que el volumen estérico de esta base conjugada incrementa, permanecerá simplemente en solución sin interferir con el catalizador activo. Similarmente, si el catión del segundo compuesto es un ion de trialquil-amonio, este ion liberará un átomo de hidrógeno para formar hidrógeno gaseoso o metano y la base conjugada del catión será una amina terciaria. De la misma forma, si el catión fuera un ion fosfonio sustituido con hidrocarbilo que contiene al menos un protón reactivo, como es esencial para la presente invención, la base conjugada del catión sería una fosfina.
Si bien aún no se desea estar vinculado por cualquier teoría en particular, se cree también que a medida que se libera uno de los sustituyentes (un ligando) del (primer componente) que contiene el metal, el anión no coordinante contenido originalmente en el segundo compuesto usado en la preparación del catalizador se combina con y estabiliza el catión de metal formado del primer componente, que tiene formalmente un número de coordinación de 3 y una valencia de +4. El catión de metal y el anión no coordinante permanecerán así combinados hasta que el catalizador se ponga en contacto con una o más olefinas, diolefinas y/o monómeros acetilénicamente insaturados bien solas o en combinación con uno o más de los otros monómeros u otra base de Lewis neutra. Como se indicó anteriormente, el anión contenido en el segundo compuesto debe ser suficientemente lábil para permitir su rápido desplazamiento por una olefina, diolefina o un monómero acetilénicamente insaturado para facilitar la polimerización.
Las reacciones químicas que se producen en la formación de los catalizadores de esta invención pueden representarse, cuando se usa un compuesto preferido que contiene boro como el segundo componente por referencia a las fórmulas generales establecidas aquí como sigue:
3
4
En las ecuaciones de reacción precedentes, los números corresponden a los números establecidos en combinación con las ecuaciones generales para compuestos de metaloceno útiles de zirconio o hafnio (primeros componentes). En general la estabilidad y velocidad de formación de los productos en las ecuaciones de reacción precedentes, particularmente el catión de metal, variarán dependiendo de la elección del disolvente, la acidez del [L'-H]^{+} seleccionado, el L' en particular, el anión, la temperatura a la que se completa la reacción y el derivado de diciclopentadienilo de metal seleccionado en particular. Generalmente, el par ion formado inicialmente será un catalizador de polimerización activo.
En esta invención, el catión metálico formado inicialmente se descompone en una o más otras especies catalíticamente activas.
Las especies catalíticas activas que no han sido caracterizadas, incluyendo los productos de descomposición activos, son del mismo tipo que aquellas que han sido aisladas y caracterizadas completamente o al menos retienen la estructura iónica esencial requerida para funcionar como un catalizador. Más particularmente, se cree que las especies catalíticas activas que no han sido aisladas, incluyendo los productos de descomposición activos, son del mismo tipo que las especies catalíticas activas aisladas y caracterizadas porque estas especies contienen un centro de bis(ciclopentadienil)metal el cual centro permanece insaturado y catiónico y tiene un enlace metal-carbono que es reactivo con olefinas, diolefinas y compuestos acetilénicamente insaturados. Los productos de descomposición pueden reaccionar con gas hidrógeno para entrar en un estado común de equilibrio que implica el complejo de hidruro catiónico, [Cp'CpMH]^{+}X^{-}.
Este comportamiento se pone mejor de ejemplo en un sistema de peralquil-ciclopentadienilo en el que se usa un borato de tetrafenilo como segundo componente. Por ejemplo, la reacción de Cp*_{2}ZrMe_{2} (en la que Cp* = C_{5}Me_{5}) y [Bu_{3}NH]^{+} [B(Ph'_{4})]^{-} (en la que Ph' = fenilo o para-alquil-fenilo con hidrógeno o un grupo alquilo en la posición para) en tolueno da [Cp*_{2}ZrMe]^{+}[B(Ph')_{4}]^{-} que es inestable y se descompone mediante pérdida de metano para dar un producto catalíticamente activo único. El producto de color rojo intenso ha sido caracterizado completamente mediante espectroscopía RMN y difracción de rayos X de cristal único. La estructura general de este catalizador de ion dipolar de este tipo se muestra a continuación:
5
en la que:
Cp* es un radical de ciclopentadienilo sustituido con peralquilo en el que cada una de dichas sustituciones de alquilo pueden ser el mismo o diferente radical alquilo C_{1}-C_{20}, preferiblemente el mismo o un radical alquilo C_{1}-C_{6} diferente, y lo más preferiblemente el mismo o un radical alquilo C_{1}-C_{4} diferente;
B es boro;
Zr es circonio;
Ph' es un radical fenilo o fenilo sustituido con alquilo y cada uno de los 3 Ph' pueden ser el mismo o diferente y las sustituciones de alquilo pueden ser C_{1}-C_{14}, preferiblemente C_{1}-C_{6}, y lo más preferiblemente C_{1}-C_{4}; y
R es hidrógeno o un grupo alquilo que tiene desde 1 a 14 átomos de carbono, preferiblemente desde 1 a 6 átomos de carbono, y lo más preferiblemente desde 1 a 4 átomos de carbono.
La adición de un exceso de hidrógeno gas a una solución de tolueno que contiene el catalizador de ion dipolar de ciclopentadienilo sustituido con peralquilo identificado anteriormente da lugar a una reacción rápida como se pone de evidencia por un cambio en el color desde rojo a amarillo, y, en soluciones concentradas, la formación de un precipitado amarillo. La separación de hidrógeno del sistema regenera el catalizador de ion dipolar original con rendimiento elevado. Si bien no se desea estar vinculado por ninguna teoría, se cree que la reacción de hidrógeno con el catalizador de ion dipolar da lugar a la formación de [Cp*_{2}ZrH]^{+}[B(Ph')_{4}]^{-}. La naturaleza reversible de esta reacción junto con otras evidencias espectroscópicas sugiere que el catión hidruro está en equilibrio químico con las especies de ion dipolar.
Consistente con lo precedente, se han preparado catalizadores de polimerización estables cuando se ha hecho reaccionar bis(permetilciclopentadienil)circonio-dimetilo con tri(n-butil)amonio-tetra(fenil)boro, tri(n-butil)amonio-tetra(p-tolil)boro y tri(n-butil)amonio-tetra(p-etilfenil)boro. Se ha preparado también un catalizador de polimerización estable cuando se ha hecho reaccionar bis(etiltetrametilciclopentadienil)circonio con tri(n-butil)amonio-tetra(p-tolil)boro. En cada uno de los casos, el catalizador de polimerización estable se preparó mediante adición de las sustancias reaccionantes en un disolvente aromático adecuado a una temperatura dentro del intervalo desde 0ºC a 100ºC. Basado en esto y otra información disponible por el inventor, parece claro que los catalizadores de polimerización de ion dipolar estables se pueden preparar también usando bis(permetilciclopentadienil)circonio-dialquilos y -dihidruros en combinación con sales de amonio de un anión de tetra(aril)boro p-sustituido o sin sustituir.
En general, el catalizador estable formado mediante el método de la invención se puede separar del disolvente y almacenarse para su uso posterior. El catalizador menos estable, sin embargo, será retenido generalmente en solución hasta ser usado en último término en la polimerización de olefinas, diolefinas y/o monómeros acetilénicamente insaturados. Alternativamente, cualquiera de los catalizadores preparados mediante el método de esta invención puede ser retenido en solución para su uso posterior o usarse directamente después de su preparación como un catalizador de polimerización. Además, como se indicó anteriormente, el catalizador puede prepararse in situ durante una reacción de polimerización al hacer pasar los componentes por separado en el recipiente de polimerización en el que los componentes entrarán en contacto y reaccionarán para producir el catalizador mejorado de esta invención.
Cuando la relación del primer compuesto al segundo compuesto es 1:1, a concentraciones por debajo de 10^{-5} M, el catalizador no es a menudo activo para la polimerización de olefinas. Mientras que los inventores no desean estar ligados a ninguna teoría en particular, se cree que el oxígeno o la humedad accidentales en el diluyente o los monómeros puede desactivar el catalizador. Cuando la relación del primer compuesto al segundo compuesto es 2:1 a 10:1 o más, sin embargo, las concentraciones del segundo componente pueden ser tan bajas como 10^{-6} M.
Cuando los primeros compuestos que contienen hafnio se hacen reaccionar con los segundos compuestos que contienen un metal o un metaloide tal como boro y unos cationes de amonio menos ácidos - usando tri-(n-butil)-amonio-tetraquis(pentafluorofenil)boro como un ejemplo - y el catalizador del mismo se usa en el procedimiento de polimerización de esta invención, se pueden observar períodos de inducción de 1 a 15 minutos o más antes de que comience la absorción del monómero. Este fenómeno es lo más pronunciado cuando la concentración del compuesto de hafnio está por debajo de 10^{-4} M y la del segundo componente está por debajo de 10^{-5} M; las concentraciones más elevadas de la solución del catalizador no muestran a menudo período de inducción. Se puede observar también cuando se usan primeros compuestos que contienen circonio cuando la concentración del segundo componente es 10^{-6} M o menos. Mientras que los inventores no desean estar ligados a ninguna teoría en particular, se cree que las especies catalíticas formadas se descomponen en el procedimiento de polimerización para formar un compuesto que contiene metal catalíticamente inactivo y regenerar bien el mismo o un segundo componente diferente. Este nuevo segundo componente activa cualquier exceso del primer componente presente para regenerar las especies catalíticas activas de la presente invención. Mientras que no se desea todavía estar ligado a ninguna teoría en particular, se cree que el aumento de la concentración del catalizador o el uso de segundos componentes que contienen más cationes de amonio ácidos bien disminuirá la duración de este período de inducción o se eliminará completamente.
En el procedimiento de polimerización de esta invención, el peso molecular parece ser una función de tanto la concentración del catalizador como la temperatura de polimerización y la presión de polimerización. Los polímeros producidos con el catalizador de esta invención, cuando se preparan en ausencia de efectos de transporte de masa significativos, tendrán, generalmente, distribuciones de peso molecular relativamente estrechas.
Ciertos de los catalizadores de esta invención, particularmente aquellos basados en hafnocenos - usando el catalizador producido a partir de la reacción de bis(ciclopentadienil)-hafnio-dimetilo y la sal de amonio trisustituida de tetra(pentafluorofenil)boro como un ejemplo - cuando se usan según se describe aquí para la polimerización y copolimerización de \alpha-olefinas, diolefinas, y/o monómeros acetilénicamente insaturados, en ausencia de un agente de transferencia de cadena, pueden dar lugar a la producción de polímeros y copolímeros de peso molecular extremadamente elevado que tienen distribuciones de peso molecular relativamente estrechas. A este respecto, se debe advertir que se pueden producir homopolímeros y copolímeros que tienen pesos moleculares de hasta 2 x 10^{6} y distribuciones de peso molecular dentro del intervalo de 1,5 a 15 con los catalizadores de esta invención. Los sustituyentes sobre los radicales de ciclopentadienilo, sin embargo, pueden ejercer una profunda influencia sobre los pesos moleculares del polímero.
Los catalizadores de esta invención que contienen un primer componente que es bien un enantiómero puro o la mezcla racémica de dos enantiómeros de un metaloceno quiral y rígido pueden polimerizar olefinas proquirales (propileno y \alpha-olefinas superiores) a polímeros isotácticos. Los compuestos de bis(ciclopentadienil)-metal en los que cada uno de los radicales de ciclopentadienilo está sustituido y que contienen un grupo puente covalente entre los dos radicales de ciclopentadienilo son particularmente útiles para las polimerizaciones isotácticas de este tipo.
Una característica particularmente sorprendente de algunos de los catalizadores de esta invención, particularmente los basados en hafnocenos en combinación con un segundo componente que comprende boro, es que cuando los catalizadores de esta invención se usan para copolimerizar \alpha-olefinas, bien solas o en combinación con diolefinas, la cantidad de olefina o diolefina de peso molecular más elevado incorporada en el copolímero se aumenta significativamente cuando se compara con los copolímeros preparados con los catalizadores tipo Ziegler-Natta más convencionales y los catalizadores de bis(ciclopentadienil)-circonio. Las velocidades de reacción relativas de etileno y \alpha-olefinas superiores con los catalizadores a base de hafnio antes mencionados de esta invención están mucho más próximas que con los catalizadores Ziegler-Natta convencionales de los metales del Grupo IV-B. La distribución del monómero en los copolímeros preparados con los catalizadores de esta invención, particularmente con las \alpha-olefinas inferiores y diolefinas inferiores, estará en el intervalo desde cerca de alternar perfectamente a su distribución estadísticamente al azar.
En general, los catalizadores se pueden seleccionar de tal manera que produzcan productos polímero que estarán libres de ciertos metales trazas encontrados generalmente en los polímeros producidos con los catalizadores tipo Ziegler-Natta tales como aluminio, magnesio, y cloruro. Los productos polímero producidos con los catalizadores de esta invención deben tener, entonces, una gama más amplia de aplicaciones que los polímeros producidos con los catalizadores tipo Ziegler-Natta más convencionales que comprenden un alquil-metal, tal como un alquil-aluminio. Los polímeros producidos con catalizadores de ion dipolar en ausencia de hidrógeno u otros reactivos de terminación de cadena, contienen insaturación predominantemente interna más bien que terminal. A este respecto, se debe advertir que si el átomo de carbono terminal en la cadena de polímero estuviera numerado el uno, la insaturación contenida en los polímeros producidos en el procedimiento de esta invención sería 2,3 más bien que la 1,2 más tradicional.
Realización preferida de la invención
En una realización preferida de la presente invención, un compuesto de bis(ciclopentadienil)-metal, seleccionándose dicho metal del Grupo que consiste en circonio y hafnio, conteniendo dicho compuesto dos radicales de ciclopentadienilo sustituidos o sin sustituir, independientemente, y uno o dos sustituyentes de alquilo inferior y/o uno o dos sustituyentes hidruro se combinará con una sal de amonio trisustituida de bien un tetra(aromático)-boro sustituido o sin sustituir. Cada una de las trisustituciones en el catión de amonio serán el mismo o un radical diferente de alquilo inferior o de arilo. Por alquilo inferior se quiere significar un radical alquilo que contiene desde uno a cuatro átomos de carbono. Cuando el compuesto de bis(ciclopentadienil)-metal usado es un compuesto de bis(ciclopentadienil sustituido con perhidrocarbilo)-metal, se puede usar una sal de tetra(aromático)boro sustituida parcialmente o sin sustituir. Se prefieren particularmente el tri(n-butil)amonio-tetra(fenil)boro, tri(n-butil)amonio-tetra(p-tolil)boro y tri(n-butil)amonio-tetra(p-etilfenil)boro. Los dos componentes se combinarán a una temperatura dentro del intervalo desde 0ºC a 100ºC. Los componentes se combinarán, preferiblemente, en un disolvente hidrocarbonado aromático, lo más preferiblemente tolueno. Tiempos de retención nominales dentro del intervalo desde 10 segundos a 60 minutos serán suficientes para producir tanto el catalizador preferido como el más preferido de esta invención.
En una realización preferida, el catalizador, inmediatamente después de su formación, se usará a continuación para polimerizar una \alpha-olefina inferior particularmente etileno o propileno, lo más preferiblemente etileno, a una temperatura dentro del intervalo desde 0ºC a 100ºC y a una presión dentro del intervalo desde 1,03 a 34,45 bares. En una realización lo más preferida de la presente invención, el catalizador lo más preferido se usará bien para homopolimerizar etileno o para copolimerizar etileno con una \alpha-olefina inferior que tiene desde 3 a 6 átomos de carbono, produciendo de este modo un plástico o un copolímero elastomérico. En ambas realizaciones la preferida y la más preferida, los monómeros se mantendrán en las condiciones de polimerización durante un tiempo de retención nominal dentro del intervalo desde aproximadamente 1 a aproximadamente 60 minutos y el catalizador se usará a una concentración dentro del intervalo desde aproximadamente 10^{-5} a aproximadamente 10^{-1} moles por litro de disolvente.
Habiendo descrito así ampliamente la presente invención y una realización preferida y la más preferida de la misma, se cree que la misma será incluso más evidente por referencia a los siguientes ejemplos. Se apreciará, sin embargo, que los ejemplos se presentan exclusivamente para propósitos de ilustración y no se deben considerar como que limitan la invención. Todos los ejemplos se completaron bien bajo una capa de argón mediante técnicas de Schlenk estándares o bajo una capa de helio en un tambor de secado Vacuum Atmospheres HE43-2. Los disolventes usados en los experimentos se secaron rigurosamente bajo nitrógeno mediante técnicas estándar. Los reactivos de boro y de metaloceno usados en estos ejemplos eran o bien comprados o se prepararon siguiendo técnicas publicadas. Los complejos de ion dipolar (Ejemplos 1, 4, 10 y 22) se caracterizaron mediante espectroscopía RMN ^{13}C en estado sólido y espectroscopía RMN ^{1}H en solución. El derivado de ion dipolar de tetra(p-etilfenil)boro aislado en el Ejemplo 10 se caracterizó adicionalmente mediante cristalografía de rayos X de cristal único.
Ejemplo 1
En este ejemplo, se preparó un catalizador de polimerización aislable y estable mediante combinación de 0,65 g de tri(n-butil)amonio-tetra(fenil)boro con 0,50 g de bis(pentametilciclopentadienil)-circonio-dimetilo. La combinación se efectuó mediante en primer lugar suspender el tri(n-butil)-amonio-tetra(fenil)boro en 50 ml de tolueno y a continuación añadir el bis(pentametilciclopentadienil)-circonio-dimetilo. La combinación se efectuó a temperatura ambiente y la puesta en contacto entre los dos compuestos se continuó durante 1 hora. Después de 1 hora, se separó un precipitado de color naranja insoluble de la solución dejando un líquido de cristalización transparente. El precipitado de color naranja se aisló mediante filtración, se lavó tres veces con 20 ml de pentano y se secó bajo vacío. Se recuperó 0,75 g del precipitado de color naranja. Una parte de este producto se analizó y se encontró que contenía un único compuesto organometálico que tiene la fórmula general siguiente:
6
en la que Me es un radical metilo.
Ejemplo 2
En este ejemplo, se polimerizó etileno mediante adición de 0,05 g del precipitado de color naranja recuperado en el Ejemplo 1 a 20 ml de tolueno a temperatura ambiente en un matraz tipo revólver de 100 ml y a continuación añadir etileno en exceso a presión atmosférica mientras se mantiene una vigorosa agitación. Se detectó una exotermia inmediata y se observó la formación inmediata de polietileno a medida que se continuó la adición de etileno.
Ejemplo 3
En este ejemplo, se polimerizó etileno mediante en primer lugar suspender 0,05 g del precipitado de color naranja preparado en el Ejemplo 1 en 20 ml de clorobenceno en un matraz tipo revólver de 100 ml y a continuación añadir etileno en exceso a presión atmosférica mientras se mantiene la agitación. Se detectó una exotermia inmediata y se observó la formación de polietileno a medida que se continuó la adición de etileno.
Ejemplo 4
En este Ejemplo, se preparó un catalizador de polimerización de olefinas aislable y activo mediante en primer lugar suspender 0,75 g de tri(n-butil)amonio-tetra(p-tolil)boro en 50 ml de tolueno y a continuación añadir 0,52 g de bis(pentametilciclopentadienil)-circonio-dimetilo. La mezcla se agitó a temperatura ambiente durante 1 hora. Después de 1 hora, se separó un precipitado de color naranja no aislable de la solución. El precipitado de color naranja se aisló mediante filtración, se lavó tres veces con 20 ml de pentano y se secó bajo vacío. Se recuperaron 0,55 g del precipitado de color naranja. El precipitado de color naranja se analizó y se encontró que contenía un compuesto organometálico que tiene la estructura siguiente:
7
en la que Me es un radical metilo.
Ejemplo 5
En este ejemplo, se polimerizó etileno a presión atmosférica mediante hacer pasar etileno en una muestra de 20 ml de la mezcla de reacción impura del Ejemplo 4 en un matraz tipo revólver de 100 ml. El etileno se polimerizó rápidamente.
Ejemplo 6
En este ejemplo, se polimerizó etileno a 2,76 bares manométricos mediante disolución de 0,02 g del precipitado de color naranja producido en el Ejemplo 4 en 100 ml de tolueno en un recipiente a presión de vidrio Fisher-Porter, calentar la solución a 80ºC y a continuación hacer pasar etileno en dicha solución a 2,76 bares manométricos durante 20 minutos. Se obtuvieron 2,2 g de polietileno y el peso molecular medio del polímero era de 57000. El polímero tenía una polidispersidad de 2,5.
Ejemplo 7
En este ejemplo, se copolimerizaron etileno y acetileno mediante disolución de 0,05 g del precipitado de color naranja del Ejemplo 4 en tolueno y a continuación añadir 2 ml de acetileno purificado a presión atmosférica en un tubo RMN. Se advirtió un cambio inmediato de color desde el naranja al amarillo. Después de cinco minutos, se añadieron 5 ml de etileno a presión atmosférica a esta mezcla y se observó una exotermia inmediata a medida que se formaba el polímero.
Ejemplo 8
En este ejemplo, se produjo un catalizador de polimerización de olefinas aislable y activo mediante en primer lugar suspender 1,20 g de tri(n-butil)amonio-tetra(p-etilfenil)boro en 50 ml de tolueno y a continuación añadir 0,76 g de bis(pentametilciclopentadienil)-circonio-dimetilo. La mezcla se agitó a temperatura ambiente durante 1 hora. Después de 1 hora, la mezcla de reacción se evaporó a sequedad. El sólido de color naranja impuro, que se produjo, se recristalizó en tolueno caliente para dar 1,0 g de cristales de color naranja-rojo. Una parte de este producto se analizó y se confirmó que era un compuesto organometálico que tiene la estructura siguiente:
8
en la que Me es un radical metilo.
Ejemplo 9
En este ejemplo, se polimerizó etileno mediante disolución de 0,10 g de los cristales de color naranja-rojo del Ejemplo 8 en tolueno y a continuación colocar la solución en un autoclave de acero bajo presión de nitrógeno. A continuación se introdujo etileno a 6,89 bares en el autoclave y se calentó el autoclave a 80ºC con agitación. Después de 10 minutos, el reactor se puso en contacto con la presión atmosférica y se abrió. El rendimiento de polietileno lineal era de 27 g que tiene un peso molecular medio ponderado de aproximadamente 52000.
Ejemplo 10
En este ejemplo, se preparó un catalizador de polimerización de olefinas mediante combinación de 0,06 g de bis(1,3-bistrimetilsililciclopentadienil)-circonio-dimetilo, 0,05 g de N,N-dimetilanilinio-tetra(fenil)boro y 1 ml de deutero-benceno en un tubo RMN y permitir que reaccionen los componentes. El espectro RMN mostró la completa pérdida de los materiales de partida después de 20 minutos a temperatura ambiente. A continuación la mezcla de reacción se dividió en dos partes, se diluyó con 20 ml de tolueno, y se colocó en matraces con brazos laterales de 50 ml. Se añadió etileno a una parte y propileno a la otra. Se observó una rápida polimerización en ambos casos.
Ejemplo 11
En este ejemplo, se preparó un catalizador de polimerización de olefinas activo mediante en primer lugar suspender 0,87 g de tri(n-butil)amonio-tetra(p-tolil)boro en 50 ml de tolueno y a continuación añadir 0,50 g de (pentametilciclopentadienil)(ciclopentadienil)-circonio-dimetilo. La reacción se agitó a temperatura ambiente durante 18 horas para dar una solución homogénea de color azul-verde. La mezcla de reacción se secó bajo vacío, se lavó con 30 ml de pentano, y a continuación se volvió a disolver en 100 ml de tolueno. La solución de color azul-verde que se obtiene se filtró en un recipiente a presión de vidrio y se agitó bajo 1,5 atmósferas de etileno. Se observó una exotermia inmediata y la formación de polímero tras la exposición de etileno. El rendimiento de polietileno era de 4,5 g después de 15 minutos.
Ejemplo 12
En este ejemplo, se preparó un catalizador de polimerización de olefinas mediante en primer lugar suspender 0,1 g de tri(n-butil)amonio-tetra(p-etilfenil)boro en 5 ml de d5-benceno y a continuación añadir 0,05 g de (pentametilciclopentadienil)(ciclopentadienil)-circonio-dimetilo. La reacción se completó después de 30 minutos. A continuación la solución de color verde se secó bajo vacío para dar un sólido vítreo de color verde. El producto de color verde impuro se extrajo con 20 ml de tolueno. En experimentos separados, el extracto de tolueno se expuso a etileno, a propileno y a una mezcla de etileno y propileno. En cada caso se observó una actividad de polimerización significativa.
Ejemplo 13
En este ejemplo, se preparó un catalizador de polimerización de olefinas aislable y activo mediante en primer lugar suspender 1,30 g de tri(n-butil)amonio-tetra(p-tolil)boro en 50 ml de tolueno y a continuación añadir 1,00 g de bis(etiltetrametilciclopentadienil)-circonio-dimetilo. La mezcla se agitó a temperatura ambiente durante 1 hora. Después de 1 hora, se separó un precipitado de color naranja no aislable de la solución. El precipitado de color naranja se aisló mediante filtración, se lavó tres veces con 20 ml de pentano y se secó bajo vacío. Se recuperaron 0,55 g del precipitado de color naranja. El precipitado de color naranja se analizó y se encontró que contenía un compuesto organometálico que tiene la estructura siguiente:
9
en la que Et es un radical etilo y Me es un radical metilo.
Ejemplo 14
En este ejemplo, 0,05 g del precipitado de color naranja producido en el Ejemplo 13 se disolvió en 2 ml de deutero-tolueno y se colocó en un tubo RMN de 5 mm y se protegió con un tapón de caucho. Se añadió etileno (2 ml a 1 atmósfera) vía una jeringuilla y se polimerizó inmediatamente.
Ejemplo 15
En este ejemplo, se usó un recipiente de reacción autoclave de acero de 100 ml agitado que estaba equipado para efectuar reacciones de polimerización Ziegler-Natta a presiones de hasta 2500 bares y temperaturas de hasta 300ºC. La temperatura del reactor limpio que contiene etileno a baja presión se equilibró a la temperatura de reacción deseada de 160ºC. La solución catalítica se preparó mediante disolución de 259 mg de un catalizador de ion dipolar (preparado a partir de bis(etiltetrametilciclopentadienil)-circonio-dimetilo y tri(n-butil)amonio-tetra(p-etilfenil)boro) en 10,0 ml de tolueno destilado bajo nitrógeno. Una parte de 0,4 ml de esta solución catalítica se transfirió mediante nitrógeno a baja presión en un tubo de inyección a volumen constante, que se mantuvo a 25ºC. El etileno se presurizó en el autoclave a una presión total de 1500 bares. Los contenidos del reactor se agitaron a 1000 rpm durante 1 minuto a cuyo tiempo la solución catalítica se inyectó rápidamente en el reactor con agitación con exceso de presión. Los cambios de temperatura y presión se registraron continuamente durante 120 segundos a cuyo tiempo los contenidos se pusieron rápidamente en contacto con la atmósfera, produciendo el polímero. El reactor se lavó con xileno para recoger cualquier remanente de polímero dentro y todo el polímero se secó bajo vacío. El rendimiento de polietileno aislado era de 0,56 g. Este polímero tenía un peso molecular medio ponderado de 21900, una distribución de peso molecular de 10,6 y una densidad de 0,965 g/ml.

Claims (5)

1. Un catalizador para la polimerización de olefinas, diolefinas, y/o monómeros acetilénicamente insaturados, que comprende un catión obtenido a partir de un compuesto de bis(ciclopentadienil)-circonio o hafnio que tiene sustituciones sobre los átomos de carbono de ciclopentadienilo, y un anión de un complejo de coordinación único que tiene una pluralidad de radicales lipofílicos coordinados covalentemente a y protegiendo un átomo de metal o metaloide que soporta una carga formal central, anión que es compatible con y no coordinante hacia el catión metálico,
estando el catalizador formado por primeros y segundos componentes seleccionados de tal manera que se evite la transferencia de un fragmento del anión al catión metálico, formando así unas especies catalíticamente inactivas, evitándose la transferencia mediante impedimento estérico que resulta de las sustituciones en los átomos de carbono de ciclopentadienilo con las condiciones de que
el catalizador no esté formado a partir de un sistema de ciclopentadienilo sustituido con peralquilo y un tetrafenilborato y
el catalizador no comprende un anión no coordinante sustituido sobre los átomos de carbono aromáticos de tal manera que se evite una transferencia de un fragmento del anión al catión metálico.
2. Un ion dipolar que tiene la siguiente fórmula estructural general:
10
en la que:
Cp* es un radical de ciclopentadienilo sustituido con peralquilo en el que cada una de dichas sustituciones alquilo pueden ser un radical alquilo C_{1}-C_{20} igual o diferente;
B es boro;
Zr es circonio;
Ph' es un radical fenilo sustituido con fenilo o alquilo y cada uno de los 3 Ph puede ser el mismo o diferente y las sustituciones alquilo pueden ser C_{1}-C_{14}; y
R es hidrógeno o un grupo alquilo que tiene desde 1 a 14 átomos de carbono.
3. Un ion dipolar de acuerdo con la reivindicación 2, que tiene una de las fórmulas:
11
en la que:
Cp* es un radical de (pentametilciclopentadienilo);
12
en la que Cp* es un radical de (pentametilciclopentadienilo);
13
en la que Cp* es un radical de (pentametilciclopentadienilo); o
14
en la que Cp* es un radical de (etiltetrametilciclopentadienilo).
4. Un método para preparar el catalizador de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, que comprende hacer reaccionar, en un disolvente o diluyente adecuado a una temperatura de -100 a 300ºC, un compuesto de bis(ciclopentadienil)-metal del grupo IV B que tiene sustituciones sobre los átomos de carbono de ciclopentadienilo con un compuesto de intercambio iónico de tal manera que se combine al menos un ligando del compuesto de metal con el compuesto de intercambio iónico o al menos una parte del mismo, generando de este modo el catalizador.
5. Un procedimiento para la polimerización de olefinas, diolefinas, y/o monómeros acetilénicamente insaturados, que comprende poner en contacto las olefinas, diolefinas, y/o monómeros acetilénicamente insaturados con el catalizador de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, y mantener en condiciones de polimerización de tal manera que produzca los productos de homopolímero o de copolímero.
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