Articolo metodologico

Polimerizzazione a etilene in reattori a pressione parallele e una analisi cinetica di polimerizzazione a catena Transfer

DOI:

10.3791/53212

⸱

27 novembre 2015

 , 
1Department of Chemistry, University of Minnesota - Twin Cities

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Un protocollo per l'analisi high-throughput di catalizzatore di polimerizzazione, di trasferimento a catena polimerizzazione, caratterizzazione polietilene, e analisi cinetica di reazione è presentato.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Abbiamo dimostrato un metodo per alta throughput catalizzatore screening utilizzando un reattore a pressione parallela partendo dalla sintesi iniziale di un nichel-α diimine polimerizzazione catalizzatore. Polimerizzazioni iniziali con il piombo catalizzatore per condizioni di reazione ottimizzate, compresa la concentrazione del catalizzatore, la pressione di etilene e tempo di reazione. Utilizzando i dati gas-uptake per queste reazioni, una procedura per calcolare la velocità iniziale di propagazione (k p) è presentato. Utilizzando le condizioni ottimizzate, la capacità del catalizzatore di polimerizzazione nichel α-diimine di sottoporsi trasferimento di catena con dietilzinco (znet 2) durante la polimerizzazione dell'etilene è stato studiato. Una procedura per valutare la capacità del catalizzatore di sottoporsi a trasferimento di catena (da peso molecolare e 13 di dati C NMR), calcolare il grado di trasferimento di catena, e calcolare i tassi di trasferimento di catena (k e) è presentato.

Introduzione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Poliolefine sono un importante classe di polimeri industriali con usi in materiali termoplastici ed elastomeri. Progressi significativi nella progettazione di catalizzatori single-site per la produzione di poliolefine ha portato alla possibilità di regolare il peso molecolare, polidispersità, e polimero microstruttura, che porta ad una vasta gamma di applicazioni potenziali. 1-3 Più recentemente, trasferimento di catena e catena polimerizzazioni spola sono stati sviluppati per fornire un percorso aggiuntivo per modificare le proprietà del polimero senza dover modificare il catalizzatore. 4-6 Questo sistema impiega un singolo sito catalizzatore metallo di transizione e un reagente di trasferimento di catena (CTR), che è tipicamente un gruppo di alchil metallo principale. Durante questo polimerizzazione, la catena polimerica in crescita è in grado di trasferire dal catalizzatore al CTR, dove la catena polimerica rimane inattivo fino a quando non viene ritrasferito al catalizzatore. Nel frattempo, il gruppo alchilico che è stato trasferito al catalizzatore può avviare anocatena polimerica ther. In una polimerizzazione trasferimento di catena, un catalizzatore può avviare un numero maggiore di catene rispetto ad una polimerizzazione catalitica standard. Le catene polimeriche sono terminati con il metallo trasferitore di catena; pertanto ulteriormente gruppo terminale funzionalizzazione è possibile. Questo sistema può essere utilizzato per modificare il peso molecolare e la distribuzione dei pesi molecolari delle poliolefine, 7 catalizzare Aufbau-like growth catena alchilica sui principali metalli del gruppo, 8 e per la sintesi di polimeri speciali che coinvolgono sistemi multicatalyst, come copolimeri a blocchi. 9, 10

Trasferimento a catena polimerizzazioni sono stati osservati più comunemente con metalli di transizione precoce (Hf, Zr) e alkylzinc o alchilalluminio reattivi, anche se esistono esempi in tutta la serie di metalli di transizione. 5,7,8,11-16 Nei sistemi catalitici metallo tipici di transizione presto, catena trasferimento è veloce, efficiente e reversibile che conduce a distribuzioni strette peso molecolare. Chain trasferimento / spola è stata osservata in metà-fine metalli di transizione (ad es Cr, Fe, Co e Ni) con il gruppo 2 e 12 alchili metallici, anche se i tassi di trasferimento sono molto variabili rispetto ai metalli primi. 4,7, 17-19 Due fattori principali sono apparentemente necessarie per un efficace trasferimento di catena: una buona partita di legame metallo-carbonio energie di dissociazione per la polimerizzazione catalizzatore e trasferimento di catena reagenti, e un ambiente sterico adeguato per promuovere bimolecular formazione / rottura di intermedi bimetalliche alchil-ponte . 20 Nel caso di metalli di transizione in ritardo, se il catalizzatore non contiene abbastanza sterico, beta-idruro (β-H) eliminazione sarà il percorso terminazione dominante e generalmente fuori concorrenza trasferitore di catena.

Qui riportiamo uno studio bimetallico trasferimento di catena da nichel zinco in un bis (2,6-dimetilfenil) -2,3-sistema catalitico a base di butanediimine con dietilzinco (znet 2) attraverso smaReazioni high-throughput ll scala. Trasferimento catena sarà identificato esaminando cambiamenti di peso molecolare (M w) e l'indice di dispersità del polietilene risultante mediante gel-permeazione analisi cromatografica. Trasferimento catena sarà inoltre identificato tramite analisi 13 C NMR del rapporto di vinile per fini saturi a catena in funzione della concentrazione trasferitore di catena. L'analisi cinetica delle aliquote di propagazione e trasferitore di catena in profondità sarà presentata anche.

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Protocollo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Attenzione: Si prega di consultare tutte le schede di sicurezza pertinenti (MSDS) prima dell'uso. Molti dei prodotti chimici utilizzati in queste sintesi sono acutamente tossici e cancerogeni, mentre molti sono piroforico e accendono in aria. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate durante l'esecuzione di queste reazioni compreso l'uso di controlli tecnici (cappa, cassetto portaoggetti) e dispositivi di protezione individuale (occhiali, guanti, camice, pantaloni a figura intera, chiuso-toe scarpe). Porzioni delle seguenti procedure implicano tecniche di manipolazione libera con aria standard.

1. Preparazione di [bis (2,6-dimetilfenil) -2,3-butanediimine] NIBR 2, 21-25

  1. Preparazione di bis (2,6-dimetilfenil) -2,3-butanediimine: (α-diimine)
    1. Sciogliere 2,3-butandione (1,0 ml, 11 mmoli) e 2,6-dimetilanilina (2,8 ml, 23 mmoli) in 20 ml di metanolo in un Pallone da 100 ml a fondo tondo.
    2. Aggiungere acido formico (0,4 ml, 11 mmoli) e mescolare la reazione di unt temperatura ambiente fino precipitati diimine (tipicamente 1-2 ore, ma può essere lasciato durante la notte). Se un precipitato non forma, concentrare la miscela di reazione mediante un evaporatore rotativo e raffreddare in un bagno di ghiaccio.
    3. Filtrare la miscela di reazione utilizzando fritta di vetro e pallone filtrare e lavare il solido giallo con 20 ml di metanolo freddo e secco sotto vuoto.
      Nota: 1 H NMR (500 MHz, CD 2 Cl 2): δ 7.06 (d, J = 7.6 Hz, 4H), 6,92 (t, J = 7.5 Hz, 2H), 2,00-1,99 (m, 19H).
  2. Preparazione di (1,2-dimetossietano) NIBR 2: DME-NIBR 2
    1. Sotto atmosfera di azoto, combinare anidra nichel bromuro (NIBR 2, 15 g, 0,069 moli), triethylorthoformate (30 ml, 0,185 moli) e metanolo (100 ml) in un pallone a fondo rotondo da 2-collo munito di refrigerante a ricadere e gomma setto su una linea Schlenk in atmosfera di azoto.
    2. Riflusso la miscela di reazione marrone sotto atmosfera di azoto fino aforme di soluzioni verdi. Questo richiede in genere 2-3 ore, ma questa reazione può essere lasciata a riflusso durante la notte se necessario.
    3. Dopo aver lasciato raffreddare la miscela, concentrare la miscela di reazione utilizzando la pompa del vuoto sulla linea Schlenk per formare un gel verde scuro.
    4. Cannula trasferire un eccesso di 1,2-dimetossietano (DME, 100 ml) sul gel verde, che forma immediatamente arancione fisso. Una volta che tutti si aggiunge il DME, riscaldare la reazione a 85 ° C per altri 2 ore fino a luce forme miscela di reazione arancioni. Raffreddare la reazione a temperatura ambiente, a questo punto una luce arancione precipitati solidi.
    5. Rimuovere il condensatore a riflusso del recipiente di reazione e sostituirla con una fritta Schlenk collegato ad un secondo pallone di Schlenk sotto atmosfera di azoto. Ruotare l'intero apparato di 180 ° causando la miscela di reazione arancione per immettere la fritta Schlenk e filtrare la miscela di reazione.
    6. Togliere il pallone di reazione originale e inserire un setto sulla fri Schlenkt. Trasferimento cannula DME (100 ml) e poi pentano (100 ml) per lavare il DME-NIBR 2. Asciugare il solido arancione sotto vuoto e portare nel cassetto portaoggetti.
      Nota: DME-NIBR 2 può essere conservata indefinitamente in atmosfera di azoto a temperatura ambiente. Se lasciato aperto all'atmosfera, forma un gel idratato verde.
  3. Preparazione di [bis (2,6-dimetilfenil) -2,3-butanediimine] NIBR 2: ([α-diimine] NIBR 2)
    1. Nel vano portaoggetti, unire DME-NIBR 2 (1,0 g, 3,2 mmol) e bis (2,6-dimetilfenil) -2,3-butanediimine (1,1 g, 3,8 mmol) in un pallone da 50 ml a fondo tondo.
    2. Aggiungere 20 ml di diclorometano e mescolare notte a temperatura ambiente.
    3. Filtrare la miscela di reazione con una fritta di vetro e beuta per filtrazione. Lavare il solido marrone con 75 ml di diclorometano e secco sotto vuoto.
      Nota: Questo catalizzatore nichel può essere conservato indefinitamente in un cassetto portaoggetti atmosfera inerte a temperatura ambiente. E 'alcosì insolubile in maggior parte dei solventi, caratterizzazioni così standard non sono stati eseguiti.

2. Preparazione di catalitici archivio Solutions

  1. Preparazione di [[α-diimine] Ni (CH 3)] + [MAO] - soluzione madre
    1. Preparare una soluzione di catalizzatore magazzino 1,0 x 10 -3 M con l'aggiunta di 0,0041 g di [α-diimine] NIBR 2 (8,0 x 10 -6 mol) in un flaconcino con 7,5 ml di toluene.
    2. Alla sospensione agitata nickel, aggiungere 0,50 ml di 30% metilalluminossano (MAO) in toluene e agitare per 1 min. Il colore cambia da una sospensione marrone a una soluzione blu-verde. Questa soluzione può essere conservata a -30 ° C fino a 6 ore e utilizzato in polimerizzazioni successive.
      Nota: metilalluminossano è piroforico e fumerà in aria. Esso dovrebbe essere utilizzato solo in un cassetto portaoggetti inerte atmosfera e la cura dovrebbe essere presa durante la rimozione contaminati siringhe / vetreria dal cassetto portaoggetti. Tipicamente, le siringhe unnd bicchieri vengono lavati con toluene nel cassetto portaoggetti e collocato in un metallo può, separato dalla Kimwipes o altre sostanze infiammabili. Il toluene contaminato è limitato in un flaconcino e rimossa dal vano portaoggetti con la lattina di metallo. Questi elementi vengono trasferiti alla cappa dove si aprono all'aria e lasciati spegnere lentamente dietro il vetro protettivo.
  2. Preparazione di ZNet 2 soluzione madre
    1. Preparare una soluzione 1.2 M sciogliendo 0,25 ml di ZNet 2 a 1,75 ml di toluene.
      Nota: dietilzinco è piroforico e si accende in aria. Deve essere utilizzato soltanto in un'atmosfera cassetto portaoggetti inerte e si deve prestare attenzione durante la rimozione contaminati siringhe / vetreria dal cassetto portaoggetti. In genere, le siringhe e bicchieri vengono lavati con toluene nel cassetto portaoggetti e posti in un metallo può, separato dalla Kimwipes o altre sostanze infiammabili. Il toluene contaminato è limitato in un flaconcino e rimossa dal vano portaoggetti con la lattina di metallo. Il se gli articoli vengono trasferiti al fumehood dove si aprono all'aria e lasciati spegnere lentamente dietro il vetro protettivo.

3. polimerizzazioni catalitiche Utilizzo di un reattore a pressione parallela

  1. Scope pressione
    1. Impostare tutte le reazioni di polimerizzazione in un reattore a pressione parallelo con agitazione in testa con sede in un atmosfera di N 2 cassetto portaoggetti. Programmare la polimerizzazione nel software: indicare volume totale di reazione (3,0 ml), il gas di spurgo (N 2), il gas desiderato reazione (etilene), la pressione desiderata (15-150 psi), e il tempo di reazione desiderata (1 hr ).
      Nota: Un Biotage Endeavor parallelo reattore a pressione con un computer separato in grado di monitorare l'assorbimento del gas è stato utilizzato per polimerizzazioni. Tutti polimerizzazioni furono effettuate almeno tre volte per assicurare la precisione e la riproducibilità. Utilizzando questo tipo di reattori diverse variabili può essere regolato in un singolo esperimento o nel corso di exp multiplaeriments compresi: i gas di reazione, pressione, temperatura, tempo, solvente, volume, catalizzatore o reagente di trasferimento di catena. Facendo otto reazioni alla volta con assorbimento di gas in tempo reale, le reazioni catalitiche vengono efficacemente testati. In questo caso, le fiale di reazione hanno un volume massimo di 5 ml, quindi un volume di 3 ml è stato scelto tenendo conto per la formazione del polimero. Inoltre, concentrazioni standard, pressioni e tempi erano basate su condizioni letteratura. 21 Queste polimerizzazioni possono essere eseguite in reattori pressione o anche su una linea Schlenk, tuttavia è più difficile da raggiungere pressioni elevate o assorbimento di gas per le reazioni.
    2. Inserire fiale rivestimento di vetro verso le otto pozzi. Utilizzare lo strumento di profondità per garantire i rivestimenti in vetro sono all'altezza appropriata. Inserire le giranti lama nel gruppo in testa.
    3. Riempire le fiale di reazione secondo la Tabella 1: 150
      Reazione Vessel Pressione (psi) Catalyst Vol. (ml) ZNet 2 Vol. (ml) Toluene Vol. (ml)
      1 15 0 0 3
      2 15 0.1 0 2.9
      3 30 0 0 3
      4 30 0.1 0 2.9
      5 60 0 0 3
      6 60 0.1 0 2.9
      7 150 0 0 3
      8 0.1 0 2.9
      Le condizioni di reazione Tabella 1. Per le reazioni ambito pressione.
    4. Assicurarsi che gli O-ring siano correttamente alloggiati nelle scanalature di metallo e posizionare con cura il gruppo agitazione sovraccarico sulla base e avvitare in modo alternato. Assicurarsi che tutte le viti siano strette inizio e premere nel software. Monitorare la reazione attraverso misure di assorbimento del gas.
    5. Dopo 1 ora di polimerizzazione, rimuovere le fiale di reazione dal vano portaoggetti e precipitare polietilene con l'aggiunta di acido cloridrico al 5% in metanolo, rimuovere il solvente e secco sotto vuoto. Messa polimero per ottenere la resa e confrontare il consumo di etilene durante la reazione.
    6. Calcolare l'attività del catalizzatore, che è la massa di polimero formato per mole di catalizzatore, per ora di polimerizzazione.
    7. Analizzare il peso molecolare e dispersity indicepolietilene essiccati con gel ad alta temperatura Permeation Chromatography (GPC). Sciogliere 0,002 g di polimero in 2 ml 1,2,4-triclorobenzene a 135 ° C. Eseguire la GPC secondo il protocollo del produttore.
      Nota: Un 220 High Temperature GPC sistema / SEC Agilent PL-GPC è stato utilizzato a 135 ° C ed i dati era adatta usando standard di polistirene per analizzare il peso molecolare del polimero.
    8. Analizzare il grado di ramificazione, tipo ramo e il tipo di gruppo fine del polietilene essiccati con alta temperatura 13 C NMR. Sciogliere 0,050-0,080 g di polimero in 0,5 ml di tetracloroetano-d 2 (C 2 D 2 Cl 4) a 130 ° C. Eseguire i campioni su un NMR 600 MHz a 130 ° C per almeno 2.000 scansioni. Assegnare polimero ramificazione secondo la letteratura. 26-28
      Nota: Un Agilent / Varian 600 MHz spettrometro a 130 ° C è stato utilizzato per l'analisi 13 C NMR.
  2. Trasferimento polimerizzazione a catena
    1. Seguendo le stesse procedure e analisi Section 3.1, riempire il reattore e programmare il software secondo i parametri nella Tabella 2:
      Reazione Vessel Pressione (psi) Catalyst Vol. (ml) ZNet 2 Vol. (ml) Toluene Vol. (ml)
      1 60 0.1 0 2.9
      2 60 0.1 0.005 2.9
      3 60 0.1 0.01 2.89
      4 60 0.1 0,015 2.89
      5 60 0.1 0,025 2.88
      6 60 0.1 0,042 2.86
      7 60 0.1 0.06 2.84
      8 60 0.1 0,085 2.82
      Le condizioni di reazione Tabella 2. Per le reazioni di polimerizzazione trasferitori di catena.
    2. Inoltre, calcolare le moli di catene estese a causa della presenza di ZNet 2 e il numero di catene avviate per mole di catalizzatore sulla base delle seguenti equazioni. 7
      figure-protocol-1
      (MR) estesi - moli di catene estese a causa della presenza di ZNet 2 (mol)
      Resa Polimero - Messa di polimero formato (g)
      M n - Numero Averetà peso molecolare del polimero da GPC (g / mol)
      Catene avviato - Numero di catene avviate per mole di catalizzatore
      Moles catalizzatore - Moli di catalizzatore impiegato nella polimerizzazione
    3. Fare un appezzamento di catene numero avviate contro la concentrazione di ZNet 2.

4. Analisi cinetica di polimerizzazione a: Tassi di trasferimento di catena e propagazione

  1. Tasso di propagazione (k p)
    1. Per ogni corsa dove solo [α-diimine] NIBR 2 è presente, fare un terreno di consumo di etilene in funzione del tempo.
    2. Montare l'assorbimento iniziale di etilene nella regione lineare per ottenere il tasso iniziale. Nel caso di figura 2a, le tracce erano adatti da 500 a 2.000 sec.
    3. Utilizzare la media delle piste per ottenere il tasso di propagazione (k p) per il particolare catalizzatore alla pressione desiderata.
  2. Tasso ditrasferimento di catena (k p)
    1. Stimare la concentrazione di etilene, [C 2 =], in 3,0 ml di toluene dal gas assorbimento medio (solubilità) trovando il numero di moli di gas consumato nei reattori che non contengono catalizzatore.
    2. Effettuare un terreno Mayo di 1 / M n (dai dati di peso molecolare ottenuti dal GPC) rispetto [ZNR x] / [C 2 =] (dalla concentrazione di ZNet 2 posto nel reattore). 7, 29
    3. Inserire i dati di una linea lineare basata sull'equazione Mayo. Moltiplicare la pendenza 28, il peso molecolare di etilene, per ottenere il rapporto tra il tasso di trasferimento di catena al tasso di propagazione (k e / k p).
      figure-protocol-2
      MN - peso molecolare medio del polimero da GPC con znet 2
      M N o - piuttosto buono Numeropeso molecolare del polimero da GPC senza znet 2
      k e - Tasso di trasferimento di catena
      k p - Tasso di propagazione
      [ZNR x] - Concentrazione di ZNet 2 nella reazione
      [C 2 =] - Concentrazione dell'etilene nella reazione
      28 - Il peso molecolare di etilene
    4. Moltiplicare k e / k p da p k ottenuto nella sezione precedente per ottenere il tasso di trasferimento di catena e k.

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Risultati

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Il consumo di gas dell'etilene in funzione del tempo è illustrata nella Figura 1 per le diverse pressioni di etilene testati. Questi dati vengono usati per determinare condizioni di reazione ottimizzato. Il consumo di gas etilene in funzione del tempo è presentato in Figura 2A per i campioni solo catalizzatore, che viene utilizzato per calcolare il tasso di propagazione (k p). La figura 2B mostra a permeazione di gel...

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Discussione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Un cationico [α-diimine] metil-sostituito NIBR 2 polimerizzazione dell'etilene catalizzatore attivato con MAO è stata esaminata per la sua competenza per il trasferimento polimerizzazioni a catena etilene. Le reazioni sono state monitorate mediante misurazioni di assorbimento di gas per determinare la velocità ed il grado di polimerizzazione e il catalizzatore vita, e il peso molecolare dei polimeri risultanti sono stati determinati tramite cromatografia a permeazione ...

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Dichiarazioni

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori dichiarano assenza concorrente interesse finanziario.

Ringraziamenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Il sostegno finanziario è stato fornito dalla University of Minnesota (start up fondi) e il Fondo di ricerca del petrolio ACS (54225-DNI3). Gli acquisti di attrezzature per l'impianto Dipartimento di Chimica NMR sono stati sostenuti attraverso una sovvenzione da parte del NIH (S10OD011952) con fondi integrativi presso l'Università del Minnesota. Riconosciamo il Minnesota NMR Center for NMR ad alta temperatura. Il finanziamento per la strumentazione NMR è stato fornito dall'Ufficio del Vice Presidente per la Ricerca, la Facoltà di Medicina, il Collegio di Scienze Biologiche, NIH, NSF, e la Medical Foundation Minnesota. Ringraziamo John Walzer (ExxonMobil) per un regalo di PEEK high-throughput pagaie agitazione.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Endeavor Reattore di PressioneBiotageEDV-1N-L
Giranti a paleBiotage900543
Rivestimenti in vetroBiotage900676
2,3-butandione, 99%Alfa AesarA14217
2,6-dimetilanilina, 99%Sigma AldrichD146005
acido formico, 95%Sigma AldrichF0507
metanolo, 99,8%Sigma Aldrich179337ACS Reagente
nichel (II) bromuro, 99%Strem28-1140anidro,
trietilortoformiato igroscopico, 98%Sigma Aldrich304050essiccato con K2CO3 e distillato
1,2-dimetossietano, 99,5%Sigma Aldrich259527essiccato con Na/Benzofenone e pentano distillato
, 99%FisherP399HPLC Grade *
diclorometano, 99,5%D37ACS Reagent *
toluene, 99,8%FisherT290HPLC Grade *
metilalluminoxanoAlbemarleMAOpiroforico, 30% in toluene
dietilzinco, 95%Strem93-3030piroforico
1,2,4-triclorobenzene, 99%Sigma Aldrich296104
1,1,2,2-tetracloroetano-D2, 99,6%Isotopi CambridgeDLM-35
Fisher

Riferimenti

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