Les polymérisations de l'éthylène en utilisant des réacteurs à pression parallèles et une analyse cinétique de polymérisation de transfert de chaîne

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Un protocole pour l'analyse à haut débit de catalyseur de polymérisation, les polymérisations de transfert de chaîne, le polyéthylène caractérisation et l'analyse cinétique de la réaction est présenté.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Hue, R. J., Tonks, I. A. Ethylene Polymerizations Using Parallel Pressure Reactors and a Kinetic Analysis of Chain Transfer Polymerization. J. Vis. Exp. (105), e53212, doi:10.3791/53212 (2015).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Nous démontrons catalyseur pour un procédé à haut débit de criblage en utilisant un réacteur sous pression en parallèle à partir de la synthèse initiale d'un catalyseur de polymérisation d'éthylène α-diimine nickel. Polymérisations initiales avec la tête de catalyseur à des conditions de réaction optimales, y compris la concentration du catalyseur, la pression d'éthylène et la durée de la réaction. En utilisant les données de gaz-absorption de ces réactions, une procédure pour calculer la vitesse initiale de propagation (k p) est présenté. En utilisant les conditions optimisées, la capacité du catalyseur de polymérisation d'α-diimine nickel de subir transfert de chaîne avec du diéthylzinc (ZNET 2) au cours de la polymérisation d'éthylène a été étudiée. Un procédé pour évaluer l'aptitude du catalyseur à subir transfert de chaîne (poids moléculaire de 13 données et de RMN C), calculer le degré de transfert de chaîne, et le calcul des taux de transfert de chaîne (k e) est présentée.

Introduction

Les polyoléfines sont une classe importante de polymères industriels avec des utilisations dans les thermoplastiques et les élastomères. Des progrès importants dans la conception des catalyseurs à site unique pour la production de polyoléfines ont conduit à la capacité de poids de régler moléculaire, la polydispersité et la microstructure du polymère, ce qui conduit à une large gamme d'applications potentielles. 3.1 Plus récemment, le transfert de chaîne et chaîne polymérisations la navette ont été développées pour donner une voie supplémentaire pour modifier les propriétés du polymère sans avoir à modifier le catalyseur. 6.4 Ce système utilise un catalyseur de métal de transition à site unique et un réactif de transfert de chaîne (CTR), qui est typiquement un alkyle principal groupe de métal. Au cours de cette polymérisation, la chaîne polymère en croissance est capable de transférer du catalyseur à la CTR, où la chaîne polymère reste en sommeil jusqu'à ce qu'il soit transféré vers le catalyseur. Pendant ce temps, le groupe alkyle qui a été transférée au catalyseur peut initier anochaîne polymère Ther. Dans une polymérisation par transfert de chaîne, un catalyseur peut initier un plus grand nombre de chaînes par rapport à une polymérisation catalytique standard. Les chaînes de polymère se terminent par le métal de transfert de chaîne; donc en outre des groupes terminaux fonctionnalisation est possible. Ce système peut être utilisé pour modifier le poids moléculaire et la distribution de poids moléculaire des polyoléfines, 7 pour catalyser la croissance de la chaîne alkyle Aufbau en forme de métaux des groupes principaux, 8 et pour la synthèse de polymères spéciaux comportant des systèmes multicatalyst, tels que les copolymères à blocs. 9, 10

Les polymérisations de transfert de chaîne ont été observés le plus souvent avec des métaux de transition précoce (Hf, Zr) et alkylzinc alkylaluminium ou des réactifs, bien que des exemples existent dans la série de métal de transition. Dans les systèmes typiques 5,7,8,11-16 de catalyseur de métal de transition précoce, de la chaîne transfert est rapide, efficace et réversible conduisant à des distributions étroites des poids moléculaires. Chain transfert / la navette a été observé à la mi et la fin de métaux de transition (par exemple Cr, Fe, Co et Ni) avec le groupe 2 et 12 alkylmétaux, bien que les taux de transfert sont très variables par rapport aux métaux début. 4,7, 17-19 Deux facteurs principaux sont apparemment nécessaire pour le transfert de chaîne efficace: un bon match de liaison métal-carbone énergies de dissociation pour le réactif de catalyseur de polymérisation et le transfert de la chaîne, et d'un environnement stérique approprié pour promouvoir bimoléculaire formation / rupture des intermédiaires bimétalliques alkyle-ponté . 20 Dans le cas des métaux de transition tardifs, si le catalyseur ne contient pas suffisamment d'encombrement stérique, bêta-hydrure (β-H) l'élimination sera la voie de terminaison dominante et la volonté transfert de chaîne généralement hors-concurrence.

Nous rapportons ici sur une étude du transfert bimétallique de la chaîne à partir de nickel au zinc dans un bis (2,6-diméthylphényl) système de catalyseur à base de 2,3-butanediimine-avec diéthylzinc (znet 2) par small échelle réactions à haut débit. Le transfert de chaîne sera identifié par l'examen des changements dans le poids moléculaire (Mw) et l'indice de polydispersité du polyéthylène obtenu par l'analyse par chromatographie par perméation de gel. Le transfert de chaîne est également identifiée par 13 analyse RMN C du rapport de vinyle à bouts de chaînes saturées en fonction de la concentration en agent de transfert de chaîne. Une analyse cinétique en profondeur des taux de propagation et de transfert de chaîne sera également présenté.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Attention: S'il vous plaît consulter toutes les fiches de données de sécurité des matériaux pertinents (FS) avant utilisation. Plusieurs des produits chimiques utilisés dans ces synthèses sont extrêmement toxiques et cancérigènes, tandis que plusieurs sont pyrophore et enflammer à l'air. S'il vous plaît utiliser toutes les pratiques de sécurité appropriées lors de l'exécution de ces réactions, y compris l'utilisation de mesures d'ingénierie (hotte, boîte à gants) et les équipements de protection individuelle (lunettes de sécurité, gants, blouse, pantalon de longueur, fermé orteils chaussures). Parties des procédures suivantes impliquent des techniques de manipulation sans air standard.

1. Préparation de la [bis (2,6-diméthylphényl) -2,3-butanediimine] NiBr 2, 21-25

  1. Préparation de bis (2,6-diméthylphényl) -2,3-butanediimine: (α-diimine)
    1. Dissoudre 2,3-butanedione (1,0 ml, 11 mmol) et de 2,6-diméthylaniline (2,8 ml, 23 mmol) dans 20 ml de methanol dans 100 ml ballon à fond rond.
    2. Ajouter de l'acide formique (0,4 ml, 11 mmol) et agiter la réaction d'unt la température ambiante jusqu'à ce que les précipités diimine (typiquement 1-2 heures, mais peut être laissée pendant la nuit). Si un précipité ne se forme pas, on concentre le mélange réactionnel en utilisant un évaporateur rotatif et refroidir dans un bain de glace.
    3. Filtrer le mélange de réaction en utilisant une fritte de verre et le filtre et on lave le ballon solide jaune avec 20 ml de methanol froid et sec sous vide.
      Remarque: RMN 1 H (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 à 1,99 (m, 19H).
  2. Préparation de la (1,2-diméthoxyéthane) NiBr 2: DME-NiBr2
    1. Sous une atmosphère d'azote, combiner anhydre du bromure de nickel (NiBr 2, 15 g, 0,069 mole), de l'orthoformiate de triéthyle (30 ml, 0,185 mol) et du methanol (100 ml) dans un 2 ballon tricol à fond rond équipé d'un condenseur à reflux et caoutchouc septum sur un tube de Schlenk sous atmosphère d'azote.
    2. Reflux, le mélange réactionnel brun sous une atmosphère d'azote jusqu'à ce qu'unformes de solutions vertes. Cela prend généralement 2-3 heures, mais cette réaction peut être laissé au reflux toute la nuit si nécessaire.
    3. Après avoir laissé le mélange refroidir, on concentre le mélange réactionnel en utilisant la pompe à vide sur le tube de Schlenk pour former un gel vert foncé.
    4. Canule transférer un excès de 1,2-diméthoxyéthane (DME, 100 ml) sur du gel vert, qui forme directement solide orange. Une fois que tout le DME est ajouté, faire chauffer la réaction à 85 ° C pendant encore 2 heures jusqu'à ce que la lumière forme un mélange réactionnel d'orange. Refroidir la réaction à la température ambiante, à quel point une lumière orange précipités solides.
    5. Retirer le condenseur à reflux à partir du ballon de réaction et la remplacer par une fritte de Schlenk relié à un second ballon de Schlenk de réception sous une atmosphère d'azote. Tournez la totalité de l'appareil de 180 ° provoquant le mélange réactionnel orange pour entrer dans la fritte de Schlenk et filtrer le mélange réactionnel.
    6. Retirer le flacon de réaction initial et placer un septum sur le fri Schlenkt. Canule de transfert de DME (100 ml), puis du pentane (100 ml) pour laver le DME-NiBr2. Sécher le solide orange sous vide et apporter dans la boîte à gants.
      Remarque: DME-NiBr2 peut être stocké indéfiniment sous une atmosphère d'azote à température ambiante. Lorsque laissé ouvert à l'atmosphère, il forme un gel hydraté vert.
  3. Préparation de la [bis (2,6-diméthylphényl) -2,3-butanediimine] NiBr2: ([α-diimine] NiBr 2)
    1. Dans la boîte à gants, combiner DME-NiBr2 (1,0 g, 3,2 mmol) et de bis (2,6-diméthylphényl) -2,3-butanediimine (1,1 g, 3,8 mmol) dans 50 ml d'un ballon à fond rond.
    2. Ajouter 20 ml de dichlorométhane et agitation pendant une nuit à température ambiante.
    3. Filtrer le mélange réactionnel avec une fritte de verre et de filtrage ballon. Laver le solide brun avec 75 ml de dichlorométhane et sec sous vide.
      Remarque: Ce catalyseur au nickel peut être stocké indéfiniment dans une boîte à gants sous atmosphère inerte à température ambiante. Il est aldonc insoluble dans la plupart des solvants, des caractérisations tellement standard n'a été effectuée.

2. Préparation de Catalytic Solutions mères

  1. Préparation de [[α-diimine] Ni (CH 3)] + [MAO] - solution stock
    1. Préparer une solution mère de catalyseur 1,0 x 10 -3 M en ajoutant 0,0041 g de [α-diimine] NiBr 2 (8,0 x 10 -6 mol) dans un flacon avec 7,5 ml de toluène.
    2. Pour la suspension de nickel agité, ajouter 0,50 ml de 30% méthylaluminoxane (MAO) dans le toluène et remuez pendant 1 min. La couleur va changer à partir d'une suspension brune à une solution bleu-vert. Cette solution peut être stockée à -30 ° C pendant jusqu'à 6 heures et utilisé dans les polymérisations ultérieures.
      Remarque: Le méthylaluminoxane est pyrophore et fumer dans l'air. Il ne doit être utilisé dans une boîte à gants atmosphère inerte et de soins doivent être prises lors de la suppression des seringues contaminées / Verrerie de la boîte à gants. En règle générale, les seringues une verrerie sont lavé avec du toluène dans la boîte à gants et placé dans une boîte métallique, de séparer Kimwipes ou d'autres substances inflammables. Le toluène est contaminé dans un flacon bouché et retiré de la boîte à gants avec la boîte métallique. Ces éléments sont transférés vers la hotte où ils ouvrent à l'air et autorisés à étancher lentement derrière la vitre de protection.
  2. Préparation de 2 znet solution stock
    1. Préparer une solution 1,2 M en dissolvant 0,25 ml de znet 2 dans 1,75 ml de toluène.
      Remarque: Diethylzinc est pyrophore et enflammer à l'air. Il ne doit être utilisé dans une atmosphère inerte et boîte à gants précautions doivent être prises lors de la suppression des seringues contaminées / Verrerie de la boîte à gants. En règle générale, les seringues et les verres sont lavés avec du toluène dans la boîte à gants et on les place dans une boîte métallique, de séparer Kimwipes ou d'autres substances inflammables. Le toluène est contaminé dans un flacon bouché et retiré de la boîte à gants avec la boîte métallique. These les éléments sont transférés à la hotte où ils ouvrent à l'air et autorisés à étancher lentement derrière la vitre de protection.

3. Polymérisations catalytique utilisant un réacteur sous pression parallèle

  1. Portée de pression
    1. Mettre en place toutes les réactions de polymérisation dans un réacteur de pression parallèle avec agitation en tête logé dans la boîte à gants une atmosphère N 2. Programmer la polymérisation dans le logiciel: indiquer le volume total de réaction (3,0 ml), le gaz de purge (N 2), le gaz souhaité de réaction (éthylène), la pression désirée (15 à 150 psi), et le temps de réaction désiré (1 h ).
      Remarque: Un Biotage Endeavor réacteur sous pression en parallèle avec un autre ordinateur capable de surveiller l'absorption de gaz a été utilisé pour les polymérisations. Toutes les polymérisations ont été effectuées au moins trois fois pour assurer l'exactitude et la reproductibilité. L'utilisation de ce type de réacteur plusieurs variables peut être ajusté dans une seule expérience ou au cours d'exp multipleseriments y compris: les gaz de réaction, la pression, la température, l'heure, le solvant, le volume, le catalyseur ou le réactif de transfert de chaîne. En faisant huit réactions à la fois avec l'absorption de gaz en temps réel, des réactions catalytiques sont testés de manière efficace. Dans ce cas, les flacons de réaction ont un volume maximal de 5 ml, par conséquent, un volume de 3 ml a été choisie pour tenir compte de la formation de polymère. En outre, les concentrations standards, les pressions et les temps étaient basées les conditions de la littérature. 21 Ces polymérisations peuvent tous être effectués dans des réacteurs de pression individuels ou même sur un tube de Schlenk, mais il est plus difficile d'atteindre des pressions plus élevées ou l'absorption de gaz pour les réactions.
    2. Insérez flacons de réaction de revêtement de verre dans les huit puits. Utilisez l'outil de profondeur pour assurer les doublures de verre sont à la hauteur appropriée. Insérez les roues de la lame dans l'assemblage de tête.
    3. Remplir les flacons de réaction selon le tableau 1:
      Réaction navire Pression (psi) Catalyseur Vol. (ml) Znet 2 Vol. (ml) Le toluène 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
      8 150 0,1 0 2.9
      Tableau 1. Les conditions réactionnelles pour les réactions de portée de pression.
    4. Assurez-vous que les joints toriques sont bien en place dans les rainures de métal et de placer soigneusement l'ensemble de agitation en tête sur la base et vissez dans un mode alternatif. Assurez-vous que toutes les vis sont serrés et début presse dans le logiciel. Surveiller la réaction par des mesures d'absorption de gaz.
    5. Après 1 heure de polymérisation, retirer les flacons de réaction à partir de la boîte à gants et précipiter polyéthylène avec l'ajout d'acide chlorhydrique à 5% dans le méthanol, éliminer le solvant et sécher sous vide. Masse du polymère pour obtenir le rendement et la comparer à la consommation d'éthylène pendant la réaction.
    6. Calculer l'activité du catalyseur, qui est la masse de polymère formé par mole de catalyseur, par heure de polymérisation.
    7. Analyser la masse moléculaire et l'indice de la dispersitépolyéthylène séchée en utilisant haute température chromatographie sur gel perméable (GPC). Dissoudre 0,002 g du polymère dans 2 ml de 1,2,4-trichlorobenzène à 135 ° C. Exécuter le GPC selon le protocole du fabricant.
      Remarque: Une haute température 220 GPC système / SEC PL-GPC Agilent a été utilisé à 135 ° C et a été ajustée à l'aide des données des étalons de polystyrène pour analyser le poids moléculaire du polymère.
    8. Analyser le degré de ramification, le type de branche et du type de polyethylene séché à haute température en utilisant RMN 13C groupe terminal. Dissoudre 0,050 à 0,080 g du polymère dans 0,5 ml de tétrachloroéthane-d2 (C 2 D 2 Cl 4) à 130 ° C. Exécutez les échantillons sur une RMN de 600 MHz à 130 ° C pendant au moins 2.000 scans. Attribuer polymère de ramification selon la littérature. 26-28
      Remarque: Un spectromètre 600 MHz Agilent / Varian à 130 ° C a été utilisée pour l'analyse 13 C-RMN.
  2. Transfert de la chaîne de polymérisation
    1. Suivant les mêmes procédures et de l'analyse que la section 3.1, remplissez le réacteur et programmer le logiciel en fonction des paramètres dans le tableau 2:
      Réaction navire Pression (psi) Catalyseur Vol. (ml) Znet 2 Vol. (ml) Le toluène 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
      Tableau 2. Les conditions réactionnelles pour les réactions de polymérisation de transfert de chaîne.
    2. En outre, le calcul des moles de chaînes étendues en raison de la présence de znet 2 et le nombre de chaînes initiées par mole de catalyseur sur la base des équations suivantes. 7
      Equation 1
      (MR) prolongé - moles de chaînes prolongée en raison de la présence de znet 2 (mole)
      Rendement Polymer - Messe de polymère formé (g)
      M n - Nombre averâge poids moléculaire du polymère à partir de CPG (g / mole)
      Porte-initiés - Nombre de chaînes initiées par mole de catalyseur
      Moles catalyseur - moles de catalyseur utilisé dans la polymérisation
    3. Faire un complot des chaînes numériques initiées par rapport à la concentration de znet 2.

4. Kinetic Analyse des Polymérisations: Taux de transfert de chaîne et Propagation

  1. Vitesse de propagation (k p)
    1. Pour chaque course où seulement [α-diimine] NiBr2 est présent, faire une parcelle de la consommation d'éthylène en fonction du temps.
    2. Monter l'absorption initiale de gaz d'éthylène dans la région linéaire pour obtenir le taux initial. Dans le cas de la figure 2a, les traces ont été ajustées de 500 à 2000 sec.
    3. Utilisez la moyenne des pistes pour obtenir la vitesse de propagation (k p) pour le catalyseur particulier à la pression souhaitée.
  2. Taux detransfert de chaîne (k p)
    1. Estimer la concentration de l'éthylène, [C = 2], dans 3,0 ml de toluène à partir de l'absorption de gaz moyenne (solubilité) en trouvant le nombre de moles de gaz consommé dans les réacteurs qui ne contiennent pas de catalyseur.
    2. Ajouter un tracé Mayo de 1 / M n (à partir des données de poids moléculaire obtenues à partir de la GPC) par rapport à [ZnR x] / [C = 2] (à partir de la concentration de ZNET 2 placé dans le réacteur). 7, 29
    3. Monter les données à une ligne linéaire basée sur l'équation Mayo. Multiplier par la pente 28, la masse moléculaire de l'éthylène, pour obtenir le rapport de la vitesse de transfert de chaîne à la vitesse de propagation (k e / k p).
      Équation 3
      MN - Nombre poids moléculaire moyen du polymère à partir de GPC avec deux ZNET
      M N o - moyenne Nombrepoids moléculaire du polymère à partir de GPC sans ZNET 2
      k e - Taux de transfert de chaîne
      k p - Taux de propagation
      [ZnR x] - Concentration de znet 2 dans la réaction
      [2 C =] - concentration de l'éthylène dans la réaction
      28 - Le poids moléculaire de l'éthylène
    4. Multipliez k e / k par k p p obtenu dans la section précédente pour obtenir le taux de transfert de chaîne k e.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

La consommation de l'éthylène gazeux en fonction du temps est présentée à la Figure 1 pour les différentes pressions d'éthylène testés. Ces données sont utilisées pour déterminer les conditions de réaction optimisés. La consommation de gaz d'éthylène par rapport au temps est présentée à la figure 2A pour les échantillons seuls de catalyseur, qui est utilisé pour calculer le taux de propagation (k p). Figure 2B montre chromatographie sur gel (GPC) retrace pour la polymérisation en chaîne de transfert avec 0-1000 équivalents de diéthylzinc. Le CPG est utilisée pour calculer le poids moléculaire (Mn) et la dispersité (Dj) des échantillons de polymère, qui est présentée dans le tableau 1. La figure 3 montre 13 C-RMN des échantillons de polyéthylène, avec 3A montrant les spectres de la série entière et 3B montrant un zoom avant spectre avec les sommets étiquetés. Les données de poids moléculaire est utilisé pour calculer le nombre dechaînes initiées (figure 4A et tableau 1) et l'intrigue Mayo (figure 4B). L'ajustement de la parcelle Mayo est utilisé pour calculer le ratio de la vitesse de transfert de chaîne à la vitesse de propagation (k e / k p), qui est utilisé pour calculer le taux de transfert de chaîne (k e).

Figure 1
Figure 1: la consommation d'éthylène en fonction du temps à des pressions sélectionnées.

Figure 2
Figure 2: (A) la consommation d'éthylène en fonction du temps pour le catalyseur [α-diimine] NiBr2 à 60 psi d'éthylène. La pente de la région linéaire a été utilisée pour calculer k p. (B) des traces de GPC du polymère obtenu à partir catalyseur [α-diimine] NiBr2 activés avec MAOen présence de deux ZNET (0-1,020 éq.) dans du 1,2,4-trichlorobenzène à 135 ° C. Figure Adapté de la référence 20.

Figure 3
Figure 3: (A) 13 C RMN en C 2 D 2 Cl 4 à 130 ° C de polyéthylène à partir de [α-diimine] NiBr2 activé avec du MAO. La concentration de znet 2 augmente de bas en haut. (B) 13 C RMN en C 2 D 2 Cl 4 à 130 ° C de polyéthylène à partir de [α-diimine] NiBr2 activé avec du MAO avec 1,020 éq. Znet 2. Missions de pointe en polyéthylène montrant des groupes terminaux saturés étiquetés S x. 28 Figure Adapté de la référence 20. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure. </ a>

Figure 4
Figure 4: (A) des chaînes de polymère Moyenne initiées par catalyseur de nickel par rapport à la quantité de znet 2 pour [α-diimine] NiBr2 plus de 3 pistes. Les barres d'erreur représentent l'écart type. Parcelle (B) de Mayo du ligand de catalyseur effets stériques sur la polymérisation de l'éthylène avec [α-diimine] NiBr2 et znet 2, et les calculs de k e / k p et k e. Figure Adapté de la référence 20.

Entrée Équiv. Znet 2 un Rendement (g) Activité (g * mol -1 h -1 * x 10 -5) Mn
(x 10
b
© Mol (Zn-R) poste
(10 x 7) c
Chaînes / Ni d
1 0 0,199 19,9 1.52 2.37 - 13.1
2 60 0,18 18 1.31 2.56 13,8 13,8
3 120 0,299 29,9 1.12 2.41 26,7 26,7
4 180 0,216 21,6 0,953 2.46 22,7 22,7
5 300 0,178 17,8 0,689 2.39 25,8 25,8
6 500 0,189 18,9 0,506 2.17 37,2 37,2
7 720 0,179 17,9 0,406 2.08 44,1 44,1
8 1020 0,268 26,8 0,278 2.16 96,4 96,4

Tableau 3:. Les données pour les polymérisations d'éthylène avec le [α-diimine] NiBr2 catalyseur et znet 2 Toutes les valeurs sont la moyenne d'au moins 3 passages. Conditions:.. 1 x 10 -7 moles catalyseur, 500 équivalents de MAO, 60 psi d'éthylène, la température ambiante, 1 h, solvant toluène (3,0 ml) d'un équivalent de znet 2 basé sur la quantité de catalyseur B déterminée par GPC c. Défini comme le nombre de groupes éthyle qui a été étendu avec de l'éthylène, déterminé par GPC. D Le nombre de chaînes initiées par quantité molaire totale de catalyseur de polymérisation.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Un cationique [α-diimine] méthyle substitué NiBr2 Catalyseur de polymérisation d'éthylène activé avec du MAO a été examiné pour sa capacité à chaîne polymérisations d'éthylène de transfert. Les réactions ont été suivies par des mesures d'absorption de gaz pour déterminer la vitesse et le degré de polymérisation et la durée de vie de catalyseur, et le poids moléculaire des polymères résultants ont été déterminées par Chromatographie par permeation de gel (GPC). Au départ, le catalyseur au nickel a été testé sur une plage de pressions d'éthylène (de 15 à 225 psi) pour déterminer les conditions optimales pour ce système en l'absence de ZNET 2. En utilisant une solution de réaction de 3,33 x 10 -5 M de catalyseur (0,1 ml de la solution de catalyseur boursier et 3,0 volume total de réaction), une pression de 60 psi d'éthylène a été trouvé pour produire une combinaison optimale de la durée de vie du catalyseur et de la consommation d'éthylène. Il est important que le catalyseur est actif pour l'ensemble de la polymérisationtout en produisant des quantités importantes de polyethylene pour l'analyse. La figure 1 montre la consommation d'éthylène en fonction du temps à des pressions sélectionnées de 4 15, 30, 60 et 150 psi. A des pressions de 15 à 30 psi, la consommation d'éthylène est linéaire pendant la période de temps testé, indiquant un catalyseur actif, mais de petites quantités de polymère sont produites, ce qui peut compliquer la caractérisation. A 150 psi, la consommation de gaz initiale est linéaire, et une quantité importante de polymère est produit. Cependant, il atteint un point de saturation de 25 min dans la course, indiquant un catalyseur inactif. À 60 psi, la consommation de gaz est linéaire et une quantité importante de polymère est produit permettant isolement et la caractérisation de l'échantillon facile. En utilisant les conditions optimales à 60 psi, de multiples polymérisations ont été tentées pour sonder la reproductibilité du système, en plus de la vitesse initiale de propagation (k p). La figure 2A montre l'absorption d'éthylènepour les quatre courses dans des conditions identiques. De la pente initiale (de 500 à 2000 sec), k p a été calculée à 0,00319 M -1 sec -1.

Chaîne de transfert polymérisations ont été testés en présence de l'excès d'équivalents molaires (de 0 à 1,020 équiv.) De maintien ZNET 2 toutes les autres conditions constantes. Dans les cas où la polymérisation a été couronnée de succès, les systèmes de catalyseurs qui ont subi transfert de chaîne ont été identifiés par une diminution de Mn en tant que la concentration du groupe principal ZNET 2 augmente. La figure 2B montre la GPC retrace le déplacement de plus longs temps de rétention en fonction de l'augmentation [ZNET 2], où les temps de rétention plus longs indiquent un polymère ayant un poids moléculaire plus faible. Le Tableau 3 indique également le Mn du polyéthylène produit indiquant transfert de chaîne réussie de Ni à Zn. L'activité de polymérisation et la dispersité des masses moléculaires ne faisaientt varier systématiquement tous [znet 2] (tableau 3). En outre, la microstructure du polymère déterminée à partir du 13 C RMN dans la figure 3A reste constante sur la gamme extrémités de la chaîne [znet 2]. La figure 3B montre que saturés sont présents (marquée S x) indiquant des chaînes terminées sur le Zn. Extrémités de la chaîne de vinyle (à 111 et 136 ppm) seraient attendus de terminaison de chaîne sur le Ni en raison de β-H élimination, mais ces pics ne sont pas présents dans cet échantillon. 20, 28 Ces données prouve transfert de chaîne réussie de Ni à Zn et réfute concurrence réactions secondaires impliquant le réactif de catalyseur et de transfert de chaîne qui pourrait modifier le polymère résultant. L'analyse de la microstructure du polymère est également important car une modification de la microstructure du polymère pourrait être indicatif d'un changement dans la nature de l'espèce catalytique, ce qui rendrait impossible la comparaison cinétique.

Til quantité de transfert de chaîne peut être quantifiée de deux manières: tout d'abord, que la quantité (mole) de groupes alkyles de métal de groupe principal étendue (équation 1), 7 et d'autre part, en examinant le nombre de chaînes initiées par quantité molaire totale du catalyseur de polymérisation (équation 2). Figure 4A montre un tracé du nombre de chaînes initiées par rapport à la concentration de znet 2. Ces systèmes de catalyseur montre une dépendance linéaire du nombre de chaînes de polymère produites par Ni et le [ZNET 2]. Ce type de tracé peut être utilisé pour comparer le degré de transfert de chaîne à travers différents systèmes de catalyseurs pour déterminer matchs idéales; par exemple des catalyseurs multiples et le même agent de transfert de chaîne ou de plusieurs agents de transfert de chaîne et d'un seul catalyseur.

Mayo analyse du tracé du système catalytique peut révéler les taux relatifs de transfert de chaîne avec Zn (k e) à la propagation (k p) sur la base de l'équation Mayo (de equation 3). Montage figure 4B révèle k e / k = 0,00355 pour les p [α-diimine] NiBr2. Les taux absolus de transfert de chaîne (k e) dans ces systèmes, calculées à partir de k p, en l'absence de ZNET 2, les rendements k e = 1,14 x 10 -5 M -1 s -1 ± 4,42 x 10 -7. L'utilisation de ce type d'analyse cinétique, il est facile de déterminer le fonctionnement du système est affectée par l'addition d'agent de transfert de chaîne, si elle est la vitesse de propagation, transfert de chaîne ou les deux. Cependant, Mayo parcelle analyse cinétique est limitée aux systèmes qui subissent des polymérisations de transfert de chaîne.

Nous avons démontré la capacité d'un catalyseur de polymérisation NiBr2 [α-diimine] pour subir transfert de chaîne avec des alkyles métalliques lors de la polymérisation d'éthylène. Bien que le transfert de la chaîne de Ni à Zn est plus lente que beaucoup syste précédemment rapportéms, à l'aide de criblage à haut débit et l'analyse cinétique simple, il sera possible d'étudier un grand nombre de métaux de transition tardifs, les cadres ligand et combinaisons métalliques dans un court laps de temps. Avec les données obtenues à partir à haut débit polymérisations de transfert de chaîne et la conception du système de catalyseur prudente, il sera possible de régler finement et exploiter transfert de chaîne avec des complexes de métaux de transition tard pour produire de nouveaux polymères, des itinéraires efficaces pour les polymères communs et des copolymères à blocs de spécialité.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Les auteurs déclarent aucun intérêt financier en compétition.

Acknowledgments

Le soutien financier a été fourni par l'Université du Minnesota (fonds de démarrage) et le Fonds pour la recherche de pétrole ACS (54225-DNI3). Les achats d'équipement pour l'installation Département de chimie RMN ont été soutenus par une subvention du NIH (S10OD011952) avec des fonds de l'Université du Minnesota. Nous reconnaissons le Centre RMN Minnesota pour la RMN à haute température. Le financement de l'instrumentation RMN a été fourni par le Bureau du vice-président pour la recherche, la Faculté de médecine, le Collège des sciences biologiques, NIH, NSF, et la Fondation médicale Minnesota. Nous remercions John Walzer (ExxonMobil) pour un cadeau de PEEK à haut débit palettes d'agitation.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Endeavor Pressure Reactor Biotage EDV-1N-L
Blade Impellers Biotage 900543
Glass Liners Biotage 900676
2,3-butanedione, 99% Alfa Aesar A14217
2,6-dimethylaniline, 99% Sigma Aldrich D146005
formic acid, 95% Sigma Aldrich F0507
methanol, 99.8% Sigma Aldrich 179337 ACS Reagent
nickel (II) bromide, 99% Strem 28-1140 anhydrous, hygroscopic
triethylorthoformate, 98% Sigma Aldrich 304050 dried with K2CO3 and distilled
1,2-dimethoxyethane, 99.5% Sigma Aldrich 259527 dried with Na/Benzophenone and distilled
pentane, 99% Fisher P399 HPLC Grade *
dichloromethane, 99.5% Fisher D37 ACS Reagent *
toluene, 99.8% Fisher T290 HPLC Grade *
methylaluminoxane Albemarle MAO pyrophoric, 30% in toluene
diethylzinc, 95% Strem 93-3030 pyrophoric
1,2,4-trichlorobenzene, 99% Sigma Aldrich 296104
1,1,2,2-tetrachloroethane-D2, 99.6% Cambridge Isotopes DLM-35

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gibson, V. C., Spitzmesser, S. K. Advances in Non-Metallocene Olefin Polymerization Catalysis. Chem. Rev. 103, (1), 283-316 (2002).
  2. Coates, G. W. Precise Control of Polyolefin Stereochemistry Using Single-Site Metal Catalysts. Chem. Rev. 100, (4), 1223-1252 (2000).
  3. Resconi, L., Cavallo, L., Fait, A., Piemontesi, F. Selectivity in Propene Polymerization with Metallocene Catalysts. Chem. Rev. 100, (4), 1253-1346 (2000).
  4. Valente, A., Mortreux, A., Visseaux, M., Zinck, P. Coordinative Chain Transfer Polymerization. Chem. Rev. 113, (5), 3836-3857 (2013).
  5. Sita, L. R. Ex Uno Plures ("Out of One, Many"): New Paradigms for Expanding the Range of Polyolefins through Reversible Group Transfers. Angew. Chem., Int. Ed. 48, (14), 2464-2472 (2009).
  6. Kempe, R. How to Polymerize Ethylene in a Highly Controlled Fashion? Chem. Eur. J. 13, (10), 2764-2773 (2007).
  7. van Meurs, M., Britovsek, G. J. P., Gibson, V. C., Cohen, S. A. Polyethylene Chain Growth on Zinc Catalyzed by Olefin Polymerization Catalysts: A Comparative Investigation of Highly Active Catalyst Systems across the Transition Series. J. Am. Chem. Soc. 127, (27), 9913-9923 (2005).
  8. Wei, J., Zhang, W., Sita, L. R. Aufbaureaktion Redux: Scalable Production of Precision Hydrocarbons from AlR3 (R=Et or iBu) by Dialkyl Zinc Mediated Ternary Living Coordinative Chain-Transfer Polymerization. Angew. Chem., Int. Ed. 49, (10), 1768-1772 (2010).
  9. Arriola, D. J., Carnahan, E. M., Hustad, P. D., Kuhlman, R. L., Wenzel, T. T. Catalytic Production of Olefin Block Copolymers via Chain Shuttling Polymerization. Science. 312, (5774), 714-719 (2006).
  10. Mazzolini, J., Espinosa, E., D'Agosto, F., Boisson, C. Catalyzed chain growth (CCG) on a main group metal: an efficient tool to functionalize polyethylene. Polymer Chemistry. 1, (6), 793-800 (2010).
  11. Britovsek, G. J. P., Cohen, S. A., Gibson, V. C., van Meurs, M. Iron Catalyzed Polyethylene Chain Growth on Zinc: A Study of the Factors Delineating Chain Transfer versus Catalyzed Chain Growth in Zinc and Related Metal Alkyl Systems. J. Am. Chem. Soc. 126, (34), 10701-10712 (2004).
  12. Gibson, V. C. Shuttling Polyolefins to a New Materials Dimension. Science. 312, (5774), 703-704 (2006).
  13. Chenal, T., Olonde, X., Pelletier, J. -F., Bujadoux, K., Mortreux, A. Controlled polyethylene chain growth on magnesium catalyzed by lanthanidocene: A living transfer polymerization for the synthesis of higher dialkyl-magnesium. Polymer. 48, (7), 1844-1856 (2007).
  14. Busico, V., Cipullo, R., Chadwick, J. C., Modder, J. F., Sudmeijer, O. Effects of Regiochemical and Stereochemical Errors on the Course of Isotactic Propene Polyinsertion Promoted by Homogeneous Ziegler-Natta Catalysts. Macromolecules. 27, (26), 7538-7543 (1994).
  15. Annunziata, L., Duc, M., Carpentier, J. -F. Chain Growth Polymerization of Isoprene and Stereoselective Isoprene-Styrene Copolymerization Promoted by an ansa-Bis(indenyl)allyl-Yttrium Complex. Macromolecules. 44, (18), 7158-7166 (2011).
  16. Kretschmer, W. P., et al. Reversible Chain Transfer between Organoyttrium Cations and Aluminum: Synthesis of Aluminum-Terminated Polyethylene with Extremely Narrow Molecular-Weight Distribution. Chem. Eur. J. 12, (35), 8969-8978 (2006).
  17. Britovsek, G. J. P., Cohen, S. A., Gibson, V. C., Maddox, P. J., van Meurs, M. Iron-Catalyzed Polyethylene Chain Growth on Zinc: Linear α-Olefins with a Poisson Distribution. Angew. Chem., Int. Ed. 41, (3), 489-491 (2002).
  18. Xiao, A., et al. A Novel Linear-Hyperbranched Multiblock Polyethylene Produced from Ethylene Monomer Alone via Chain Walking and Chain Shuttling Polymerization. Macromolecules. 42, (6), 1834-1837 (2009).
  19. Simon, L. C., Mauler, R. S., De Souza, R. F. Effect of the alkylaluminum cocatalyst on ethylene polymerization by a nickel-diimine complex. J. Polym. Sci. A Polym Chem. 37, (24), 4656-4663 (1999).
  20. Hue, R. J., Cibuzar, M. P., Tonks, I. A. Analysis of Polymeryl Chain Transfer Between Group 10 Metals and Main Group Alkyls during Ethylene Polymerization. ACS Catalysis. 4, (11), 4223-4231 (2014).
  21. Johnson, L. K., Killian, C. M., Brookhart, M. New Pd(II)- and Ni(II)-Based Catalysts for Polymerization of Ethylene and .alpha.-Olefins. J. Am. Chem. Soc. 117, (23), 6414-6415 (1995).
  22. Ittel, S. D., Johnson, L. K., Brookhart, M. Late-Metal Catalysts for Ethylene Homo- and Copolymerization. Chem. Rev. 100, (4), 1169-1204 (2000).
  23. Bautista, R., et al. Synthesis and Diels-Alder Cycloadditions of exo-Imidazolidin-2-one Dienes. J. Org. Chem. 76, (19), 7901-7911 (2011).
  24. Rulke, R. E., et al. NMR study on the coordination behavior of dissymmetric terdentate trinitrogen ligands on methylpalladium(II) compounds. Inorg. Chem. 32, (25), 5769-5778 (1993).
  25. Ward, L. G. L., Pipal, J. R. Anhydrous Nickel (II) Halides and their Tetrakis (Ethanol) and 1,2-Dimethoxyethane Complexes. Inorg. Syntheses. 13, 154-164 (1972).
  26. Galland, G. B., de Souza, R. F., Mauler, R. S., Nunes, F. F. 13C NMR Determination of the Composition of Linear Low-Density Polyethylene Obtained with [η3-Methallyl-nickel-diimine]PF6 Complex. Macromolecules. 32, (5), 1620-1625 (1999).
  27. Cotts, P. M., Guan, Z., McCord, E., McLain, S. Novel Branching Topology in Polyethylenes As Revealed by Light Scattering and 13C NMR. Macromolecules. 33, (19), 6945-6952 (2000).
  28. Wiedemann, T., et al. Monofunctional hyperbranched ethylene oligomers. J. Am. Chem. Soc. 136, (5), 2078-2085 (2014).
  29. Mayo, F. R. Chain Transfer in the Polymerization of Styrene: The Reaction of Solvents with Free Radicals1. J. Am. Chem. Soc. 65, (12), 2324-2329 (1943).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics