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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Olefin-Polymerisations-Katalysatoren. Insbesondere
betrifft die Erfindung ein hoch ertragreiches Verfahren zur Herstellung
von Komplexverbindungen der späten Übergangsmetalle
in einem einzigen Reaktor.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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„Single-Site"-Katalysatoren, die
Metallocene aufweisen, polymerisieren aktiv Olefine, um Polymere
mit wertvollen Eigenschaften wie eine enge Molmassenverteilung und
eine gleichmäßige Comonomerverteilung zu
ergeben. Während
herkömmliche
Metallocene Cyclopentadienyl-(Cp-)Liganden und/oder Cp-artige Liganden
haben (z.B. Indenyl, Fluorenyl), wurden auch eine Vielzahl von Nicht-Metallocen-Single-Site-Katalysatoren entwickelt,
die heteroatomische Ringliganden haben (s. z.B. US-Patente 5,554,775
und 5,539,124).
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Seit
den späten
1990er Jahren sind Olefin-Polymerisations-Katalysatoren, die späte Übergangesmetalle
(insbesondere Eisen, Nickel oder Cobalt) und sperrige α-Diimin-Liganden (im Folgenden
auch als „Bis(imin)liganden" oder „Bis(imine)" bezeichnet) umfassen,
von Wissenschaftlern bei DuPont, der University of North Carolina
in Chapel Hill und BP Chemicals ausführlich untersucht und beschrieben
worden. Einige Beispiele stehen in Chem. & Eng. News, 13. April 1998, S. 11;
Chemtech, Juli 1999, S. 24; Chem. Commun. (1998) 849; J. Am. Chem.
Soc. 120 (1998) 4049; Chem. Rev. 100 (2000) 1169; Internat. PCT-Veröffentlichung WO
99/12981 und den US-Patenten 5,866,663 und 5,955,555. Ähnliche
Komplexverbindungen sind schon viel länger bekannt (s. z.B. J. Chem.
Soc., Teil A (1968) 1510), aber Olefinpolymerisationen mit den Komplexverbindungen
sind ein neues Phänomen.
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Katalysatoren
aus späten Übergangsmetallen
sind von Interesse, weil sie hoch aktiv sein können und weil sie im Gegensatz
zu herkömmlichen
frühen
metallbasierten Übergangs-Metallocenen
polare Comonomere tolerieren und umfassen können. Die am umfassendsten
untersuchten Katalysatoren aus späten Übergangsmetallen umfassen Bis(imin)liganden,
die durch Reaktion von 2,6-Diacylpyridinen und Anilinen hergestellt
werden. Der Ligand wird anschließend in einem separaten Reaktionsschritt
mit einer geeigneten Übergangsmetallquelle
kombiniert, um die gewünschte
Komplexverbindung zu ergeben. Die Zwei-Schritt-Herstellung einer
dreizähnigen
Komplexverbindung aus 2,6-Diacetylpyridin, 2,4,6-Trimethylanilin
und FeCl2 ist typischerweise:
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Die
zwei Reaktionsschritte werden normalerweise getrennt ausgeführt. Das
Bis(imin) wird in einem Kolben präpariert und wird isoliert.
Anschließend
wird das Bis(imin) in einem anderen Reaktionsgefäß mit der Übergangsmetallquelle kombiniert,
um die gewünschte
Komplexverbindung zu ergeben. Typische Präparate sind in dem US-Patent
5,955,555 (Beispiel 1 und 11) sowie in der internationalen PCT-Anmeldung
WO 99/12981 (Beispiele 4.1, 4.2, 9.1 und 9.2) zu finden.
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Ein
Nachteil der gegenwärtigen
Verfahren zum Herstellen dieser Komplexverbindungen liegt darin, dass
der Gesamtertrag des Zwei-Schritt-Verfahrens oft weniger als 50%
beträgt.
S. z.B. WO 99/12981, Beispiele 9.1 und 9.2, wo der Gesamtertrag
aus den zwei Schritten 60% × 64%
= 38,4% beträgt.
Unsere eigenen Vergleiche unter Verwendung der veröffentlichten
Zwei-Schritt-Verfahren (s. Vergleichsbeispiele 7 und 9 unten) ergaben
Resultate, die mit den veröffentlichten
Erträgen übereinstimmten,
und die Ergebnisse änderten sich
nicht wesentlich, wenn das Reaktions-Lösungsmittel, der Katalysator
oder die Reaktionsbedingungen (Temperatur, Zeit) geändert wurden.
Z.B. erzielten wir einen Ertrag von ca. 40%, wenn entweder das Zwei-Schritt-Zwei-Reaktor-Verfahren
des Patents '555
(Imin-Präparation
in Methanol unter Verwendung katalytischer Ameisensäure, Komplexverbindung-Präparation
in THF, beides bei Zimmertemperatur) oder das Zwei-Schritt-Zwei-Reaktor-Verfahren
der WO 99/12981 verwendet wurde (Essigsäure, refluxierendes Ethanol für die Iminpräparation;
die Komplexverbindung wird in refluxierendem 1-Butanol hergestellt).
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Die
WO-0100686 und das US-Patent 6,414,098 lehren ein Vielschritt-Verfahren
zur Herstellung von Eisen(II)- und Cobalt(II)-Komplexverbindungen
unter Verwendung von Nickel(II) als Template für den Aufbau des mehrzähnigen Liganden.
Sobald der Ligand zusammengesetzt ist, wird Ni durch Behandlung
mit Cyanid entfernt, gefolgt von der Einführung von Fe(II) oder Co(II).
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Angesichts
der steigenden Bedeutung von hoch aktiven Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindungen
für Polyolefm-Hersteller
ist es von entscheidender Bedeutung, Wege zu finden, diese mit hohen
Erträgen
herzustellen (z.B. größer als
90%).
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist ein Ein-Reaktor-Verfahren zur Herstellung von späten Übergangs-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindungen
für eine
Anwendung bei der Katalysierung von Olefinpolymerisationen.
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Gemäß einem
Aspekt ist die Erfindung ein Ein-Reaktor-Verfahren zur Herstellung
der Komplexverbindungen in einem einzigen Reaktionsschritt. Bei
diesem Verfahren werden ein 2,6-Diacylpyridin, ein Anilin und eine
Gruppe VIII-Metallverbindung, die aus der Gruppe ausgewählt wird,
die aus Eisen(II)- und Cobalt(II)-Verbindungen besteht, kombiniert
und in einem einzigen Reaktionsschritt in einem Reaktor reagiert,
der mit einem Innenfilter ausgestattet ist, um eine Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindung
zu ergeben. Die Komplexverbindung wird vorzugsweise in demselben
Gefäß gewaschen,
und das Waschlösungsmittel
wird durch den Innenfilter entfernt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Ein-Reaktor-Verfahren verwendet,
um die Komplexverbindungen in zwei Reaktionsschritten herzustellen.
Bei diesem Verfahren wird zunächst
der Bis(imin)ligand präpariert.
Der Ligand wird anschließend
in demselben Reaktor mit einer Gruppe VIII-Übergangsmetallverbindung reagiert,
die aus der Gruppe ausgewählt
wird, die aus Eisen(II)- und Cobalt(II)-Verbindungen besteht, um
die gewünschte
Komplexverbindung zu ergeben, die vorzugsweise in demselben Gefäß gewaschen wird.
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Ich
habe überraschenderweise
festgestellt, dass die Verwendung eines einzigen Reaktors zur Herstellung
von Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindungen und die Verwendung
eines Filters innerhalb des Reaktors zum Waschen der Liganden und/oder
Komplexverbindungen den Ertrag der Komplexverbindung stark erhöht, verglichen
mit dem herkömmlichen
Zwei-Reaktor-Zwei-Schritt-Ansatz, bei dem Ligand und Komplexverbindung
außerhalb
des Reaktors gereinigt werden. Die Katalysatoraktivität bleibt
hoch. Außerdem
können
aktive Komplexverbindungen sogar mit einem einzigen Reaktionsschritt
hoch ertragreich gemacht werden, wenn die Komplexverbindung nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
in demselben Reaktor präpariert und
gereinigt wird. Das Verfahren ermöglicht die effiziente Präparation
von außergewöhnlich hohen
Erträgen (> 90%) von wünschenswerten
Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindungen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt Ein-Reaktor-Verfahren zur Herstellung von späten Übergangsmetall-Komplexverbindungen
zur Verfügung.
Bei einem dieser Verfahren wird die Komplexverbindung in einem einzigen
Reaktionsschritt hergestellt. Im Folgenden wird dieses Verfahren
manchmal das „Ein-Reaktor-Ein-Reaktionsschritt-Verfahren" genannt. Verfahren
nach dem Stand der Technik sind dagegen normalerweise „Zwei-Reaktor- Zwei-Reaktionsschritte"-Verfahren. Bei den
erfindungegmäßen Ein-Reaktor-Verfahren werden
der Bis(imin)ligand, die Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindung
oder beide in demselben Reaktionsgefäß in entweder einem oder zwei
Reaktionsschritten hergestellt. Dies ist auch als „Ein-Topf"-Verfahren bekannt.
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Bei
jedem erfindungsgemäßen Verfahren
reagiert ein 2,6-Diacylpyridin mit einem Anilin und einer Gruppe
VIII-Metallverbindung, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Eisen(II)-
und Cobalt(II)-Verbindungen besteht, um eine Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindung
zu ergeben. Bei dem „Ein-Reaktor-Ein-Reaktionsschritt"-Verfahren wird die
Komplexverbindung in einem einzigen Schritt erzeugt, und es wird kein
Versuch unternommen, einen Bis(imin)liganden zu präparieren
oder zu isolieren. Bei dem „Ein-Reaktor-Zwei-Reaktionsschritte"-Verfahren wird ein
Bis(imin)ligand präpariert,
indem zunächst
das Anilin und das 2,6-Diacylpyridin ohne Vorhandensein der Gruppe
VIII-Metallverbindung reagiert werden. Nachdem das Bis(imin) präpariert
(und üblicherweise
gereinigt) wurde, wird die Gruppe VIII-Metallverbindung eingeführt, und die
gewünschte
Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindung
wird erzeugt.
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Geeignete
2,6-Diacylpyridine sind bekannt. Der Pyridinring kann unsubstituiert
oder mit Hydrocarbyl-, Halogen-, Alkoxy-, Aryloxy- oder anderen
Funktionsgruppen substituiert sein, die nicht mit Iminpräparation, Gruppe
VIII-Metall-Komplexverbindungsbildung
oder Olefin-Polymerisationsreaktionen interferieren. Die Carbonylgruppen,
die an den 2- und 6-Positionen des Pyridinrings angelagert sind,
sind auch an einer Gruppe von Hydrogen, Hydrocarbyl oder substituiertem
Hydrocarbyl (z.B. Haloalkyl oder Alkoxyalkyl) angelagert. Bevorzugte
2,6-Diacylpyridine sind 2,6-Diacetylpyridin und substituierte 2,6-Diacetylpyridine.
Weitere Beispiele geeigneter 2,6-Diacylpyridine sind in dem US-Patent
5,955,555 genannt.
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Geeignete
Aniline sind ebenfalls bekannt. Sie haben die generelle Struktur
Ar-NH2, wobei Ar eine Gruppe von Aryl oder
substituiertem Aryl ist. Wie bei den Pyridinen kann das Anilin mit
Hydrocarbyl-, Halogen-, Alkoxy-, Aryloxy- oder anderen Funktionsgruppen
substituiert werden, die nicht mit Iminpräparation, Gruppe VIII-Metall-Komplexverbindungsbildung
oder Olefin-Polymerisationsreaktionen interferieren. A nilin und
alkylsubstituierte Aniline wie 2,4,6-Trimethylanilin und 2,6-Diethylanilin
sind bevorzugt.
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Die
Gruppe VIII-Metallverbindung ist aus Eisen(II) und Cobalt(II) ausgewählt. Geeignete
Gruppe VIII-Metallverbindungen umfassen auch anionische organische
oder anorganische Gruppen wie Halogenide, Acetate, Acetylacetonate,
Amide, Thiocyanate, Phosphine etc. Spezifische Beispiele für geeignete
Gruppe VIII-Metallverbindungen: Cobalt(II)-Acetat, Cobalt(II)-Acetylacetonat,
Cobalt(II)-Bromid, Eisen(II)-Bromid, Eisen(II)-Chlorid. Halogenide
wie Cobalt(II)-Chlorid und Eisen(II)-Chlorid sind besonders bevorzugt.
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Das
Reaktionsprodukt ist eine Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindung.
Der Bis(imin)-Anteil lagert sich koordinativ an dem Metall als neutraler,
dreizähniger
Ligand an. Daher ist die Valenz des Metalls in der Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindung
die gleiche wie in der entsprechenden Gruppe VIII-Metallverbindung,
d.h. 2. Die anionischen Liganden, aus denen die Gruppe VIII-Metallverbindung
bestand, bleiben ein Teil der Bis(imin)-Komplexverbindung. Gruppe
VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindungen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
präpariert
wurden, sind bereits bekannt. Zahlreiche Beispiele sind in dem US-Patent
5,955,555 genannt.
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Bevorzugte
Komplexe haben die Formel:
wobei M Co oder Fe ist, X
Cl oder Br ist, jedes R unabhängig
H oder C
1-C
10-Hydrocarbyl ist und
Ar Aryl oder substituiertes Aryl ist. Geeignete, durch das erfindungsgemäße Verfahren
hergestellte Komplexverbindungen umfassen beispielsweise [2,6-Diacetylpyridinbis(phenylimin)]cobalt(II)-Dichlorid,
[2,6- Diacetylpyridinbis(2,4,6-Trimethylphenylimin)]cobalt(II)-Dichlorid,
[2,6-Diacetyl-4-Chloropyridinbis(2,6-Diisopropylphenylimin)]cobalt(II)-Dichlorid
usw.
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Bei
den erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein Reaktor verwendet, der mit einem Innenfilter ausgestattet
ist. Der Filter ist eine beliebige Einrichtung, die in der Lage
ist, Zweiphasen-Reaktionsmischungen (flüssig-fest) zu trennen, vorausgesetzt,
dass die Trennung innerhalb des Reaktors vollzogen werden kann,
und die feste Phase in dem Reaktor lässt. Vorzugsweise ist der Filter
tiefenflexibel, d.h. seine Tiefe kann leicht über oder unter die Oberfläche der
flüssigen
Phase in dem Reaktor erstreckt werden. Während jede geeignete Filtervorrichtung
verwendet werden kann, ist Fritteglas besonders zweckmäßig. Polymermembranen
sind ebenfalls geeignet.
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In
einem kleinen Kolbenreaktor mit rundem Boden kann die Trennung vollzogen
werden, indem einfach der Kolben umgedreht wird und die flüssige Phase
der Reaktionsmischung durch einen Fritteglasfilter gegossen wird,
der in einen Seitenarm des Reaktos eingebaut ist. Bei einem bevorzugten
Ansatz, der unten in den Beispielen 1–6 und 8 beschrieben ist, ist
der Filter am Ende einer Glasröhre
befestigt. Der Filter wird über der
Oberfläche
der Flüssigkeit
gehalten, während
die Komplexverbindung oder der Ligand mit Waschlösungsmittel gerührt wird,
und wird unter den Flüssigkeitsspiegel
eingetaucht, um das Lösungsmittel
unter verringertem Druck zu entfernen. Bei größeren Glas- oder Metallreaktoren
wird die Flüssigkeit
oft zweckmäßigerweise entfernt,
indem Druck auf den Reaktorinhalt ausgeübt wird und die Flüssigkeit
durch einen Filter abgelassen wird, der in den Reaktor eingebaut
oder am Boden des Reaktors befestigt ist. Viele Konstruktionen für die Durchführung dieser
Filtration werden dem Fachmann unmittelbar einfallen.
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Wie
bereits erwähnt
wird bei dem „Ein-Reaktionsschritt"-Verfahren die Komplexverbindung
erzeugt, indem das Anilin, das Diacylpyridin und die Gruppe VIII-Metallverbindung
in einem einzigen Schritt reagiert werden, und es wird kein Versuch
unternommen, einen Bis(imin)liganden zu präparieren oder zu isolieren.
Vorzugsweise wird dieses Verfahren bei Vorhandensein eines Reaktions-Lösungsmittels
durchgeführt.
Geeignete Reaktions-Lösungsmittel
sind diejenigen, die in der Lage sind, wenigstens das Anilin und
das Diacylpyridin aufzulösen.
Die Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindung
ist üblicherweise
ebenfalls gut in dem Reaktions- Lösungsmittel
löslich.
Bevorzugte Reaktions-Lösungsmittel
sind relativ polare organische Verbindungen wie Alkohole, Ester,
Ether, Amide und Ketone. Spezifische Beispiele umfassen Methanol,
Ethanol, 1-Butanol, Ethylacetat, Butylacetat, Ethylpropionat, Diethylether,
N-Methylpyrrolidon, N,N-Dimethylformamid, Aceton, Methylethylketon
usw.
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Während das
Verfahren bei einer beliebigen gewünschten Reaktionstemperatur
durchgeführt
wird, ist es besonders zweckmäßig, es
entweder bei Zimmertemperatur oder bei der Refluxtemperatur des
Reaktions-Lösungsmittels
durchzuführen.
Ein Refluxieren kann verwendet werden, um die Geschwindigkeit der
Reaktion zu erhöhen,
aber bessere Erträge
werden manchmal erzielt, wenn Zimmertemperatur und eine etwas längere Reaktionszeit
gewählt
werden.
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Nach
Herstellung der Bis(imin)komplexverbindung wird das Reaktions-Lösungsmittel, falls vorhanden, durch
ein beliebiges geeigetes Mittel aus dem Reaktor entfernt, darunter
Strippen, Filtration usw., oder eine beliebige Kombination von Techniken.
Um die Verluste der Bis(imin)komplexverbindung zu minimieren, wird die
Reaktionsmischung jedoch vorzugsweise vor jedem Filtrationsvorgang
durch Strippen konzentriert. Eine beliebige Kombination von Erhitzen,
Vakuumstrippen und Inertgasspülung
wird verwendet, um die Reaktionsmischung zu konzentrieren.
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Vorzugsweise
wird die konzentrierte Bis(imin)komplexverbindung anschließend innerhalb
des Reaktors unter Verwendung eines Waschlösungsmittels gewaschen. Geeignete
Waschlösungsmittel
sind organische Verbindungen, in denen die Bis(imin)komplexverbindung
eine relativ geringe Löslichkeit
hat, insbesondere wenn das Waschlösungsmittel kalt ist. Beispiele
umfassen Alkohole, Ether, Ester und aliphatische Kohlenwasserstoffe.
Besondere Beispiele umfassen Ethanol, Methanol, Diethylether, Pentane,
Hexane usw. Nachdem das Waschlösungsmittel
hinzugefügt
wurde, werden die Komplexverbindung und das Waschlösungsmittel
gut gemischt, und das Waschlösungsmittel
(mit den Verunreinigungen) wird durch den Innenfilter entfernt. Wie
oben erwähnt
kann das Waschlösungsmittel
zweckmäßigerweise
entfernt werden, indem eine Filtenöhre unter die Oberfläche der
Flüssigkeit
eingetaucht wird und ein Vakuum aufgebracht wird, um das Lösungsmittel durch
die Filtenöhre
aus dem Reak tor abzulassen. Während
dieses Vorgangs bleibt die Komplexverbindung unter Inertatmosphäre in dem
Reaktor.
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Schließlich wird
nach der Entfernung von eventuell vorhandenem Reaktions-Lösungsmittel oder Waschlösungsmittel
die Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindung
getrocknet. Das Trocknen wird durch bekannte Verfahren durchgeführt, einschließlich Inertgasspülung, Vakuumtrocknung,
leichtes Erwärmen usw.
oder Kombinationen hiervon. Die resultierende trockene Bis(imin)komplexverbindung
wird gelagert oder unmittelbar zur Olefinpolymerisierung verwendet.
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Wie
oben erwähnt
umfasst die Erfindung ein „Ein-Reaktor-Zwei-Reaktionsschritte"-Verfahren zur Herstellung von Gruppe
VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindungen. Bei diesem Verfahren
wird zunächst
ein Bis(imin)ligand präpariert,
indem das Anilin und das 2,6-Diacylpyridin ohne Vorhandensein der
Gruppe VIII-Metallverbindung reagiert werden. Nachdem der Bis(imin)ligand
präpariert
(und üblicherweise
gereinigt) wurde, wird die Gruppe VIII-Metallverbindung eingeführt, und
die gewünschte
Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)komplexverbindung wird erzeugt.
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Der
Bis(imin)ligand hat eine bekannte Struktur, die aus der Kondensierung
von zwei Anilinmolekülen und
einem Diacylpyridinmolekül
resultiert. Beispiele sind in dem US-Patent 5,955,555 genannt (s.
insbesondere Spalte 4). Bevorzugte Bis(imin)liganden haben die Struktur:
wobei jedes R unabhängig H oder
C
1-C
10-Hydrocarbyl
ist und Ar Aryl oder substituiertes Aryl ist.
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Das „Ein-Reaktor-Zwei-Reaktionsschritte"-Verfahren umfasst
die folgenden Schritte:
- a) in einem ersten
Reaktionsschritt werden ein 2,6-Diacylpyridin und ein Anilin in
einem Reaktor reagiert, der mit einem Innenfilter ausgestattet ist,
fakultativ bei Vorhandensein eines ersten Reaktions-Lösungsmittels,
um einen Bis(imin)liganden herzustellen;
- b) eventuell vorhandenes erstes Reaktions-Lösungsmittel wird aus dem Reaktor
entfernt;
- c) fakultativ wird der Ligand getrocknet;
- d) in einem zweiten Reaktionsschritt in demselben Reaktor wird
der Ligand mit einer Gruppe VIII-Metallverbindung reagiert, fakultativ
bei Vorhandensein eines zweiten Reaktions-Lösungsmittels, um eine Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindung
herzustellen;
- e) eventuell vorhandenes zweites Reaktions-Lösungsmittel wird aus dem Reaktor
entfernt, und
- f) die Komplexverbindung wird getrocknet.
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Jeder
der Schritte a)–f)
wird in dem Reaktor unter einer Inertatmosphäre durchgeführt.
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Geeignete
2,6-Diacylpyridine, Aniline und Gruppe VIII-Metallverbindungen zur
Verwendung bei dem Zwei-Reaktionsschritte-Verfahren wurden bereits
oben beschrieben. Zusätzlich
sind das fakultative erste und zweite Reaktions-Lösungsmittel,
die bei dem Zwei-Reaktionschritte-Verfahren verwendet werden und
die gleich oder unterschiedlich sein können, identisch mit den fakultativen
Reaktions-Lösungsmitteln,
die bei dem Ein-Reaktionsschritt-Verfahren verwendet werden. Das
Entfernen des Reaktions-Lösungsmittels
und das Trocknen des Liganden oder der Komplexverbindung werden
auf die oben für
das Ein-Reaktionsschritt-Verfahren beschriebene Art erreicht.
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Vorzugsweise
werden der Bis(imin)ligand, die Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindung
oder beide unmittelbar nach dem Entfernen von eventuell vorhandenem
Reaktions-Lösungsmittel
gewaschen (d.h. unmittelbar nach Schritt b) und e) oben). Die Waschschritte
werden innerhalb des Reaktors unter Inertatmosphäre durchgeführt, und das Waschlösungsmittel
wird durch den Innenfilter wie oben beschrieben entfernt.
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Ich
habe überraschenderweise
festgestellt, dass die Erträge
von Komplexverbindungen, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Ein-Reaktor-Verfahren
erzielt wurden, viel höher
sind als die Erträge,
die bei dem üblicherweise
verwendeten Zwei-Reaktor-Verfahren
erzielt werden (s. Tabelle 1 unten). Interessanterweise ist der
Ertragsvorteil unabhängig
davon vorhanden, ob die Komplexverbindung in zwei Reaktionsschritten (s.
Beispiele 5, 6 und 8) oder in einem einzigen Reaktionsschritt (Beispiele
1–4) hergestellt
wird. Vorzugsweise ist der Ertrag der Gruppe VIII-Metall-Bis(imin)-Komplexverbindung
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
größer als
80%, und noch bevorzugter größer als
90%. Im Gegensatz dazu liefert das Zwei-Reaktor-Verfahren üblicherweise Erträge von 50%
oder weniger (s. Vergleichsbeispiele 7 und 9).
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Durch
die erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Komplexverbindungen werden fakultativ mit einem Aktivator
kombiniert, um ein Katalysatorsystem zu liefern, das für die Olefinpolymerisierung
geeignet ist. Geeignete Aktivatoren helfen, die organometallische
Komplexverbindung zu ionisieren und den Katalysator zu aktivieren.
Geeignete Aktivatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispiele
umfassen Alumoxane (Methylalumoxan (MAO), PMAO, Ethylalumoxan, Diisobutylalumoxan),
Alkylaluminiumverbindungen (Triethylaluminium, Diethylaluminiumchlorid,
Trimethylaluminium, Triisobutylaluminium) usw. Geeignete Aktivatoren umfassen
saure Salze, die nicht nukleophile Anionen enthalten. Diese Verbindungen
bestehen allgemein aus sperrigen Liganden, die an Bor oder Aluminium
anlagern. Beispiele umfassen Lithiumtetrakis(pentafluorophenyl)borat,
Lithiumtetrakis(pentafluorophenyl)aluminat, Anilintetrakis(pentafluorophenyl)borat
usw. Geeignete Aktivatoren umfassen auch Organoborane, die Bor und
eine oder mehrere Alkyl-, Aryl- oder Aralkylgruppen umfassen. Geeignete
Aktivatoren umfassen substituierte und unsubstituierte Trialkyl-
und Triarylborane wie Tris(pentafluorophenyl)boran, Triphenylboran,
Tri-n-Oktylboran usw. Diese und andere geeignete borhaltige Aktivatoren
sind in den US-Patenten 5,153,157, 5,198,401 und 5,241,025 beschrieben.
Geeignete Aktivatoren umfassen auch Aluminoboronate – Reaktionsprodukte
von Alkylaluminiumverbindungen und bororganischen Säuren – wie in
den US-Patenten 5,414,180 und 5,648,440 beschrieben.
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Die
Katalysatorsysteme werden fakultativ mit einem anorganischen Feststoff-
oder einem organischen Polymerträger
verwendet. Geeignete Träger
umfassen Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid-Aluminiumoxide,
Magnesia, Titanerde, Tone, Zeolite usw. Der Träger wird vorzugsweise auf thermische,
chemische oder beide Arten behandelt, bevor er verwendet wird, um
die Konzentration von Oberflächen-Hydroxylgruppen zu
reduzieren. Die Wärmebehandlung
besteht aus Erhitzen (oder „Kalzinieren") des Trägers in
einer trockenen Atmosphäre
bei erhöhter
Temperatur, vorzugsweise höher
als ungefähr
100°C, und
noch bevorzugter von ungefähr
150°C bis
ungefähr
600°C, vor
der Verwendung. Eine Vielzahl verschiedener chemischer Behandlungen
kann verwendet werden, darunter eine Reaktion mit aluminiumorganischen,
magnesiumorganischen, siliciumorganischen oder bororganischen Verbindungen.
S. z.B. die in US-Patent 6,211,311 beschriebenen Techniken.
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Die
Katalysatorsysteme sind für
die Olefinpolymerisierung geeignet. Bevorzugte Olefine sind Ethylen und
C3-C20-α-Olefine
wie Propylen, 1-Buten, 1-Hexen, 1-Okten usw. Mischungen von Olefinen
können
verwendet werden. Ethylen und Mischungen von Ethylen mit C3-C10-α-Olefinen
sind besonders bevorzugt.
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Viele
Arten von Olefinpolymerisierungsprozessen können verwendet werden. Vorzugsweise
werden diese Prozesse in der flüssigen
Phase durchgeführt,
die Trübe,
Lösung,
Suspension oder Massenprozesse oder eine Kombination aus diesen
umfassen kann. Hochdruck-Fluidphasen- oder -gasphasentechniken können ebenfalls
verwendet werden. Erfindungsgemäß hergestellte
Katalysatoren sind besonders wertvoll bei der Verwendung in Lösungs- und
Trübeprozessen.
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Die
Olefinpolymerisationen können
in einem breiten Temperaturbereich durchgeführt werden, z.B. ungefähr –30°C bis ungefähr 280°C. Ein bevorzugterer
Bereich liegt zwischen ungefähr
30°C und
ungefähr 180°C; am meisten
bevorzugt ist der Bereich von ungefähr 60°C bis ungefähr 100°C. Olefin-Partialdrücke reichen
normalerweise von ungefähr
15 psig bis ungefähr
50.000 psig. Bevorzugter ist der Bereich von ungefähr 15 psig
bis ungefähr
1.000 psig.
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Die
folgenden Beispiele dienen nur der Illustration der Erfindung.
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BEISPIEL 1
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Präparation einer Eisen(II)-Bis(imin)-Komplexverbindung:
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„Ein-Reaktor-Ein-Reaktionsschritt"-Verfahren
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Ein
100 ml-Rundbodenkolben, der mit einem Stickstoffeinlass und einem
Fritteglas-Innenfilter
ausgestattet ist, wird mit 2,6-Diacetylpyridin (2,00 g, 12,2 mmol)
und Ethylacetat (50 ml) beschickt. (Der Fritteglasfilter ist am
Ende einer Glasröhre
angebracht, die durch ein Gummiseptum in den Reaktor eingesetzt
ist. Der Filter kann ohne Weiteres über die Oberfläche der
Flüssigkeiten
in dem Reaktor angehoben oder unter sie abgesenkt werden.) 2,4,6-Trimethylanilin
(3,52 g, 26,0 mmol, 2,13 eq.) wird zu der gerührten Lösung hinzugefügt. Die
Farbe wechselt innerhalb von 10 Minuten von weiß zu rot.
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Eisen(II)chlorid
(1,55 g, 12,2 mmol) wird in den Kolben hinzugefügt, und die Mischung wird unter
Stickstoff bei Zimmertemperatur gerührt. Die Mischung wird innerhalb
der ersten Stunde blau. Das Rühren
bei Zimmertemperatur wird insgesamt 42 h lang fortgesetzt. Die Reaktionsmischung
wird konzentriert, indem Lösungsmittel
unter reduziertem Druck ausgestrippt werden. Kaltes Diethylether
(30 ml) wird dem Rückstand
zugefügt,
und die Mischung wird gerührt,
um den Rückstand
zu waschen. Der Glasfilter wird in die flüssige Phase eingetaucht, die
anschließend
bei reduziertem Druck durch den Innenfilter entfernt wird. Die Feststoffe
werden unter Vakuum 1 h lang getrocknet.
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Die
resultierende Komplexverbindung, ein blaues Pulver (5,96 g, 93,1%)
wird gesammelt und unter Stickstoff gelagert. 1H
NMR (δ1 CD2Cl2):
80,2 (2H, Py-Hm), 6,8 (1H, Py-Hp),
21,9 (6H, p-CH3), 15,3 (4H, Ar-Hm), 12,1 (12H, o-CH3), –22,1 (6H,
CH3-C=N.
FAB-Massenspektrum: m/z 523 [M+], 488 [M-Cl], 453 [M-2Cl].
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BEISPIEL 2
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Der
Vorgang aus Beispiel 1 wird ausgeführt, mit dem Unterschied, dass
60 ml Ethylacetat an Stelle von 50 ml verwendet werden, und die
Mischung wird bis zum Reflux (77°C)
erhitzt, nachdem das Eisen(II)chlorid zugefügt wurde. Der Reflux wird 10
h lang fortgesetzt. Die Mischung wird anschließend bei Zimmertemperatur 32
h lang gerührt.
Die Komplexverbindung wird wie oben beschrieben gewaschen und isoliert.
Die Komplexverbindung ergibt zufriedenstellende 1H
NMR- und Massenspektren. Ertrag: 5,84 g (91,3%).
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BEISPIEL 3
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Der
Vorgang aus Beispiel 1 wird ausgeführt, mit dem Unterschied, dass
Ethanol an Stelle von Ethylacetat als Reaktions-Lösungsmittel
verwendet wird. Zusätzlich
wird die Mischung insgesamt 120 h bei Zimmertemperatur gerührt, nachdem
das FeCl2 zugefügt wurde. Die Komplexverbindung
ergibt zufriedenstellende 1H NMR- und Massenspektren.
Ertrag: 5,80 g (90,6%).
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BEISPIEL 4
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Der
Vorgang aus Beispiel 2 wird ausgeführt, mit dem Unterschied, dass
Ethanol an Stelle von Ethylacetat als Reaktions-Lösungsmittel
verwendet wird. Zusätzlich
wird der Refluxschritt (bei 78°C)
24 h fortgesetzt, gefolgt von Rühren
bei Zimmertemperatur 120 h lang. Die Komplexverbindung ergibt zufriedenstellende 1H NMR- und Massenspektren. Ertrag: 5,77
g (90,2%).
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BEISPIEL 5
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Präparation einer Eisen(II)-Bis(imin)-Komplexverbindung:
-
„Ein-Reaktor-Zwei-Reaktionsschritte"-Verfahren
-
Ein
100 ml-Rundbodenkolben, der mit einem Stickstoffeinlass und einem
Fritteglas-Innenfilter
ausgestattet ist, wird mit 2,6-Diacetylpyridin (2,00 g, 12,2 mmol)
und Ethylacetat (30 ml) beschickt. 2,4,6-Trimethylanilin (3,52 g,
26,0 mmol, 2,13 eq.) und Ameisensäure (4 Tropfen) werden hinzugefügt. Die
Lösung
wird bei Zimmertempera tur unter Stickstoff 1 h gerührt und
wird anschließend
24 h bis zum Reflux erhitzt. Das Reaktions-Lösungsmittel wird gestrippt
und die Feststoffe werden unter Vakuum in dem Reaktorkolben 2 h
getrocknet. Eine Probe der Bis(imin)verbindung wird für eine NMR-Analyse
abgezogen (1H NMR, CDCl3, δ: 2,05 (s, 12H);
2,28 (s, 6H), 2,33 (s, 6H), 6,94 (s, 4H), 7,95 (t, 1H), 8,5 (d,
2H)).
-
In
demselben Kolben wird Tetrahydrofuran (40 ml) zu den Bis(imin)feststoffen
zugefügt,
und die Mischung wird 0,5 h gerührt.
Eisen(II)chlorid (1,55 g, 12,2 mmol) wird in den Kolben zugefügt, und
die Mischung wird unter Stickstoff bei Zimmertemperatur 15 h gerührt. Ein
blauer Feststoff schlägt
sich nieder. Die flüssige Phase
wird durch Filtration (Innenfilter) entfernt. Der Rückstand
wird mit kaltem Ethanol (20 ml) gewaschen, und die Waschflüssigkeiten
werden durch Filtration und bei reduziertem Druck durch den Innenfilter
entfernt. Die resultierenden Feststoffe werden unter Vakuum 1 h
getrocknet. Die Komplexverbindung ergibt zufriedenstellende 1H NMR- und Massenspektren. Ertrag: 5,86
g (91,6%).
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BEISPIEL 6
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Präparation einer Eisen(II)-Bis(imin)-Komplexverbindung:
-
„Ein-Reaktor-Zwei-Reaktionsschritte"-Verfahren
-
Das
Verfahren gemäß US-Patent
5,955,555 wird insgesamt ausgeführt,
wird aber gemäß dem erfindungsgemäßen Ein-Reaktor-Verfahren
modifiziert. So wird ein 100 ml-Rundbodenkolben,
der mit einem Stickstoffeinlass und einem Fritteglas-Innenfilter
ausgestattet ist, mit 2,6-Diacetylpyridin (2,00 g, 12,2 mmol) und Methanol
(30 ml) beschickt. 2,4,6-Trimethylanilin (3,47 g, 25,7 mmol, 2.10
eq.) und Ameisensäure
(3 Tropfen) werden hinzugefügt.
Die Lösung
wird bei Zimmertemperatur unter Stickstoff 48 h gerührt, und
gelber Niederschlag wird beobachtet. Die flüssige Phase wird durch Filtration
(Innenfilter) entfernt, und die Feststoffe werden unter Vakuum in
dem Reaktorkolben 1 h getrocknet. Die Analyse einer Probe der Bis(imin)verbindung
ergibt ein zufriedenstellendes 1H NMR-Spektrum.
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In
demselben Kolben wird Tetrahydrofuran (30 ml) zu den Bis(imin)feststoffen
hinzugefügt,
und die Mischung wird 0,5 h gerührt.
Eisen(II)chlorid (1,55 g, 12,2 mmol) wird in den Kolben zugefügt, und
die Mischung wird 18 h unter Stickstoff bei Zimmertemperatur gerührt. Ein
blauer Feststoff schlägt
sich nieder. Die Mischung wird auf ein Volumen von wenigen ml konzentriert,
und der Niederschlag wird anschließend mit kaltem Diethylether
(10 ml) gewaschen. Die flüssige
Phase wird durch Filtration (Innenfilter) enfernt. Der Rückstand
wird mit kaltem Pentan gewaschen (3 × 10 ml), und jede Waschflüssigkeit
wird durch Filtration bei reduziertem Druck durch den Innenfilter
entfernt. Die resultierenden Feststoffe werden unter Vakuum 1 h
getrocknet. Die Komplexverbindung ergibt zufriedenstellende 1H NMR- und Massenspektren. Ertrag: 5,82
g (90,9%).
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VERGLEICHSBEISPIEL 7
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Präparation einer Eisen(II)-Bis(imin)-Komplexverbindung:
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Zwei-Reaktor-Verfahren:
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Das
Zwei-Reaktor-Verfahren aus US-Patent 5,955,555 wird insgesamt ausgeführt. So
wird ein 100 ml-Rundbodenkolben, der mit einem Stickstoffeinlass
ausgestattet ist, mit 2,6-Diacetylpyridin (2,00 g, 12,2 mmol) und
Methanol (30 ml) beschickt. 2,4,6-Trimethylanilin (3,47 g, 25,7 mmol,
2.10 eq.) und Ameisensäure (3
Tropfen) werden hinzugefügt.
Die Lösung
wird bei Zimmertemperatur unter Stickstoff 48 h gerührt, und
gelber Niederschlag wird beobachtet. Die Mischung wird (außerhalb
des Reaktors) gefiltert, und die Feststoffe werden mit kaltem Methanol
(15 ml) gewaschen. Die Analyse einer Probe der Bis(imin)verbindung
ergibt ein zufriedenstellendes 1H NMR-Spektrum. Ertrag:
3,39 g (70,0%).
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In
einem getrennten 100 ml-Rundbodenkolben wird Tetrahydrofuran (30
ml) zu den Bis(imin)feststoffen hinzugefügt (3,39 g, 8,54 mmol), und
die Mischung wird 0,5 h gerührt.
Eisen(II)chlorid (1,08 g, 8,54 mmol) wird in den Kolben hinzugegeben,
und die Mischung wird 18 h unter Stickstoff bei Zimmertemperatur
gerührt. Ein
blauer Feststoff schlägt
sich nieder. Die Mischung wird (außerhalb des Reaktors) gefiltert,
und die Feststoffe werden mit kaltem Pentan gewaschen (3 × 10 ml).
Die resultierenden Feststoffe werden unter Vakuum 2 h getrocknet.
Die Komplexverbindung ergibt zufriedenstellende 1H
NMR- und Massenspektren. Ertrag: 2,69 g (60,0%). Der Gesamtertrag
für beide
Schritte beträgt
42%.
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BEISPIEL 8
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Präparation einer Eisen(II)-Bis(imin)-Komplexverbindung:
-
„Ein-Reaktor-Zwei-Reaktionsschritte"-Verfahren
-
Das
Verfahren gemäß der internationalen
PCT-Veröffentlichung
WO 99/12981 wird insgesamt durchgeführt, wird aber gemäß dem erfindungsgemäßen Ein-Reaktor-Verfahren abgewandelt.
So wird ein 200 ml-Rundbodenkolben, der mit einem Stickstoffeinlass
und einem Fritteglas-Innenfilter ausgestattet ist, mit 2,6-Diacetylpyridin
(2,50 g, 15,3 mmol) und absolutem Ethanol (100 ml) beschickt. 2,4,6-Trimethylanilin
(4,14 g, 30,6 mmol, 2,50 eq.) und Eisessig (4 Tropfen) werden hinzugefügt. Die
Lösung
wird bei Zimmertemperatur unter Stickstoff 1 h gerührt und
wird anschließend
15 h refluxiert (78°C).
Ein gelber Niederschlag wird beobachtet. Die Mischung wird auf Zimmertemperatur
abgekühlt
und die Ethanolphase wird durch Filtration (Innenfilter) entfernt.
Die Feststoffe werden unter Vakuum in dem Reaktorkolben 2 h getrocknet.
Die Analyse einer Probe der Bis(imin)verbindung ergibt ein zufriedenstellendes 1H NMR-Spektrum.
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In
demselben Kolben wird 1-Butanol (30 ml) den Bis(imin)feststoffen
zugefügt
(ungefähr
15,3 mmol), gefolgt von Eisen(II)chlorid (1,94 g, 15,3 mmol). Die
Mischung wird bei Reflux (80°C)
unter Stickstoff 1 h erhitzt, gefolgt von Rühren bei Zimmertemperatur 18
h lang. Die Mischung wird auf ein Volumen von wenigen ml konzentriert,
und der blaue Niederschlag wird mit kaltem Diethylether (15 ml)
gewaschen. Die flüssige
Phase wird durch Filtration entfernt (Innenfilter). Der Rückstand
wird mit kaltem Diethylether gewaschen (3 × 10 ml), und die Waschflüssigkeiten
werden durch Filtration bei reduziertem Druck durch den Innenfilter
entfernt. Die resultierenden Feststoffe werden unter Vakuum 1 h
getrocknet. Die Komplexverbindung ergibt zufriedenstellende 1H NMR- und Massenspektren. Ertrag: 7,32
g (91,1%).
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VERGLEICHSBEISPIEL 9
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Präparation einer Eisen(II)-Bis(imin)-Komplexverbindung:
-
Zwei-Reaktor-Verfahren
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Das
Verfahren gemäß der internationalen
PCT-Veröffentlichung
WO 99/12981 wird insgesamt durchgeführt. So wird ein 200 ml-Rundbodenkolben,
der mit einem Stickstoffeinlass ausgestattet ist, mit 2,6-Diacetylpyridin
(2,50 g, 15,3 mmol) und absolutem Ethanol (100 ml) beschickt. 2,4,6-Trimethylanilin
(4,14 g, 30,6 mmol, 2,50 eq.) und Eisessig (4 Tropfen) werden hinzugefügt. Die
Lösung
wird bei Zimmertemperatur unter Stickstoff 1 h gerührt und
wird anschließend
15 h refluxiert (78°C).
Ein gelber Niederschlag wird beobachtet. Die Mischung wird auf Zimmertemperatur
abgekühlt
und (außerhalb
des Reaktors) gefiltert. Die Feststoffe werden mit kaltem Ethanol
(15 ml) gewaschen und bei 50°C
unter Vakuum 16 h getrocknet. Die Analyse einer Probe der Bis(imin)verbindung
ergibt ein zufriedenstellendes 1H NMR-Spektrum.
Ertrag: 3,71 g (61,0%).
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In
einem getrennten 100 ml-Rundbodenkolben werden Eisen(II)chlorid
(0,27 g, 2,13 mmol), 1-Butanol (30 ml) und ein Teil der Bis(imin)verbindung
(0,847 g, 2,13 mmol) kombiniert und 5 min. gerührt. Die Mischung wird bei
Reflux (80°C)
unter Stickstoff 1 h lang erhitzt und anschließend 18 h unter Stickstoff
bei Zimmertemperatur gerührt.
Der größte Teil
des Reaktions-Lösungsmittels
wird durch Strippen entfernt, und kalter Diethylether (15 ml) wird
hinzugefügt,
um die blaue Komplexverbindung auszufällen. Die Mischung wird (außerhalb des
Reaktors) gefiltert, und die Feststoffe werden mit kaltem Diethylether
gewaschen (3 × 10
ml). Die resultierenden Feststoffe werden 1 h unter Vakuum getrocknet.
Die Komplexverbindung ergibt zufriedenstellende 1H NMR-
und Massenspektren. Ertrag: 0,717 g (64,0%). Der Gesamtertrag für beide
Schritte beträgt
39%.
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ETHYLENPOLYMERISIERUNG
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Alle
Polymerisierungen werden bei 80°C
in einem 2 l-Trübenreaktor
unter Verwendung von Isobutan als Lösungsmittel durchgeführt. Der
Reaktor wird vorbereitet, indem er auf 120°C erwärmt wird und 20 min. unter
einer Stickstoffspülung
auf dieser Temperatur gehalten wird. Ethylen, Isobutan, Wasserstoff
und Stickstoff werden vor der Verwendung mit 13X-Molekülsieben
getrocknet.
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Für eine typische
Polymerisation wird die gewünschte
Menge Wasserstoff (ΔP
= 5 psi) in den Reaktor zugefügt,
indem der Druckabfall von einem 300 ml-Stahlgefäß, das mit Wasserstoff mit
Druck beaufschlagt ist, beobachtet wird. Anschließend wird
der Reaktor mit Isobutan (550 ml) beschickt. Ethylen wird bei Bedarf
in den Reaktor eingeführt,
wobei ein Brooks-Massenstrommessgerät verwendet wird, das auf 400
psi eingestellt ist. In dem Reaktor beträgt der Ethylendruck 290 psi
(ungefähr
20 bar) und der Wasserstoffdruck beträgt 0–5 psi. Die Konzentration des
Ethylens in Isobutan liegt bei ungefähr 15 Mol-%.
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Eine
kleine Menge Triisobutylaluminium-Lösung (2,7 ml von 1,0 M Lösung in
Hexan) wird von einem ersten Injektor in den Reaktor eingeführt, um
Spuren von Feuchtigkeit in dem System auszuspülen. Die gewünschten
Mengen an Katalysator (1 bis 5 mg der Komplexverbindung) und Co-Katalysator
(MAO-Lösung
in Toluol; [Al:Fe]-Molverhältnis
= 50 bis 200) werden anschließend
von einem zweiten Injektor in den Reaktor zugefügt, um die Polymerisation zu
initiieren. Der Reaktor wird während
der Polymerisation auf 80°C
gehalten. Wenn die Reaktion vollendet ist (15 bis 60 min.), wird
der Reaktor entlüftet,
und das resultierende Polyethylen wird gesammelt und bei 50°C unter Vakuum
getrocknet. Die Katalysatoraktivität ist in Tabelle 1 dargestellt.
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Wie
Tabelle 1 zeigt, ist die Aktivität
der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
präparierten
Katalysatoren ebenso hoch (oder leicht höher) als die der Katalysatoren,
die nach dem herkömmlichen
Zwei-Reaktor-Ansatz hergestellt wurden. Überraschenderweise sind jedoch
die prozentualen Erträge
der Komplexverbindungen, die unter Verwendung des Ein-Reaktor-Ansatzes
hergestellt wurden, viel höher
als die bei dem Zwei-Reaktor-Verfahren erzielten Erträge. Interssanterweise
tritt der Ertragsvorteil unabhängig
davon auf, ob die Komplexverbindung in zwei Reaktionsschritten (Beispiele
5, 6 und 8) oder in einem einzigen Reaktionsschritt hergestellt
wird (Beispiele 1–4).
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Tabelle
1. Zusammenfassung der Ergebnisse Ein-Reaktor-Verfahren
zur Herstellung von späten Übergangsmetall-Bis(imin)- Komplexverbindungen
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Die
oben stehenden Beispiele sind nur als Illustrationen gedacht. Die
folgenden Patentansprüche
definieren die Erfindung.