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乙烯/极性单体共聚钯基催化剂的研究进展

来源:华佗小知识
综述 合成树脂及塑料,2010,27(3):69 CHINA SYNTHETIC RESIN AND PLAS nCS 乙烯/极性单体共聚钯基催化剂的研究进展 傅智盛 朱 良 范志强 (浙江大学高分子科学与工程学系,高分子合成与功能构造教育部重点实验室,浙江杭州,310027) 摘要: 综述了用于乙烯与极性单体共聚合的后过渡金属(主要是钯)催化剂的研究进展。在乙烯与丙烯酸甲 酯共聚合中.以含d一二亚胺配体的阳离子钯化合物为催化剂.可得到高度支化的共聚物,酯基都分布在支链的末 端 以含酚亚胺配体的中性镍化合物或含邻一二芳基膦苯磺酸配体的中性钯化合物为催化剂.可以制备乙烯与功能 化的降冰片烯的共聚物。目前,后者不仅可以催化乙烯与丙烯酸甲酯共聚合,还可以催化乙烯与丙烯腈、乙烯基醚或 氟乙烯共聚合 共聚产物为线型聚合物,极性单体无规分布在共聚物链中。 关键词: 乙烯极性单体共聚合钯催化剂 文献标识码: A 文章编号: 1002—1396(2010)03—0069—06 中图分类号:TQ 316.342:TQ 314.24+2 聚合物很多重要的性能『如韧性、黏附力、表 面性能(涂装性、印染性等)、抗溶剂性、溶解性、相 种是杂原子与金属之间形成的8键:另一种是碳 碳与金属之间形成的丌键(如图1所示)。后者是 容性和流变性能等1都和聚合物中存在的极性基 团息息相关ll I在传统的聚烯烃中引入极性的功能 基团可使廉价、易得的聚烯烃提高附加值。因此, 人们期望将非极性的单体(如乙烯或丙烯)和极性 单体(如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙酸乙酯或丙 烯腈)共聚合。自由基聚合是制备这类共聚物的方 法之一 然而.在自由基聚合中。极性单体通常比 非极性单体具有更高的聚合活性 因此.通过自由 基聚合得到的共聚物中.极性单体的含量比非极 性单体的含量高很多圆 而且.与配位聚合相比。通 过自由基聚合控制聚合物的微结构很困难 因为 在配位聚合中.可以通过改变配体的结构调控单体 的插入反应 所以.有必要发展一种新方法.能在温 导致双键进一步插入从而发生聚合的配位模式 然而.由于前过渡金属具有更高的亲氧性或亲氮 性,它更趋于和杂原子形成8键。这类催化剂容易 被极性基团毒化而使配位反应受阻。而且.烯烃的 配位反应和插入反应也受极性基团的影响.因为 极性基团改变了单体的电子特性和空间特性 实 际上,拉电子基团(如酯基或氰基)降低了CzC 的叮T电子.从而削弱亲电性的金属与CzC之间 配位键的强度同 \/P M L/\X \ L/ 极性单体插入 和条件下实施并很好地控制聚合物的微结构 在 这个挑战中配位聚合扮演了一个很重要的角色[31 厶\ Lj 乙烯插入 1前过渡金属 自从Ziegler-Natta催化剂被发现以后 .人们 对通过过渡金属催化的配位聚合表现出极大的兴 图1聚合中的不同途径 Fig.1 Different pathways of polymerization 注:M为金属;L为配体;P为聚合物:X为极性基团。 趣。因为这类催化剂能够调控聚合物的微结构.从 而调控聚合物的性能。在过去20年里,茂金属嘲和 收稿日期: 2009—12—27; 修回日期: 2010—03—15。 非茂金属阎催化剂的出现使通用聚合物『如聚乙烯 fPE)或聚丙烯1的性能得到非常有效的调控和改 善。遗憾的是.这类性能出众的前过渡金属并不能 作者简介:傅智盛,1975年生.博士.副教授,研究方向为 聚烯烃催化剂和聚烯烃功能化 联系电话:(0571) 87953754;E—mail:fuzs@zju.edu.cn。 基金项目: 国家自然科学基金资助课题(20604021).浙江 省自然科学基金资助课题(J20091486),浙江大学青年教师 交叉研究种子基金 用于极性单体的聚合。其中的原因是多方面的。极 性单体与金属之间存在2种可能的配位方式:一 合成树脂及塑料 2010年第27卷 为了实现C--C的配位反应.常使用基团保 护法圈 不过.该法不可避免地需要去保护基团等 后处理步骤.这样就增加了生产成本并产生废弃 2后过渡金属 目前,一些基于钯和镍化合物的催化剂被用 于极性单体的聚合(如图2所示)。Brookhart报道 的含有o【一二亚胺配体的阳离子型钯化合物是第 一物。尽管用前过渡金属催化极性单体f如丙烯酸甲 酯(MA)-U烯烃共聚合1的研究有所报道,不过这些 金属是作为路易斯酸引发了阴离子聚合而不是作 为单中心的配位聚合催化剂 因此.这类催化剂 不能催化极性单体与非极性单体无规共聚合 尽 管后过渡金属的催化活性低.只能生成二聚体或 齐聚物㈣.但由于它们更趋向于与CzC形成配位 键而不是与杂原子形成8键.被认为具备了催化 极性单体与非极性单体共聚合的可能性l3J。 个实现乙烯一MA共聚合的钯基催化剂[11—12] 其 催化产物是高度支化的聚合物.每1 000个C中 大约含有100条支链.酯基只是无规地分布在支 链的末端(如图3所示)。由于过渡态8具有更高 的稳定性,MA经过2,1一插入后【7.121。再经过链行 走形成了过渡态8 乙烯经过配位反应和插入反 应就形成了高度支化的聚合物.此后.MA不能进 一步插入 簧A溶剂\/Pd\/ JM。 1j 1 Ar ̄ /Ar Me Grubbs Bmokhart Ar:2,6.二异丙基苯基, 2,6-- ̄甲基苯基等 -R:H,Ph等 R‘:Ph,Me R:Me,H等 图2能催化极性单体配位聚合的催化剂 Fig.2 Catalysts for coordination polymerization of polar monomer 注:Me为甲基,Et为乙基,Ph为苯基。 + c。 e /CH2C I Me02C ( 。+ 鲎 一 士乙烯配位或插入 图3 由催化剂1制备的乙烯一MA共聚物的拓扑结构及其来由 Fig.3 Topology of ethylene—methyl acrylate copolymer prepared with catlysat 1 注: ,y,。代表重复结构单元数。 导致共聚物中MA结构单元含量低的另一个 原因是.尽管MA的插入速率被证明高于乙烯,但 由于过渡态4的稳定性远高于过渡态5『平衡常数 配体的供电性、减小配体的空间位阻可提高共聚 物中MA结构单元的含量 此外.最近的研究结果 表明.提高催化剂轴向位置的空间体积可降低催 化剂对乙烯和MA的偏向性.从而提高共聚物中 MA结构单元的含量(该催化剂的配体结构见图 4)[141。通过催化剂l也可实现(£,一不饱和酯与乙烯 (k )为3xlo41,使乙烯的插入量仍然很高,而MA 的插入量却很低 为克服这一现象.使用高浓度的 MA可提高共聚物中MA结构单元的含量r13】。提高 第3期 傅智盛等.乙烯/极性单体共聚钯基催化剂的研究进展 的共聚合【l5j。Warwel等的研究结果表明.脂肪酸的 插入量高度依赖于它的长度 在长链的 一不饱和 酯中,由于C--C远离酯基.受酯基的影响小.该 双键在配位中与乙烯的C=C相似.所以共聚物 中长链03一不饱和酯的插入量远高于短链酯 改变 脂肪酸的长度(从C 到C )对聚合活性没有明显 的影响。而MA的插入量和活性都下降。 能是因为配体的位阻和空间效应提高,当配体中 的芳基为邻一甲氧基苯时催化剂比同系物的活性 高很多[211 最近对这类配体结构的一些改进已有 报道[19,21-221 这些改进能够制备含有极性基团的其 他共聚物或提高这类催化剂在制备含极性基团共 聚物过程中的活性 用含有这类配体的钯化合物 催化乙烯与MA共聚合的研究已经很透彻(如图 5所示)[22-23]。Drent等 认为,二f二亚苄基丙酮1钯 与2一『二(2一甲氧基苯基)膦1苯磺酸反应形成催化 剂.用它制备的共聚物中MA结构单元的含量中 X X 等 MA结构单元插入到线型聚合物主链中.这和 用Brookhart催化剂制备的MA一乙烯共聚物(极性 单体分布于支链末端)有很大的不同。理论计算结 X=NMe ̄,OMe,CI,CF3 果证明.MA发生2.1一插入反应后。经过13一H消 除反应形成了一个很高的能垒使链行走变得困 图4环状o【一二亚胺配体 Fig.4 Cyclic ̄-diimine ligand 难.从而使乙烯发生连续的配位/插入反应(如图6 所示) 。毫无疑问,MA也同时插人。引发阶段包 括乙烯插入到钯~氢键中 + \x—— —+ Grubbs或Drent报道的后过渡金属化合物f2 和3)含有阴离子型的配体.这使金属中心的电子 密度更高.因此这类催化剂的亲氧性比阳离子型 化合物低很多 更高的电子密度导致更强的反馈 耵键.从而使极性单体的C=C更容易与中性化 合物的金属形成叮T键 。实际上,Grubbs报道的中 性化合物2对极性单体有很高的耐受性.而且在 乙烯与含有极性基团(如酯基或羟基)的降冰片烯 3 M 的共聚合中表现出了很高的活性 1。2000年.Drent 研究组报道了一类含有阴离子型配体(邻一二苯基 膦苯磺酸)的钯化合物在乙烯一含极性基团的降冰 片烯共聚合中表现了出色的效果 191 Sen等的进 一3a:R=_H:Ar- ̄2-M ̄OCg-I ̄;L=CI x插入摩尔分数: C0 ̄M ̄为7%~16%: 3b:R_H;Ar-=2-McOCJJ ̄;L=2,6-二甲基吡啶 3c:R=Me;Ar-=2・MeOC6}l4;L=毗啶 CN为2%--9%; OR为1.2%~6.9%: 3d:R=Me;At-=2一EtCd--I4;L=吡啶 F为0.09%--,0.45% 3e:R=Me;AFC6Hs;L=吡啶 步研究结果表明.该催化剂对极性单体表现出 图5 由催化剂3制备的乙烯一极性单体共聚物 Fig.5 Ethylene—polar monomer copolymer prepared with catalyst 3 高的活性,共聚物中极性单体的插入量中等 可 一 , cO2M。 P -.//———— 聚苗韧 : … 图6 催化剂3催化的乙烯一MA共聚合的途径 Fig.6 Copolymerization pathway of ethylene-methyl acrylate in the presence of catalyst 3 合成树脂及塑料 2010年第27卷 由于在化合物l3中发生乙烯的插入反应有 很大的空问位阻,聚合的活性中等.链终止反应主 要是化合物11发生B—H消除(如图6所示)。 大,因为以催化剂3c,3d或3e为催化剂时共聚物 中氟乙烯的插人量相同.而电子密度高的催化剂 3c的聚合活性低很多。 3结语 Nozaki等[22-231合成了含有2一『二(2一甲氧基苯基)膦1 苯磺酸的钯一甲基化合物(3a),它在乙烯一MA的 共聚合中有活性 单体的转化率和极性单体的插 尽管过去10年中极性乙烯基单体的聚合得 入量与同系物相当 丙烯腈的聚合是另一个值得期待的目标.但 该单体强烈趋向于通过其中的氮原子与金属形成 6键而使聚合很困难 含膦磺酸配体的钯化合物 3b已被证明在乙烯一丙烯腈共聚合中有活性[261 尽 管丙烯腈的插入量中等,但聚合活性相对较高(如 图5所示) 化合物3a中没有2.6一二甲基吡啶. 随着氯原子的脱除就得到了钯一甲基活性中心.该 催化剂制备的聚合物的相对分子质量较低.但聚 合活性和极性单体的插入量与3b相当 该催化剂 的活性与丙烯腈的浓度密切相关:高的聚合活性 伴随着低的丙烯腈插入量.反之亦然 由此得到的 是高度线型的聚合物(由核磁共振碳谱证实).它与 通过自由基聚合制备的乙烯一丙烯腈共聚物的链 结构有很大不同 后者的丙烯腈插入量更高.但是 该共聚物是支化的聚合物 而前者的链两端和 链中间都存在丙烯腈结构单元 在乙烯一乙烯基醚的共聚合中.以阳离子型的 二亚胺钯化合物为催化剂时.活性中心因6一OR 消除反应而失活 用苯基或硅基乙烯基醚代替 普通的乙烯基醚可以降低此类失活反应的发生. 从而获得硅基醚基团主要分布在链末端的高度支 化的共聚物 在此类共聚物的制备中.含有膦磺酸 配体的钯基催化剂3c也表现出了很好的活性I29J 乙烯基醚的插入量中等.聚合活性与插入量密切 相关 此外.这类共聚物的改性也得到了探索 通 过热分解或与盐酸反应可以很容易地将乙烯一特 丁基乙烯基醚共聚物中的特丁基脱除.从而得到 含有羟基的PE 通过一OR与一Br之间的交换反 应可获得溴化的PE。最近,Jordan等 报道了乙烯 与氟乙烯的共聚合(如图5所示)。聚氟乙烯很难 通过自由基聚合制备【3lJ.同时由于C—F键很强. 发生B—F消除的可能性很小。这些特点加上对卤 化聚合物的高需求使氟乙烯成为共聚合中最合适 的共单体 由催化剂3催化的配位聚合.聚合活性 中等.氟乙烯的插入量低 氟乙烯的插入量与氟乙 烯/乙烯的比率密切相关 在这种情况下.氟乙烯 的插入量与配体的电子效应和空间效应关系不 到了很大的改进。但仍然还有一些问题亟待解决 比如极性单体的插入摩尔分数应在0~100%可以 调控。目前通过配位聚合制备的共聚物中极性单 体的插入摩尔分数不超过20%.而通过自由基聚 合制备的共聚物中极性单体『如甲基丙烯酸甲酯 fMMA)] ̄J插入摩尔分数高达50%t31 而且前者的 聚合活性低是普遍存在的问题 聚合活性与极性 单体插入量密切相关:高的插人量导致聚合活性 的严重下降,反之亦然 此外.乙烯与其他重要的 极性单体(如MMA或乙酸乙烯酯)的共聚合仍然 没有实现。应该指出的是,Sen等圈最近描述了MMA 通过1.2一方式插入到仅一二亚胺催化剂1的反应 过程 然而.乙烯与MMA无法共聚合可能是因为 MMA插人后使催化剂的空间位阻变得很大 另一 个目标是丙烯与极性单体的共聚合 控制这个还 未得到的共聚物的等规指数是未来的研究中与极 性单体的插入量同等重要的课题 为了实现这些 引人注目的新材料的生产.开发新型催化剂将是 首先要努力的方向 4参考文献 [1]Boffa L S,Novak B M.C。polymerizati0n of polar monomers with olefins using transition-metal complexe .Chem Rev,2000, 100(4):1479-1493. 【2]Kamigaito M,Satoh K.Stereospeciife living radical polymeriza・ tion for simultaneous control of molecular weight and tacticity[J]. 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In ethylene and methyl acrylate copolyme zation,a cationic palladium complex bearing -diimine ligand gives highly branched copolymer having ester group at the end of the branches.Either neutral nickel complex with phenoxyimine ligand or neutral palladium complex bearing ortho-phosphinosulfonie acid can be used for preparing eopolymer of ethylene with functionalized norbornene.The latter catalyst system is suitable to copolymerize ethylene with methyl acrylate,aerylonitrile,vinyl ether or vinyl fluoride,respectively.The resultant is a kind of linear copolymer with random distribution of polar monomers in the backbone chains. Key Words: ethylene;polar monomer;c0polymerization;palladium;catalyst '',’',,,’',,,',,,'' ,,,,’'’',’,,’ ,’,,’,’',','' ,' '',,,' ,'’ ,’ ’’,’,,’,,’ ,’,’’' 中 国 专 利 目 次 导电聚合物修饰的碳载氢氧化钴复合催化剂的制备方法 激光在线检测聚合物凝聚态变化的外场形态控制成型装置 使用二氧化硅一氧化铝基催化剂的烯烃低聚合方法 基于l,2,3一丙三酸的微孔配位聚合物材料及其制备方法与应用 乳液聚合方法 一种新型反相乳液聚合物的制备方法 催化剂活化剂、制备方法及其在催化剂和烯烃聚合中的用途 烯烃聚合催化剂、制备方法及聚合方法 一种用于烯烃聚合的催化剂载体及其催化剂 用于烯烃聚合的催化剂纽分及由此得到的催化剂 乙烯共聚合催化剂 淤浆法乙烯聚合或共聚合的催化剂、制法和应用 生产用于乙烯聚合催化剂的方法以及生产乙烯聚合物的方法 用于乙烯聚合的催化剂组分、制备及应用 

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